0 Термодинамическая система
М
иНиСТЕРСТВО
Образования и НАУКИ УКРАиНы
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА «ФИЗИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
Профессор А.А. Халатов
академик НАН Украины
Термодинамика газового потока
Учебное пособие по курсу
«Термодинамика газового потока»
г. Киев – 2014
СОДЕРЖАНИЕ:
Введение………………………………………………………………………….…….. |
7 |
|
|
|
|
Раздел 1. Основные понятия |
8 |
|
1.1. |
Основные определения …………………….………..……………………….. |
8 |
1.2 |
Понятие об уравнении состояния ……………………………..….…………. |
9 |
1.3 |
Уравнение состояния идеального газа ………………………………………. |
9 |
1.4 |
Термодинамический процесс ………………………………………………… |
10 |
1.5 |
Теплоемкость газа …………………………………………………………….. |
11 |
1.5.1 |
Влияние типа процесса на теплоемкость ……………………………………. |
12 |
1.5.2 |
Влияние рода газа на теплоемкость …………………………………………. |
12 |
1.5.3 |
Влияние параметров состояния на теплоемкость …………………………... |
13 |
1.6 |
Газовые смеси ………………………………………..……………………...… |
13 |
1.6.1 |
Определение состава газовой смеси …………………………………………. |
14 |
1.6.2 |
Кажущаяся молекулярная масса смеси ……………………………………… |
15 |
1.6.3 |
Газовая постоянная смеси ……………………………………………………. |
15 |
1.6.4 |
Связь между парциальными величинами …………………………………… |
15 |
1.6.5 |
Теплоемкость смеси газов ……………………………………………………. |
16 |
Контрольные вопросы ……………………………………………………………….. |
16 |
|
|
|
|
Раздел 2. Первый закон термодинамики и термодинамические процессы 17 |
||
2.1 |
Первый закон термодинамики ………………………………..……………… |
17 |
2.2 |
Внутренняя энергия …………………………………………………………... |
18 |
2.3 |
Работа и теплота процесса …………………………………………….……… |
20 |
2.3.1 |
Работа ………………………………………………………………………….. |
20 |
2.3.2 |
Теплота ………………………………………………………………………… |
21 |
2.4 |
Энтальпия ……………………………………………………………………… |
23 |
2.5 |
Исследование термодинамических процессов ……………………………… |
23 |
2.6 |
Изохорный процесс …………………………………………………………… |
24 |
2.7 |
Изобарный процесс …………………………………………………………… |
24 |
2.8 |
Изотермический процесс ……………………………………………………... |
25 |
2.9 |
Адиабатный процесс ………………………………………………………….. |
26 |
2.9.1 |
Показатель адиабаты ………………………………………………………….. |
28 |
2.10 |
Политропные процессы ………………………………………………………. |
28 |
2.10.1 |
Соотношения политропного процесса ………………………………………. |
29 |
2.10.2 |
Теплоемкость политропного процесса ………………………………………. |
29 |
2.10.3 |
Политропные процессы в р–υ диаграмме …………………………………… |
29 |
2.11 |
Обратимые и необратимые процессы ……………………………………….. |
30 |
Контрольные вопросы 33 |
||
|
|
|
|
|
|
Раздел 3. Второй закон термодинамики 34 |
||
3.1 |
Понятие о цикле ………………………………………………………………. |
34 |
3.2 |
Второй закон термодинамики ………………………………………………... |
35 |
3.3 |
Термический к.п.д. цикла теплового двигателя ……………………………. |
36 |
3.4 |
Цикл Карно ……………………………………………………………………. |
37 |
3.5 |
Свойства обратимых и необратимых циклов ………………………………. |
40 |
3.5.1 |
Обратимые циклы …………………………………………………………….. |
40 |
3.5.2 |
Необратимые циклы …………………………………………………………... |
41 |
3.6 |
Энтропия и ее изменение в обратимых и необратимых процессах ……….. |
42 |
3.7 |
Энтропия изолированной системы ………………………………………….. |
45 |
3.8 |
Потеря полезной работы в необратимых процессах ……………………….. |
46 |
3.9 |
Координаты T – s ……………………………….…………………………….. |
47 |
3.9.1 |
Адиабатный процесс ………………………………………………………….. |
49 |
3.9.2 |
Изотермический процесс ……………………………………………………... |
49 |
3.9.3 |
Изохорный процесс …………………………………………………………… |
49 |
3.9.4 |
Изобарный процесс …………………………………………………………… |
50 |
3.9.5 |
Политропные процессы ………………………………………………………. |
50 |
3.10 |
Координаты i – s ………………………………………………………………. |
51 |
3.10.1 |
Изотермический процесс ……………………………………………………... |
52 |
3.10.2 |
Изобарный процесс …………………………………………………………… |
52 |
3.10.3 |
Изохорный процесс …………………………………………………………… |
52 |
Контрольные вопросы ……………………………………………………………….. |
53 |
|
|
|
|
Раздел 4. Основные уравнения термодинамики газового потока 54 |
||
4.1 |
Уравнение неразрывности …………………………………………………… |
54 |
4.2 |
Первый закон термодинамики для движущегося газа ……………………… |
55 |
4.3 |
Уравнение сохранения энергии газового потока …………………………… |
56 |
4.4 |
Параметры адиабатного заторможенного потока ………………………….. |
58 |
4.5 |
Критические параметры потока ……………………………………………… |
59 |
4.6 |
Уравнение сохранения энергии в параметрах заторможенного потока. Частные случаи уравнения …………………………………………………… |
60 |
4.6.1 |
Энергоизолированный поток ………………………………………………… |
60 |
4.6.2 |
Компрессор ……………………………………………………………………. |
60 |
4.6.3 |
Турбина ………………………………………………………………………... |
61 |
4.6.4 |
Теплообменник. Камера сгорания …………………………………………… |
62 |
4.7 |
Обобщенное уравнение Бернулли …………………………………………… |
62 |
4.8 |
Изменение полной температуры и полного давления в газовом потоке …. |
64 |
4.9 |
Газодинамические функции ………………………………………………….. |
65 |
4.9.1 |
Число Маха и приведенная скорость ………………………………………... |
65 |
4.9.2 |
Газодинамические функции ………………………………………………….. |
66 |
Контрольные вопросы …………………………………………..…………………… |
68 |
|
|
|
|
|
|
|
Раздел 5. Разгон и торможение газового потока 70 |
||
5.1 |
Форма канала, обеспечивающая разгон или торможение газового потока .. |
70 |
5.1.1 |
Геометрическая форма сопла ………………………………………………… |
71 |
5.1.2 |
Геометрическая форма диффузора …………………………………………... |
72 |
5.2 |
Идеальное течение газа в соплах …………………………………………….. |
72 |
5.2.1 |
Основные определения ……………………………………………………….. |
73 |
5.2.2 |
Скорость истечения газа из сопла …………………………………………… |
73 |
5.3 |
Идеальное течение газа в суживающихся соплах …………………………... |
75 |
5.3.1 |
Изменение параметров потока в суживающемся сопле ……………………. |
75 |
5.3.2 |
Располагаемая степень понижения давления газа в сопле меньше критической ………………………………………………………….. |
75 |
5.3.3 |
Располагаемая степень понижения давления газа в сопле равна критической …………………………………………………………………… |
75 |
5.3.4 |
Располагаемая степень понижения давления газа в сопле больше критической …………………………………………………………………… |
76 |
5.3.5 |
Влияние πср на течение газа в суживающемся сопле ………………………. |
76 |
5.3.6 |
Расход газа …………………………………………………………………….. |
77 |
5.4 |
Идеальное течение газа в соплах Лаваля ……………………………………. |
78 |
5.4.1 |
Изменение параметров потока вдоль сопла Лаваля ………………………... |
78 |
5.4.2 |
Влияние
|
79 |
5.4.3 |
Расход газа …………………………………………………………………….. |
80 |
5.4.4 |
Влияние р1* и рН на течение газа в сопле |
81 |
5.5 |
Разгон и торможение потока газа при различных воздействиях …………. |
82 |
5.5.1 |
Расходное воздействие ……………………………………………………….. |
83 |
5.5.2 |
Тепловое воздействие ………………………………………………………… |
85 |
5.5.3 |
Механическое воздействие …………………………………………………... |
85 |
5.5.4 |
Воздействие трением …………………………………………………………. |
85 |
5.5.5 |
Совместное влияние нескольких воздействий на течение газа в сопле …... |
86 |
Контрольные вопросы |
86 |
|
|
|
|
Раздел 6. Идеальные циклы тепловых двигателей 88 |
||
6.1 |
Термодинамический метод исследования циклов …………………………. |
88 |
6.2 |
Циклы реактивных двигателей и газотурбинных установок ………………. |
89 |
6.2.1 |
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = const) и полном расширении (цикл Брайтона) ……………………………………... |
89 |
6.2.2 |
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (υ = const) и полном расширении (цикл Гемфри) ……………………………………….. |
93 |
6.2.3 |
Сравнение циклов Брайтона и Гемфри ……………………………………… |
95 |
6.2.4 |
Цикл ракетного двигателя ……………………………………………………. |
96 |
6.3 |
Циклы поршневых двигателей ……………………………………………….. |
97 |
6.3.1 |
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме υ = const (цикл Отто) ... |
98 |
6.3.2 |
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р = const (цикл Дизеля)
|
99 |
6.3.3 |
Сравнение циклов Отто и Дизеля …………………………………………… |
101 |
Контрольные вопросы……………………………………………………………….. |
101 |
|
|
|
|
Раздел 7. Термодинамика реальных газов 103 |
||
7.1 |
Уравнение состояния реального газа ………………………………………... |
103 |
7.1.1 |
Основные определения ……………………………………………………….. |
103 |
7.1.2 |
Уравнение состояния реального газа ………………………………………... |
104 |
7.2 |
Фазовые диаграммы ………………………………………………………….. |
104 |
7.2.1 |
Фазовая p–t диаграмма ……………………………………………………….. |
104 |
7.2.2 |
Фазовая p – v диаграмма ……………………………………………………… |
106 |
7.3 |
Энтропийные диаграммы реального газа …………………………………… |
109 |
7.3.1 |
Диаграмма T–s ………………………………………………………………… |
109 |
7.3.2 |
Диаграмма i – s ………………………………………………………………... |
111 |
7.4 |
Дросселирование газа ………………………………………………………… |
112 |
7.5 |
Паровой цикл Карно ………………………………………………………….. |
116 |
7.6 |
Цикл Ренкина ………………………………………………………………….. |
117 |
7.6.1 |
Цикл Ренкина с перегретым паром ………………………………………….. |
120 |
7.7 |
Циклы атомных энергетических установок ………………………………… |
121 |
7.7.1 |
Одноконтурные атомные установки ………………………………………… |
122 |
7.7.2 |
Двухконтурные атомные установки ………………………………………… |
123 |
7.7.3 |
Трехконтурные атомные установки …………………………………………. |
123 |
7.8 |
Энергетические установки с МГД-генератором ……………………………. |
124 |
7.8.1 |
МГД-установка открытого цикла ……………………………………………. |
125 |
7.8.2 |
МГД-установка замкнутого цикла …………………………………………… |
127 |
Контрольные вопросы ………………….…………….……………………………… |
128 |
|
|
|
|
Раздел 8. Циклы холодильных установок 130 |
||
8.1 |
Основные понятия и определения …………………………………………… |
130 |
8.2 |
Цикл воздушной холодильной установки …………………………………... |
132 |
8.3 |
Цикл паровой компрессионной холодильной установки ………………….. |
135 |
8.4 |
Цикл теплового насоса ………………………………………….……………. |
137 |
Контрольные вопросы …………………….………………………….……………… |
140 |
|
|
|
|
Литература ……………………………………………………………………………. |
141 |
|
на течение газа в сопле ………………………………………….
ВВЕДЕНИЕ
Движение газового потока, которое сопровождается преобразованием энергии, является составной частью рабочего процесса во многих энергетических установках. Термодинамика газового потока играет важную роль не только в изучении различных термодинамических процессов, но, прежде всего, в определении наиболее эффективных способов преобразования теплоты в работу. Значение термодинамики газового потока особенно возросло в связи с тенденцией к повышению параметров термодинамических процессов тепловых машин и установках.
«Термодинамика газового потока» является одним из базовых учебных курсов в системе фундаментальных дисциплин физико-энергетического цикла по специальности «Прикладная физика» (специализация: «физика энергетических систем и новых источников энергии»). Она дает основные знания в области законов движения газового потока и анализа термодинамических циклов тепловых машин. Изучение этой дисциплины позволит студентам получить глубокие профессиональные знания в области законов движения газового потока и преобразования тепловой формы энергии в механическую, расчета и оптимизации термодинамических циклов различных тепловых машин. Полученные знания дают возможность выполнять исследования физических процессов в энергетических машинах и установках и проводить расчеты параметров газового потока в элементах энергетических установок.
Основные задачи изучаемого курса состоят в следующем:
Получить знания в области закономерностей движения газа в условиях преобразования тепловой энергии в механическую и анализа термодинамических циклов тепловых машин.
Уметь самостоятельно формулировать, анализировать и решать задачи движения газового потока в элементах энергетических установок.
Получить навыки расчета параметров термодинамических циклов и исследования процессов преобразования теплоты в механическую энергию в тепловых машинах и механической энергии в тепловую в холодильных установках и тепловых насосах.
Изучение дисциплины включает лекции и практические занятия. Базой для изучения данного курса служат следующие дисциплины: «Введение в специальность», «Общая физика», «Математический анализ», «Дифференциальные уравнения». Лекционный курс включает следующие разделы:
Введение.
Раздел 1. Основные понятия.
Раздел 2. Первый закон термодинамики и термодинамические процессы.
Раздел 3. Второй закон термодинамики.
Раздел 4. Основные уравнения термодинамики газового потока.
Раздел 5. Разгон и торможение газового потока.
Раздел 6. Идеальные циклы тепловых двигателей.
Раздел 7. Термодинамика реальных газов.
Раздел 8. Циклы холодильных установок.
РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ