0

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Институт новых информационных технологий

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

А.В. Космынин, в.С. Виноградов теплотехника

Учебное пособие

Комсомольск-на-Амуре

2013

УДК 621.1.016 (07)

ББК 31.3 я7

К 727

Космынин, А.В.

К 727 Теплотехника: учеб. пособие / А.В. Космынин, В.С. Виноградов. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. – 115 с.

Рассмотрены основные разделы теоретической теплотехники: параметры состояния; законы идеальных газов; смеси жидкостей, газов и паров; теплоемкость; термодинамические процессы и их свойства и др. Предлагаются примеры решения типичных задач и задачи для самостоятельного решения, а также задачи для выполнения контрольных работ и справочный материал, необходимый при решении задач.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по дистанционным технологиям.

УДК 621.1.016 (07)

ББК 31.3 я7

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013

© Институт новых информационных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013

Введение

История человеческого общества неразрывно связана с развитием энергетики. Сначала человек использовал собственную мускульную силу, затем силу животных, энергию ветра, воды, пара и т.д. Источники энергии, постепенно становились всё более мощными. Наконец, наступила эра тепловых машин.

Стержневое значение в развитии энергетики имела и имеет техническая термодинамика, являющаяся теоретической базой создания теплоэнергетических машин и установок. Техническая термодинамика занимается изучением физических явлений, связанных с взаимным превращением теплоты и работы в тепловых машинах (паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, холодильных машинах, и т.д.)

Зарождение технической термодинамики вызвано появлением в конце XVIII столетия паровых машин. Вначале они были крайне неэкономичными: удельный расход топлива, которым в те времена был в основном каменный уголь, доходил до 25 кг на 1 кВт/ч (в настоящее время составляет около 450 г). Однако это не имело большого значения, так как паровые двигатели использовались в качестве приводов насосов, которые откачивали воду из каменноугольных шахт, где уголь был не покупной.

Область применения паровых машин, благодаря их несомненным преимуществам по сравнению с другими силовыми установками того времени (водяными колесами, ветряными крыльями), быстро увеличивалась. Они стали применяться на фабриках, заводах и транспорте. Число их росло, рос спрос на каменный уголь, а значит, и цена на него. Всё это вызывало необходимость искать пути уменьшения удельного расхода топлива.

Первым, кто теоретически решил эту задачу, указав пути повышения экономичности тепловых двигателей, был французский ученый Никола Леонар Сади Карно (1796 – 1832 г.), который заложил основы технической термодинамики и считается одним из основателей и творцом этой науки.

Существенный вклад в развитие термодинамики внёс М.В. Ломоносов (1711 – 1765 г.). Он открыл и экспериментально доказал закон сохранения вещества и явился одним из основоположников молекулярно-кинетической теории теплоты. В основе его трудов лежит представление о первом законе термодинамики, являющимся законом сохранения энергии.

Большое значение для становления термодинамики имело открытие основных газовых законов: Бойля-Мариотта (1661 г.), Шарля (1737 г.), Гей-Люссака (1802 г.), Дальтона (1802 г.), Авагадро (1811 г.) и Клапейрона (1834 г.), который дал окончательное выражение уравнения состояния идеального газа. В работах Р. Майера (1814 – 1878 гг.), Дж. Джоуля (1818 – 1889 гг.) и Г. Гельмгольца (1821 – 1894 гг.) был установлен принцип эквивалентности теплоты и работы, и на его основе сформулирован закон сохранения и превращения энергии – первый закон термодинамики. У. Томсон (Кельвин) (1824 – 1907 гг.), на основе принципа Карно, ввел понятие абсолютной температуры.

Выдающийся вклад в развитие термодинамики внёс Р. Клаузиус (1822 – 1888 гг.). На основе эквивалентности теплоты и работы он ввел понятие внутренней энергии рабочего тела, сформулировал второе начало термодинамики и обосновал понятие энтропии.

Дальнейшее развитие термодинамики, тесно связанное с усовершенствованием тепловых машин, шло по пути указанному С. Карно.

Одновременно с открытием основных законов термодинамики создавались базовые элементы теплотехники: паровые котлы, паровые машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и т.д. В 1769 г. английский механик Д. Уатт получил патент на паровую машину, принцип действия которой не отличался от современной.

Используя термодинамические исследования, отечественный ученый проф. Л.К. Рамзин создал новый тип парового котла, который вырабатывает пар сверхкритического давления и температуры (прямоточный котел).

Немецкий ученый Р. Дизель создал в 1898 году новый тип двигателя, названный в честь его дизелем. В 1899 году производство дизелей началось в России, при этом в них было внесено принципиальное изменение. Топливом стал не керосин, как в двигателе Р. Дизеля, а более дешевая нефть.

Развитие тепловых двигателей ставит перед технической термодинамикой новые задачи, решение которых способствует их дальнейшему развитию. Так, применение в паросиловых установках пара высокого давления и высокой температуры сделало необходимым глубокое изучение свойств такого пара.

Широкое распространение двигателей внутреннего сгорания заставило произвести термодинамические исследования процессов, протекающих в условиях близких к реальным. Эту работу выполнил русский ученый В.И. Гриневецкий. В период 1901 – 1908 гг. Гриневицкий опубликовал ряд работ, в которых изложил термодинамический расчёт паровых котлов, методы анализа рабочего процесса паровых машин (с применением энтропийной диаграммы) и исследования общих уравнений применительно к водяному пару. Гриневецкий заложил начало научно-обоснованной теории двигателей внутреннего сгорания и теплового расчета рабочего процесса. Эта работа оказала огромное влияние на развитие отечественного двигателестроения.

В настоящее время ведутся интенсивные термодинамические исследования по прямому преобразованию теплоты в электрическую энергию, минуя промежуточную стадию – превращение теплоты в механическую работу в тепловых двигателях. Термодинамические исследования установок по прямому превращению теплоты в электроэнергию являются еще одним шагом вперед в развитии технической термодинамики.

Ученые всего мира продолжают исследования по термодинамике, так как источником теплоты является природное топливо, а запасы его не безграничны, вследствие чего значение технической термодинамики не ослабевает.