Материально-техническое обеспечение дисциплины

Используется компьютерное и мультимедийное оборудование, в качестве приборов и оборудования для проведения лабораторных работ применяются вновь установленные стенды, включающие в себя современные измерительные стенды.

Методические указания для студентов

Студенты в день чтения очередной лекции прочитывают и анализируют предыдущую лекцию. Для усвоения курса они должны воспользоваться методическими материалами по курсу изданными преподавателями кафедры ТЖТ. Для контроля знаний в течении семестра проводится устный опрос в начале лекции. Списки учебной литературы приводятся выше. На семинарах во время практических занятий обсуждаются наиболее сложные вопросы текущего материала по просьбам студентов. Проводится вводный инструктаж по технике безопасности перед началом проведения лабораторных работ.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ (МАТЕРИАЛЫ) ДЛЯ

ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ

Образцы лекций и курсовых проектов в комплекте документов по данному курсу. Методические комментарии заключаются в современном подходе к чтению лекций, т.е. использование аудивизуальной техники,

МАТЕРИАЛЫ ТЕКУЩЕГО, ПРОМЕЖУТОЧНОГО И

ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗАНИЙ СТУДЕНТОВ

Экзаменационные билеты составлены и вложены в УМК.

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.

ЛЕКЦИЯ №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ЕЁ ВИДЫ.

ТЕРМОДИНАМИКА И ЕЁ МЕТОДЫ.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств.

Термодинамика (составная часть теплотехники) изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.

Известны различные виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, магнитная и др.Задачи исследований могут быть различными – это и термодинамика биосистем, техническая термодинамика и т.д. Нас интересует техническая термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий (вместе с теорией теплообмена) и потому являющаяся теоретическим фундаментом теплотехники. Без этого теоретического фундамента невозможно рассчитать и спроектировать тепловой двигатель

Метод термодинамики является феноменологическим. Явление рассматривается в целом. Связь между макроскопическими параметрами, определяющими поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами.

Термодинамическое состояние тела (например, газа) характеризуется его массой , молярной массой μ, давлением , объемом , температурой (а возможно, и другими величинами, например, определяющими его химический состав). Все эти величины называются термодинамическими параметрами тела. Однако, как будет видно из дальнейшего, такие параметры, как ,имеют смысл только тогда, когда тело находится, хотя бы приближенно, в так называемом состоянии термодинамического равновесия (т.д.р.). Так называется состояние, в котором все термодинамические параметры остаются со временем постоянными (к этому следует добавить еще условие отсутствия стационарных потоков). Если, например, быстро подогревать газ, как это показано на рис. 9.1, температура непосредственно подогреваемой части сосуда А окажется выше температуры части В. Не будут равны и давления в частях А и В. В этом случае не имеет смысла понятие температуры или давления всего газа. Другой пример – впустим в газ пучок быстрых молекул. Ясно, что не имеет смысла говорить о температуре газа до тех пор, пока быстрые молекулы, вследствие ряда столкновений с другими, не приобретут скоростей порядка средней скорости остальных молекул, иначе говоря, пока система не придет в состояние т.д.р.

В состоянии т.д.р. для каждого вещества термодинамические параметры связаны между собой так называемым уравнением состояния:

(1.1)

Таким уравнением состояния для идеального газа является уравнение Менделеева – Клапейрона:

(1.2)

Здесь R=8,31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса. Для углерода (С) величина μ составляет 12г, для водорода (H₂) – 2г, для кислорода (О₂) – 32г, для воды (Н₂О) – 18г и т.д.

В моле любого вещества содержится одно и то же количество молекул N₀, называемое числом Авогадро:

(1.3)

Это объясняется тем, что значение моля любого вещества выбрано пропорциональным массе молекулы этого вещества. Масса молекулы может быть получена делением массы моля на число Авогадро:

(1.4)

Отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро (т.е. универсальная газовая постоянная, приходящаяся на одну молекулу) называется постоянной Больцмана:

(1.5)

В формулу (1.2) входят еще давление, объем, температура и масса газа. Давление Р в системе СИ измеряется в ньютонах на квадратный метр или паскалях (Н/м²=Па), объем V – в кубических метрах (м²), масса m – в килограммах (кг), температура T – в кельвинах (К). Абсолютная температура Т отсчитывается от абсолютного нуля (-273,15°С), т.е. Т=t+273,15, где t – температура по Цельсию.

Если количество вещества равно 1 молю, то (1.2) превращается в

(1.6)

Идеальным газом называется газ, настолько разреженный, что он подчиняется уравнению (1.2) или(1.6). Смысл этого определения состоит, очевидно, в том, что для подчинения уравнению (1.6) газ должен быть достаточно разреженным. Если газ, напротив, сжат до достаточно больших плотностей (так называемый реальный газ), то вместо (1.6) имеем

(1.7)

Это – уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса. Здесь a и b – постоянные.

Выбор термодинамической системы произволен. Выбор диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, есть окружающая среда. Разделение термодинамической системы и окружающей среды осуществляет контрольная поверхность. Так, например, для простейшей термодинамической системы цилиндр-газ-поршень, внешняя среда окружающий воздух, а контрольная поверхность оболочка цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности.

При механическом взаимодействии самой системы или над нею совершается работа. Следует отметить: работа может совершаться и под действием других сил- электрических, магнитных.

Рассматривая пример с системой цилиндр-поршень можем отметить следующее: механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объёма. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. Для открытой термодинамической системы обмен идёт со средой и веществом (массообменные процессы). В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы. Если система теплоизолирована, то мы называем её адиабатной, например, газ в сосуде с идеальной тепловой изоляцией. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни веществом и называется замкнутой (изолированной).

Превращение теплоты в работу и наоборот работы в теплоту осуществляется системами представляющими собой газы и пары, их называют рабочими телами.

В развитии термодинамики как науки большой вклад сделали русские учёные: М.В. Ломоносов – определил сущность теплоты как внутреннего движения материи, кроме того, определил сущность, разработанных впоследствии, законов термодинамики, за сто лет до Клаузиуса (1850 г.), дал содержание второго закона термодинамики, количественная оценка была дана Ломоносовым в двух его работах 1750 и 1760 г.г. Можно упомянуть Г.Г. Гесса (1840 г.), который установил закон о тепловом эффекте химической реакции, проф. Шиллера Н.Н. (Киевский университет)- дал более строгое обоснование второго начала термодинамики, проф. Афанасьева-Эренфест Т.А. впервые показала целесообразность раздельного толкования второго начала термодинамики для равновесных и неравновесных процессов. Исследования в прикладном и теоретическом плане проведены учёными МВТУ Гриневецким В.И., Киршем К.В., Мерцаловым Н.И., Рамзиным Л.К., Ошурковым Б.М. Первый советский учебник по термодинамике был написан Ошурковым Б.М. Учёные ВТИ, МЭИ Вукалович М.П., Кириллин В.А., Новиков И.И., Тимрот Д.А., Варгафтик Н.Б. провели обширные исследования по получению новых данных по теплофизическим свойствам ряда новых рабочих тел. Из иностранных учёных огромный вклад в развитие термодинамики внесли Сади Карно, Р.Стирлинг, Р.Майер, Клаузиус, Гельмгольц, Джоуль, Томсон, Рейнольдс и др. Кстати, Р. Стирлинг за 8 лет до С. Карно в 1816 году запатентовал машину, производящую работу за счёт нагретого воздуха.

ЛЕКЦИЯ №2

РАБОЧИЕ ТЕЛА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ.

1. Общие положения.

При изучении термодинамики и применении её соотношений для анализа конкретных явлений следует учитывать те особенности термодинамического подхода к описанию явлений, которые отличают термодинамический метод от методов принятых в других областях естественных наук.

Главные особенности имеют три основные черты:

1. Метод термодинамический построен на использовании весьма небольшого числа обобщённых зависимостей или закономерностей сформулированных в результате накопления и научного анализа огромного экспериментального материала. Степень достоверности максимальна, рассматриваются как законы природы. Закономерности сформулированы в форме трёх начал термодинамики.

Первое начало – всеобщий закон сохранения энергии, сформулированный в термодинамических понятиях;

Второе начало – устанавливает определённую направленность изменений, возникающих в реальных процессах обмена энергий, не носит общности первого, касается лишь тепловой формы обмена энергий.

Третье начало – объясняет поведение вещества при температуре стремящейся к абсолютному нулю.

Есть ещё одно, четвёртое – «нулевой закон» о термическом равновесии между телами, имеющими равную температуру.

2. Для описания процессов обмена энергией с помощью различных соотношений, получаемых на основе трёх законов термодинамики, используются только физические понятия и величины, смысл которых не связан с существующими представлениями об элементарном строении материи. Величины эти либо могут быть непосредственно измерены, либо вычислены по термодинамическим соотношениям с использованием измеренных величин. Такие величины называют макроскопическими, феноменологическими или термодинамическими в отличие от микромира и его величин. (Термодинамические величины – плотность, давление, температура, объём и т.п.) Эти термодинамические соотношения не меняются в процессе углубления наших представлений о строении вещества, его микромира. Применимы соотношения к веществам в любом состоянии – газам, парам, жидкостям, твёрдым телам, а также к электромагнитному излучению. Недостаток феноменологического метода состоит в том, что для использования общих термодинамических соотношений в конкретных случаях необходима информация о свойствах вещества, что требует эксперимента.

В конце Х1Х века получила развитие статистическая термодинамика, как раздел статистической физики. Здесь свойства макроскопических тел рассматриваются и вычисляются на основе представлений микромира вещества, его элементарного состава.

3. Две предыдущие особенности термодинамического метода определяют область приложения термодинамики, устанавливая границы её действия. С одной стороны в силу феноменологического метода исследования применимы лишь к макроскопическим телам, состоящим из большого числа элементарных частиц. С другой стороны эти тела должны быть ограничены. На бесконечную вселенную выводы термодинамики не распространяются, поскольку основные положения формировались в результате наблюдения явлений в ограниченной её части.