Предисловие
Данное учебное пособие по курсу «Теплотехника» составлено в соответствии с программой рекомендованной Министерством образования России для направления подготовки специалистов по специальности 330400 – «Пожарная безопасность».
В первой части – «Термодинамика» – главное внимание уделено первому закону термодинамики и его приложению к аналитическому расчету термодинамических процессов в идеальных газах.
Во второй части – «Теплопередача» – кратко рассмотрены основные понятия теории теплообмена, физический смысл критериев подобия и критериальные формулы конвективного теплообмена.
В учебное пособие включено четыре задания: по два в каждой из перечисленных частей. Численные значения, необходимые для выполнения индивидуального задания, зависят от номера зачетной книжки.
Если номер удостоверения имеет один знак, например, № 1, то слева необходимо приписать 00, т. е. номер варианта 001. Если номер удостоверения имеет 2 знака, например, № 10, то слева необходимо приписать 0, т. е. номер варианта 010. Если номер удостоверения имеет 4 знака, например, № 1020, то необходимо использовать только 3 знака справа, т. е. номер варианта 020. Таким образом, любой одно- двух- и более значный номер удостоверения книжки приводится к трехзначному номеру варианта выполняемого задания. Например, в числе 012 первая цифра номера варианта 0, вторая 1, последняя 2 определят численные значения исходных параметров задания.
В методических указаниях по решению контрольных заданий приведены краткие теоретические сведения и расчетные формулы по соответствующей тематике, а также необходимые таблицы физических величин.
Часть 1. Термодинамика
Термодинамика есть наука, изучающая законы превращения энергии в различных процессах, сопровождающихся поглощением или выделением тепла (такие процессы имеют общее название – тепловые процессы).
Термодинамика как наука основана на трех экспериментальных законах (началах).
П е р в ы й з а к о н т е р м о д и н а м и к и (или первое начало термодинамики) есть не что иное, как частный случай закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам.
В т о р о й з а к о н (второе начало) т е р м о д и н а м и к и определяет направление течения тепловых процессов.
Т р е т и й з а к о н (третье начало) т е р м о д и н а м и к и утверждает принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.
В зависимости от задач исследования рассматривают термодинамику техническую и химическую, общую (физическую) термодинамику и т. д.
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих процессах. Главной задачей ее является нахождение с помощью термодинамического метода наиболее рациональных способов взаимного превращения тепла и работы.
Основными особенностями термодинамического метода исследования тепловых процессов являются:
термодинамика имеет дело только с макроскопическими величинами (микроструктура веществ здесь не рассматривается);
все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции (т. е. от общего к частному), используя только два первых закона (начало) термодинамики.
Выбранную для термодинамического исследования группу тел или одно тело называют термодинамической системой; все, что находится вне системы – внешней или окружающей средой. Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы.
Если термодинамические параметры состояния (давление P, температура Т и удельный объем ) постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемой уравнением состояния:
F(P, Т, ) = 0. (1.1)
При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.
Процессы, осуществляемые при постоянном значении какого-либо параметра, называют изопроцессами:
изохорным (при = const);
изобарным (при P = const);
изотермическим (при Т = const).
При любом термодинамическом процессе обмен энергией системы с окружающей средой происходит в форме теплоты или механической работы. В первом случае обмен осуществляется при контакте тел с различной температурой. Энергия передается на молекулярном уровне от более нагретого тела к холодному. Количество подведенной или отведенной теплоты обозначают буквой Q, Дж.
Если теплоту относят к 1 кг массы М, то ее количество обозначают через q, Дж/кг, и называют удельной теплотой
(1.2)
Второй способ
передачи энергии происходит при изменении
объема тела V. Количество
переданной энергии соответствует работе
расширения, совершенной над телом или
затраченной им. Величину работы расширения
обозначают буквой L,
Дж, а отнесенное к единице массы ее
количество
,
Дж/кг, – удельной работой. Работа
расширения газа в процессе определяется
по формуле:
L
(1.3)
или
.
(1.4)
Здесь
=
Из (1.3) следует, что:
если
>
0, то L >0, т. е. при
расширении работа тела положительна,
при этом тело само совершает работу;если <0, то L<0, т. е. при сжатии работа отрицательна, другими словами говоря, на его сжатие затрачивается работа извне.
Любая термодинамическая система обладает запасом энергии, которую называют внутренней энергией системы U.
Под внутренней энергией U понимают энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.
Для задач технической термодинамики важно не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение в различных термодинамических системах. В свою очередь, изменение внутренней энергии определяется только начальным и конечным состояниями системы:
U=U2-U1,
Дж.
(1.5)
Изменение энергии для 1 кг вещества:
u =u2-u1, Дж/кг. (1.6)
При одновременном тепловом и механическом воздействиях системы со средой изменение внутренней энергии будет зависеть как от количества подведенной (отведенной) теплоты, так и от произведенной системой работы, т. е.
u2-u1=q-
(1.7)
или
q = + u. (1.8)
Уравнения (1.7) и (1.8) называются уравнениями первого закона термодинамики. Согласно этим уравнениям первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.
В дифференциальной форме уравнение первого закона термодинамики можно записать в виде:
dq = du+d =du + Pd . (1.9)
В технической термодинамике в качестве рабочего тела часто рассматривают идеальные газы, в которых отсутствуют силы взаимного притяжения и отталкивания между молекулами, а объем молекул пренебрежимо мал. Ввиду того, что многие реальные газы при малых давлениях по своим свойствам мало отличаются от идеального, выводы, полученные при рассмотрении идеального газа можно перенести на реальные газы, и тем самым найти им применение в практической деятельности.
Вместе с теорией теплообмена техническая термодинамика является теоретическим фундаментом теплотехники, на основе которой осуществляется расчет и проектирование всех видов тепловых двигателей.