1

Федеральное агентство по образованию

–––––

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В. П. ЮРКИНСКИЙ

ТЕПЛОТЕХНИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2010

2

УДК 536.24 : 621.184 (075.8)

Юркинский В.П. Теплотехника. Техническая термодинамика: Учеб.

пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 120 с.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений,

обучающихся на факультетах теплотехнического профиля по направлению

подготовки 140400 – «Техническая физика» и соответствует государственному

образовательному стандарту дисциплины «Техническая термодинамика и

теплотехника» направления бакалаврской подготовки 550500 – «Металлургия».

В пособии рассмотрены теоретические основы равновесной термодинамики

газовых систем и с учетом закономерностей равновесной термодинамики

проанализированы теоретические и практические основы работы различных

тепловых устройств: термодинамические циклы их работы, оценка эффективности

работы и способы увеличения КПД. Рассмотрены основы неравновесной

термодинамики.

Табл.3. Ил. 51. Библиогр.: 10 назв.

ISBN © Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

3

ВВЕДЕНИЕ

Техническая термодинамика и теплотехника является общетехнической

фундаментальной дисциплиной, которая служит основой теплоэнергетичес-

кого образования студентов = металлургов и поможет им при изучении спе-

цииальных дисциплин, а также в их дальнейшей практической деятельности.

В современном металлургическом и химико-технологическом произ-

водстве существенную роль играют теплотехнические процессы, которые

требуют постоянного научно = технического контроля и экономии тепловых

и материальных ресурсов. Создание различных высокотемпературных

тепловыделяющих и теплоиспользующих агрегатов различного профиля и их

практическая эксплуатация основаны на знании и использовании различных

закономерностей, рассматриваемых в технической термодинамике и тепло-технике. Технический прогресс в современной технической энергетике определяется в основном топливной экономичностью высокотемпературных установок и их экологической безопасностью.

Большинство процессов, протекающих в современных высокотем-

пературных установках (печи различного профиля, газо- и паротурбинные установки, котлоагрегаты и др.) осуществляются при высоких температурах

и связаны с большими затратами тепловой энергии, что обуславливает

высокое значение теплотехники, позволяющей на основе теоретических

закономерностей решать практические вопросы теплофизического профиля,

обеспечивая экономичность и экологическую безопасность в работе совре-

менных высокотемпературных установок.

Современное металлургическое и химическое производства включают

в основной технологический цикл различные энергетичекие установки (ТЭЦ,

котельные, компрессорные, утилизационные, холодильные и теплонасосные

установки), производящие технологическую или энерготехническую про-

дукцию. Совершенствование энергетической отрасли технического

производства связано с его интенсификацией, внедрением более энерго-

экономичных технологий, повышением коэффициента утилизации вторич-

ных энергоресурсов и созданием безотходной, высокоавтоматизированной

__________экономичной технологии с использованием современных ЭВМ.

4

В задачу курса технической термодинамики и теплотехники входит

подготовка инженера – технолога, способного решать практические пробле-

мы, возникающие при проектировании и эксплуатации современного разно-

образного теплоэнергетического оборудования.

1. Законы термодинамики для закрытых и открытых систем

1.1. Основные понятия и определения

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобра-

зования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и

конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и теплотехничес-

ких устройств.

Различают два принципиально разных метода использования теплоты

– энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании,

теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генера-

торах создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают сжига-

нием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях

внутреннего сгорания. При технологическом методе теплота используется

для направленного изменения свойств различных тел (плавления тел,

изменения их структуры, механических, физических и химических свойств).

1.1.1. Термодинамическая система.

Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного

превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепло-

выми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в

тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах

и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термо-

динамики:

I закон термодинамики – закон превращения и сохранения энергии;

II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направ-

ленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого

количества частиц.

Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам

превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность

разрабатывать теорию тепловых машин и исследовать процессы, протекаю-

щие в них.

Объектом исследования в технической термодинамике является термо-

динамическая система, в которой могут быть группа тел, тело или часть

тела. Внешняя среда называется окружающей средой. Таким образом

термодинамическая система это совокупность макроскопических тел,

обменивающихся энергией друг с другом и окружающей средой (например,

5

термодинамической системой может быть газ, находящейся в цилиндре с

поршнем.

Изолированная система – термодинамическая система не взаимодей-

ствующая с окружающей средой.

Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабат-

ную оболочку, которая исключает теплообмен с окружающей средой.

Гомогенная система – однородная система по составу и физическому

строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных

частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от

другой поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с

помощью рабочих тел – газ, пар.

1.1.2. Параметры состояния.

Величины, которые характеризуют состояние термодинамической

системы называются термодинамическими параметрами состояния. Такими

параметрами являются: удельный объем, абсолютное давление, абсолют-

ная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, тепло-

емкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного,

электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазной системы

можно однозначно определить 3-мя параметрами: удельным объемом (v),

температурой (Т) и давлением (p).

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема

вещества к его массе.

v = V / m , [м3/кг] . (1.1)

Плотность вещества – величина, обратная удельному объему и опре-

деляемая отношением массы к объему вещества.

ρ = m / V , [кг/м3] . (1.2)

Давление – определяется силой, действующей на единицу поверхности,

и с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат

ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

p = F / S , [Па; Н/м2] (1.3)

Внесистемные единицы давления:

1 кгс/м2 = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст.

1 ат. (техн. атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа.

1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм. рт. ст.

1 ат. = 0,968 атм.

1 мм. рт. ст. = 133,32 Па.

1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па = 1,019 ат. = 0,987 атм. = 750 мм. рт. ст.

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление (pи) – разность между давлением в рассматрива-

емой системе и давлением окружающей среды.

Абсолютное давление (p) – давление, отсчитываемое от абсолютного

6

нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является термоди-

намическим параметром состояния.

Абсолютное давление определяется:

При давлении в сосуде (системе) больше атмосферного:

p = pо + pи. (1.4)

При давлении в сосуде меньше атмосферного:

p = pо _ pв. (1.5)

где pо – атмосферное давление; pв – давление вакуума.

Температура – характеризует степень нагрева тела и представляет

собой меру средней кинетической энергии его молекул.

За термодинамический параметр состояния системы принимают

термодинамическую температуру (Т), иначе абсолютную температуру.

Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т = 0) любые

тепловые движения прекращаются и это является началом отсчета абсолют-

ной температуры.