Теоретические основы теплотехники 1

1

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………….. 4

1.Основные понятия и определения ……………………………………….…. 6

2.Физическое состояние вещества, фазовая диаграмма

чистого вещества …………………………………………………………. 17

3. Законы и уравнение состояния идеальных газов.

Уравнения состояния реального газа.…………………............................... 20

4.Первое начало термодинамики …………………………………………….. 25

5.Процессы изменения состояния термодинамических систем ……………. 34

6.Круговые процессы (циклы). Цикл Карно .………...…………………........ 52

7.Второе начало термодинамики …………………………………………….. 60

8.Смеси жидкостей, паров и газов …………………………………………… 76

9.Пары и парообразование ……………………………………………………. 85

10.Истечение жидкостей, паров и газов. Дросселирование ………………... 92

11.Процессы сжатия в компрессорах …………………………………...….. 112

12.Циклы паросиловых установок и холодильных машин ……………….. 120

13.Циклы двигателей внутреннего сгорания ……………………..……...… 135

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………..…. 148

2

Введение

Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней поли-

тики.

Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность многих отрас-

лей промышленности, консолидацию субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических по-

казателей страны.

Приоритетными задачами энергетической стратегии России являются:

 полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным и вместе с тем стимулирующим энерго-

сбережение ценам;

снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны;

снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, транспортировке и реализации продукции топливно-

энергетического комплекса и т.д.

Решение многих из этих задач невозможно без использования методо-

логии и математического аппарата, представленного в разделах теплотехни-

ки.

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы по-

лучения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также прин-

ципы действия и конструктивные особенности теплоэнергетических устано-

вок и систем.

Теоретической основой теплотехники являются термодинамика и

3

теплопередача, которые являются фундаментальными базовыми дисципли-

нами для большинства инженерных специальностей.

Термодинамика - наука, изучающая законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений.

В основу термодинамики положены основные законы или начала,

установленные опытным путем.

Первое начало термодинамики характеризует собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии: «энергия изолирован-

ной системы при всех изменениях, происходящих в системе, сохраняет по-

стоянную величину». Отсюда, в частности, следует вывод о невозможности построения вечного двигателя первого рода, способного производить работу без получения энергии извне.

Второе начало характеризует качественную сторону и направленность процессов, происходящих в системе. Второе начало термодинамики отражает принципы существования абсолютной температуры и энтропии, как функций состояния, и возрастания энтропии изолированной термодинамической си-

стемы. Важнейшим следствием второго начала является утверждение о не-

возможности осуществления полных превращений теплоты в работу. От-

сюда следует вывод о невозможности построения вечного двигателя второго рода, способного полностью превращать теплоту в работу.

Третье начало термодинамики (закон Нерста) гласит о том, что при аб-

солютном нуле температур все равновесные процессы происходят без изме-

нения энтропии.

Метод термодинамики заключается в строгом математическом разви-

тии исходных постулатов и основных законов, полученных на основе обоб-

щения общечеловеческого опыта познания природы и допускающих прямую проверку этих положений во всех областях знаний. Термодинамика, постро-

енная по такому принципу, называется феноменологической термодинами-

кой. Она изучает связи между макроскопическими величинами системы,

4

например, между давлением, температурой и объемом, без описания микро-

скопических (атомных, молекулярных) явлений.

1. Основные понятия и определения

Исходные понятия, вместе с изложением метода термодинамики и предварительным описанием свойств простейших термодинамических си-

стем, составляют вводную часть курса, предшествующую изложению основ-

ных принципов и расчетных соотношений термодинамики.

Термодинамическая система

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая си-

стема. Под понятием системы подразумевается тело или совокупность тел,

находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с внешней средой. Система называется закрытой, если она сохраняет постоян-

ное количество вещества при всех происходящих в ней изменениях; если нет,

то систему принято называть открытой.

Если между системой и окружающей ее средой нет каких-либо энерге-

тических взаимодействий, то такую систему принято называть изолированной

системой.

Система, состоящая из одной фазы вещества или веществ, называется

гомогенной. Гомогенная система, неподверженная действию гравитацион-

ных, электромагнитных и других сил и имеющая во всех своих частях одина-

ковые свойства, называется однородной.

Система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз), отделен-

ных поверхностью раздела, называется гетерогенной.

Термодинамической системой принято называть систему, внутреннее состояние которой определяется значениями определенного количества неза-

висимых переменных, которые принято называть параметрами состояния.

Если состояние термодинамической системы и ее параметры не изменяются

6

Давление в системе СИ измеряется в Паскалях (Па=Н/м2).

Давление жидкостей, паров и газов обычно измеряют приборами двух типов. Для определения абсолютного давления используются приборы баро-

метрического типа, а для измерения избыточного давления – приборы мано-

метрического типа. Так как в расчетные соотношения термодинамики вхо-

дит лишь абсолютное давление, то оно определяется как сумма манометри-

ческого давления (pман.) и абсолютного давления окружающей среды (p0 ).

Температура есть единственная функция состояния термодинамиче-

ской системы, определяющая направление самопроизвольного теплообмена между телами.

В термодинамике для измерения температур используется междуна-

родная стоградусная температурная шкала Цельсия (t, °С), а в качестве пара-

метра состояния используется абсолютная температура (T, K).

7

Абсолютная температура (Т) измеряется по термодинамической абсо-

лютной шкале температур, которая аналитически строится на основе диффе-

ренциальных соотношений термодинамики. При практическом построении термодинамической шкалы в качестве реперных точек принимаются абсо-

лютный нуль (-273,15 °С) и параметры тройной точки воды. Между темпера-

турами по шкале Кельвина и шкале Цельсия существует следующая зависи-

мость: T = t + 273,15 К.

Температура измеряется различными термометрическими приборами:

жидкостными и газовыми термометрами постоянного давления (р = idem ),

где происходит изменение объема тела при изменении его температуры, или постоянного объема (v = idem), где происходит изменение давления при из-

менении температуры тела; термометрами сопротивления, где происходит изменение электрического сопротивления датчика при изменении температу-

ры тела; оптическими пирометрами, где используется зависимость интенсив-

ности излучения от температуры тела и длины волны излучения и т.д.

Связь между параметрами, характеризующими состояние простого те-

ла, называется уравнением состояния F (р, v, T) = 0.

Термодинамические процессы

Изменение состояния системы называется процессом.

Равновесный процесс - это непрерывная последовательность равновес-

ных состояний системы.

Обратимым процессом называется такой равновесный процесс,

который допускает возможность возврата этой системы из конечного состояния в исходное путем обратного процесса. В результате прямого и обратного обратимых процессов в системе и во внешней среде не происходит каких либо остаточных конечных изменений.

Термодинамическим процессом принято считать обратимый равновес-

ный процесс.