ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Ю.А. Булыгин А.В. Кретинин М.И. Кирпичёв

ЛЕКЦИИ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

УДК 621.1.016.7

Булыгин Ю.А. Лекции по технической термодинамике: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (6,03 Мб) / Ю.А. Булыгин, А.В. Кретинин, М.И. Кирпичёв. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; MS Word 2007 или более поздняя версия; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

В учебном пособии излагаются основные законы термодинамики и вытекающие из них общие теоретические положения, которые составляют основу для последующего изучения и количественного анализа рабочих циклов тепловых машин.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов переработки»), дисциплине «Термодинамика и теплопередача».

Предназначено для студентов 3 курса.

Табл. 9. Ил. 141. Библиогр. 15 назв.

Рецензенты: кафедра математического моделирования

Воронежского государственного

университета (зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Костин);

д-р техн. наук, проф. В.И. Ряжских

© Булыгин Ю.А., Кретинин А.В.,

Кирпичёв М.И., 2014

© Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2014

Введение

Развитие народного хозяйства требует все более рационального использования тепловых ресурсов нашей страны, создания более экономичных тепловых установок, двигателей, компрессоров и холодильных машин. Решение этого вопроса во многом зависит от глубины знания и понимания основы теории тепловых машин – технической термодинамики инженерами нашей промышленности, создающими и использующими эту технику. Поэтому будущий специалист еще в студенческой аудитории должен быть настроен на оригинальное, поисковое решение научно-технических задач. Этим объясняется и выбор дедуктивного метода изложения материала: от общих идей и закономерностей (показав пути их реализации, достигнутые результаты и оставшиеся возможности) к проблемной информации. Общеэнергетическую направленность и теоретическую основу курса определяет термодинамика – логическая наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии. Термодинамика позволяет установить, в каком направлении могут протекать различные физические и химические процессы в тех или иных системах, непосредственно не оперируя какими-либо моделями строения вещества. В основу термодинамики положены два основных начала (закона), установленных опытным путем, используя которые можно получить все основные выводы термодинамики.

Слово «термодинамика» греческого происхождения: «терме» означает тепло, жар, огонь, «динамикос» – силу, движение, а все вместе «движущую силу тепла (огня)». Впервые это словосочетание было применено на французском языке Сади Карно в 1824 г. в работе «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», с которой и началось развитие термодинамики. Таким образом, термодинамика возникла как теория теплового двигателя. Первое упоминание об использовании «движущей силы огня» относится к 1 в. До н. э., когда Герон Александрийский построил различные паровые машины – игрушки, лучшей из которых являлся Эолопил (Эол – бог ветра). Он представлял собой полый металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях открытыми трубками, загибавшимися в разные стороны. В шар наливалась вода и подогревалась до кипения. Образовавшийся пар выбрасывался из трубок, создавая реактивные силы, под действием которых шар вращался в трубчатых опорах. Прообраз реактивно – турбинного двигателя. Впрочем, еще ранее (во 2 в. До н. э.) Филон из Византии демонстрировал прибор, состоящий из шара с водой и сосуда, соединенных трубкой. На солнце воздух расширялся и вытеснял воду из шара, а в тени вода из сосуда возвращалась в шар. В 1597 г. в Падуанском университете Галилео Галилей изготовил первый термоскоп. Гениальная идея Галилея – судить об изменениях температуры по другим измерениям в телах – позволила в дальнейшем сконструировать различные термометры. О некоторых из них и температурных шкалах мы поговорим позднее. В средние века господствовали идеалистические представления о природе, явления которой объяснялись не движением материи, а перетеканием в ней особых невесомых жидкостей: нагрев и охлаждение тел объяснялись протеканием теплорода, а горение – перетеканием флогистона, электрические явления – перетеканием особой электрической жидкости и т.п. Наука тогда отставала от практики, и прогресс определялся успехами изобретателей – эмпириков. В 1681 г. ассистент физика X.Гюйгенса врач и механик Дени Папен изобретает паровой котел, снабженный предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара. Гюйгенс взрывал порох на дне цилиндра под поршнем, который возвращался обратно под действием атмосферного явления. Таким образом, родились два принципа – атмосферной паровой машины и двигателя внутреннего сгорания. В 1690 г. Папен заменил порох водой, подогреваемой до образования пара, после чего он конденсировался вследствие обливания цилиндра холодной водой или впрыскиванием ее внутрь.

Проблема откачки воды из шахт привела к созданию паровытеснительных насосов, не имеющих движущихся частей, англичанином Эдуардом Сомерсетом (в 1698 г. на это изобретение получил патент Томас Сэвери). В 1705-1712 г.г. английский слесарь Томас Ньюкомен разработал паропоршневые насосы, в которых пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Последняя из этих машин была демонтирована в Англии в 1934г. Историки утверждают, что уже в 1717 г. фонтаны Летнего сада в Петербурге приводились в действие паровой (атмосферной) машиной, сконструированной Жаном-Теофилем Дезагюлье по заказу Петра 1. В 1763 г. русский инженер И.И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил универсальную машину, которая работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим. Изобретатель умер в 38 лет перед пуском машины и она после небольшой поломки была забыта. В 1769 г. англичанин Джеймс Уатт впервые применил такой элемент как конденсатор и использовал в качестве движущей силы давление упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно- возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. – центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Уже к 1775 г. обилие подаваемых заявок на изобретение различных двигателей, в том числе и «вечных», привело к тому, что Парижская Академия наук первой в мире принимает решение их больше не рассматривать.

В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий уже на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической свечой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде. В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному двигающимися поршнями и регенератора-теплообменника и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). В настоящее время эта машина перспективна. В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехкратного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их к.п.д. 3-6 % (как у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и к.п.д. 16-20 %. В 1892-1897 г.г. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г.В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

Следует выделить изобретение англичанином Ч. Парсонсом в 1824 г. паровой реактивной многоступенчатой турбины. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности – основной двигатель электростанций.

Первый газо(паро)турбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении – спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В.В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД – с пульсирующим процессором (горением при постоянном объеме). В настоящее время широко используются возможности прямого превращения химической и тепловой энергии в электрическую. Разрабатываются и используются энергетические установки на радиоактивных дорогостоящих изотопах, топливные элементы, термоэлектрогенераторы, магнитогазодинамические электрогенераторы, солнечные электрогенераторы. Такова хронология истории теплоэнергетики на практических примерах. Обзор теоретических исследований следует начать с определения всех явлений в природе как различных форм движения материи, которое принадлежит нашему великому соотечественнику, гениальному ученому – материалисту М.В. Ломоносову. В 1746 г. он сформулировал единый всеобщий закон сохранения материи и энергии: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое столько оныя у себя теряет, сколько сообщает другому». В 1750 г. физик Георг Рихман заложил основы калориметрии, что в дальнейшем привело к разделению понятия теплоемкости и скрытой теплоты. Только через 16-20 лет после Ломоносова французский химик Лавуазье подтвердил закон сохранения материи, и только через 100 лет был окончательно утвержден закон сохранения энергии, в основном, благодаря трудам Роберта Майера, Джеймса Джоуля, Германа Гельмгольца, русских академиков Г.И. Гесса и Э.Х. Ленца.

Наблюдения за работой паровых машин показали неравноценность превращения теплоты в механическую работу и обратно, что побудило гениального французского инженера Сади Карно к опубликованию в 1824 г. труда «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В нем содержались, хотя и полученные с помощью теории «теплорода», оба начала термодинамики, и ее основные понятия, и идеальный цикл тепловых машин, и разработка схемы работы ДВС.

Лишь через 10 лет, после издания «Мемуара о движущей силе теплоты» Б. Клапейрона, эта работа стала почти сенсацией. Клапейрон «перевел» ее на математический язык, вскрыв великое содержание этого труда, и первым применил графический метод исследования работы тепловых машин – метод циклов. В 1853 г. Виллиам Томсон (лорд Кельвин) дает первое точное определение энергии. Рудольф Клаузиус формулирует уже на основе механической теории тепла два начала термодинамики и получает знаменитое выражение к.п.д. идеального цикла Карно при наличии двух источников тепла разной температуры. В 1855-1865 г.г. вводятся понятия обратимых и необратимых процессов и энтропии (Клаузиусом) – величины, рост которой в необратимых процессах характеризует ту часть энергии тел, которая не может быть превращена в работу, а рассеивается в виде теплоты. Строго систематически – второй закон термодинамики был обоснован австрийским физиком Людвигом Больцманом в 1877 г. Здесь же следует отметить работы М. Смолуховского и профессора Киевского университета Н.Н. Шиллера. Отечественные ученые внесли большой вклад в дело развития основ термодинамики: труды А.Г Столетова и М.П. Авенариуса, работавших в области изучения веществ в критическом состоянии; работы Д.П. Коновалова и Л.Г. Богаевского по вопросу об упругости насыщенных паров смесей жидкостей.

Значительные успехи в теории тепловых двигателей связаны с именами выдающихся отечественных ученых И.П. Алымова, М.Ф. Окатова, Л.К. Попова, И.А. Вышнеградского, В.И. Гриневецкого, Л.К. Рамзина.

Особо следует отметить работы советских ученых М.П. Вукаловича, В.А. Кириллина, И.И. Новикова в МЭИ; Д.А.Тимрота, Н.Б. Варгафтика в ВТИ; ученых ЦКТИ им. И.И. Ползунова, ЭНИНа им. Г.М. Кржижановского, ЦАГИ и ряда других институтов.

Теперь уже теория освещает путь практике, служит указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В 50-х годах прошлого столетия был разработан новый раздел термодинамики – термодинамика необратимых процессов; получает развитие термодинамика плазмы. Тщательного изучения требуют вопросы термодинамических свойств и процессов реагирующих газовых смесей, течения диссоциированных газовых смесей, ионизированных газов и др.

Автор выражает искреннюю благодарность аспиранту ВГТУ А.А. Гуртовому за помощь в подготовке материалов для настоящего учебного пособия.