книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие
.pdfВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ ТЫЛА И ТРАНСПОРТА
ОСНОВЫ
ТЕПЛОТЕХНИКИ И ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ
Учебное пособие
Ленинград
1 9 7 3
Гос. п бличнля на ''^но-тб ' ИИч *ская
6 >б пиО |
-КП |
Р |
З К З |
Е М П ' ~Р |
|
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
1 Ч - 31А 6 & 1/
Учебное пособие «Основы теплотехники и гндрогазодинамиких написано применительно к программам курсов «Термодинамика» и «Теплотехника и гидравлика» для слушателей различных спе циальностей Военной ордена Ленина академии тыла и транспорта. Оно может быть также использовано курсантами высших поенных командных автомобильных п других училшц. Пособие вкпочает в себя основы технической термодинамики, теплотехники и гидро динамики, причем все эти разделы изложены, в отличие от суще ствующих учебников и учебных пособий подобного типа, с учетом специализации слушателей. Поэтому более широкое освещение по
лучили |
такие |
вопросы, |
как |
циклы |
тепловых |
машин, |
теплообмен, |
|||||
газодинамика и т. и. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Учебное |
пособие написали: |
|
|
Л\. |
В.; |
|
|
|||||
— |
главы |
1, 2, |
3 — преподаватель Иванова |
|
полковник |
|||||||
— главу |
-i — доцент, |
кандидат |
технических |
наук |
|
|||||||
инженер Бурячко В. Р. и преподаватель Корниенко |
Ж. |
А.; |
||||||||||
— |
г.'и ву |
5 — преподаватель |
Корниенко Ж. |
А.; |
|
|
||||||
— |
главы |
6. 11, |
13, 14 — доцент, |
кандидат |
|
технических наук |
||||||
Виханский Л. |
Н.; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— главу |
7 — доцент, |
кандидат |
технических |
наук |
Констан |
|||||||
тинов Н. К.; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
главы 8, 9, 10 — доцент, кандидат технических |
наук нолков- |
||||||||||
пнк-ниженер |
Белов |
П. |
JY1.; |
|
технических |
наук |
|
полкошшк- |
||||
— главу |
12— доцент, кандидат |
|
||||||||||
инженер Бурячко В. Р. |
|
технических |
|
наук |
|
пэлкошшк- |
||||||
Редактор— доцент, |
кандидат |
|
|
|||||||||
нпженер Белов П. М. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Утвердил учебное пособие Врио начальника академии доцент |
||||||||||||
генерал-лейтенант Жовковский В. |
Д. |
13 сентября |
1973 |
г. |
|
В В Е Д Е Н И Е
Решениями XXIV съезда КПСС перед советским народом по ставлены большие задачи по развитию всех отраслей народного хозяйства. Важнейшее место среди этих отраслей занимает энер гетика, которой в решениях съезда уделяется особое внимание. Одной из дисциплин, представляющих теоретические основы энер гетики, является термодинамика. Глубокие знания основных поло жений термодинамики современному инженеру, имеющему дело с автотраторной техникой, необходимы не только в качестве обще научной базы, но и для изучения специальных дисциплин, а также для решения ряда конкретных задач, связанных непосредственно с практическим использованием силовых тепловых установок на машинах и других объектах.
Ввиду многообразия теоретического и экспериментального ма териала, которым располагает в настоящее время термодинамика, невозможно освоить с одинаковой степенью все ее разделы. Поэ тому авторы, руководствуясь требованиями учебных программ по подготовке в академии специалистов различного профиля, в дан ном учебном пособии ставили задачу наиболее полно и детально рассмотреть лишь наиболее важные разделы термодинамики. Так как на автотракторном факультете совмещены курсы термодина мики и гидравлики, в пособии наряду с чисто термодинамически ми вопросами нашли отражение и наиболее важные вопросы гид родинамики.
Раздел I. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Гла в а 1. РАБОЧЕЕ ТЕЛО И ПАРАМЕТРЫ ЕГО СОСТОЯНИЯ
ОСНОВНЫЕ понятия
Термодинамика — наука об энергии и ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных сопровождающихся тепловыми эффектами физических, химических и других процес сах. В связи с этим термодинамику делят на физическую (общую), химическую и техническую.
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и механической работы, являясь теоретиче ской основой тех инженерных дисциплин, в которых рассматрива ется теория работы различных тепловых машин и теплоэнергети ческих установок.
При решении задач термодинамики молекулярно-кинетические представления о строении тел не находят применения, и если иног да к ним прибегают, то лишь только для лучшего уяснения физи ческой сущности отдельных явлений. Термодинамика изучает макроструктурные свойства тел, которые состоят из большого числа частиц.
В основу термодинамики положены два основных закона, уста новленных опытным путем. Первый закон характеризует количе ственную сторону процессов превращения энергии, а второй уста навливает качественную сторону (направленность) процессов.
Термодинамическая система. Термодинамика имеет дело с раз личными термодинамическими системами и их (взаимодействием с окружающей средой. Под окружающей средой понимают все объемлющую совокупность тел любой физико-химической приро ды, заполняющих некоторое выбранное пространство.
Термодинамической системой называют совокупность тел, вы деленных из окружающей среды в качестве объекта исследования, которые могут находиться в тепловом и механическом взаимодей ствии как друг с другом, так и с окружающей средой.
4
Термодинамическую систему, которая не имеет никаких взаи модействии с окружающей средой, но в которой возможны взаи модействия между частями внутри самой системы, называют изо лированной. Система, состоящая из частей, находящихся в раз личных агрегатных состояниях или фазах, называется гетероген ной. Система, состоящая из одной фазы, т. е. имеющая но всех частях одинаковые свойства, называется гомогенной.
Системы или тела, посредством которых осуществляются вза имные превращения тепла и механической работы, носят название рабочего тела. Принципиально в качестве рабочего тела могут использоваться различные вещества и в различных агре1атных состояниях. Однако наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольши ми коэффициентами объемного расширения по сравнению с тела ми,'находящимися в других агрегатных состояниях.
В технической термодинамике в качестве рабочего тела прини мается идеальный газ — условное газообразное вещество, у кото рого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а са ми молекулы представляют собой материальные точки, не имею щие объема. Практически, с известными допущениями, идеальны ми газами можно считать всякий реально существующий газ или пар, а также смеси газов или паров, далеко отстоящие от границ сжижения, т. е. все газы и пары, у которых расстояния между мо лекулами достаточно велики, что имеет место, например, при не высоких давлениях. При нормальных и близких к ним условиях в качестве идеальных газов могутрассматриваться, например, такие, обладающие сравнительно малыми молекулярными масса ми газы, как азот, гелий, водород и т. п.
В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допу стимо распространение закономерностей идеального газа на все газы, с которыми в теплотехнике приходится иметь дело.
Совокупность последовательных состояний, через которые про ходит термодинамическая система, в термодинамике называется процессом. Если в результате осуществления нескольких процес сов термодинамическая система возвращается в свое первоначаль ное состояние, то совокупность таких процессов носит название кругового процесса или цикла.
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ
Термодинамические системы характеризуются рядом физиче ских величин, которые изменяются с изменением состояния самой системы. Эти величины носят название параметров состояния. Основными параметрами являются температура, абсолютное дав ление и удельный объем.
Температура характеризует степень нагретостн тел и опреде ляет направление перехода тепла. Так, если из двух взаимодейству ющих тел первое имеет более высокую температуру, чем второе,
5
то тепло будет переходить от первого тела ко второму. Если пе рехода тепла между двумя взаимодействующими телами не наблю дается, то температура этих тел одинакова.
С точки зрения кинетической теории газов температура Т пря мо пропорциональна средней кинетической энергии поступатель ного движения элементарных частиц вещества
|
m те'2 |
(1.1) |
|
~3Т ~ ’ |
|
|
|
|
где m — масса молекулы; |
движения молекул; |
|
тс — средняя |
скорость поступательного |
|
к — константа Больцмана. |
|
|
Из уравнения |
(1.1) следует, что при Т = 0 |
поступательное дви |
жение молекул должно прекратиться. Такая температура называ ется абсолютным нулем.
Термодинамическим параметром состояния является абсолют ная температура Г, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина.
Для практических целей часто используется не шкала Кельви на, а международная стоградусная шкала (шкала Цельсия). Со отношение между температурами по шкале Кельвина и по шкале Цельсия определяется равенством
|
Г = *-1-273,15 , |
где Т —темература |
по шкале Кельвина, СК; |
t — температура |
по шкале Цельсия, °С. |
Давление численно равно силе, действующей на единицу пло щади поверхности и направленной по нормали к ней.
Согласно молекулярно-кинетической теории газов давление р является результатом ударов молекул об ограничивающие тело поверхности л численно равно
р — ап |
raw2 |
’ |
( 1.2) |
|
—3 |
|
где а — коэффициент сжимаемости, зависящий от размеров мо лекул и действующих между ними сил;
п— количество молекул, приходящееся на единицу объема газа.
Основываясь на уравнении (1.1) и учитывая, что п — ,
уравнение (1.2) можно привести к виду
|
р = а к ^ , |
(1.3) |
где 7V— число |
молекул в занимаемом телом |
объеме; |
V — объем, |
занимаемый телом. |
|
6
Различают давление абсолютное р и атмосферное р.Лг. Раз ность между абсолютным р и атмосферным давлением /оат назы вается избыточным давлением
Pm = P — Paг- |
(1-4) |
В тех случаях, когда абсолютное давление р меньше атмо сферного рат, разность рят и р называют разрежением или ваку умом и обозначают р р. Следовательно,
Pv = P*? — P- |
(1-5) |
Всистеме МКГСС давление измеряется в килограммах силы на квадратный метр или на квадратный сантиметр (кГ/м2 или кГ/см2). Давление в 1 кГ/см2 носит название технической ат мосферы.
ВМеждународной системе единиц СИ единицей давления явля ется один ньютон на квадратный метр (Н/м2). В связи с тем. что эта величина очень мала, вместо нее часто используется меганыотон на квадратный метр. 1 мН/м2=106 Н/м2.
В технике широкое применение находит измерение давления в миллиметрах ртутного столба или в миллиметрах водяного стол ба. При этом давление, соответствующее высоте ртутного столба в 760 мм пли водяного столба в 10 333 мм, называется физической
атмосферой. |
перечисленными |
единицами |
характери |
|
Соотношения между |
||||
зуются следующими данными: |
мм рт. ст. |
|
||
! |
ат= 1 кГ/'см2 = 98066,5 Н/м2 = 735,559 |
мм рт. ст.; |
||
1 |
физ. атм = 1,03323 |
кГ/см2 = 1,01325 ■10Г| Н/м2 = 760 |
1 Н/м2= 1,01972 • 10 ~5 кГ/см2 = 7,5006 • 10~3 мм рт. ст.
Удельный объем представляет собой объем единицы вещества
(массы или веса). В Международной системе |
единиц СИ |
||||
|
|
v = |
т |
м3/кг, |
( 1.6) |
а в системе МКГСС |
|
‘ |
4 |
||
|
|
|
|
||
|
|
■у = |
-^-м 3/кГ, |
(1.7) |
|
где V — объем |
тела, |
м3; |
|
|
|
т — масса |
тела |
кг; |
|
|
|
Q — вес тела, кГ.
Величина, обратная удельному объему, в Международной си
стеме единиц СИ называется плотностью вещества о, |
а в системе |
|||
МКГСС удельным весом у. |
Следовательно, |
|
||
Р = |
1 |
т |
1 3 |
(1.8) |
1 Г =-- - у |
КГ/м3. |
|||
|
1 |
G |
г/ з |
(1.9) |
|
* |
== - у - кГ/м3, |
||
|
|
/
Как масса вещества в единице его объема, плотность р. системе МКГСС связана с удельным весом уравнением
у 1 кГ-сек2
П .Ю )
1 g vg м4
УРАВНЕНИЯ состояния
Рассмотренные параметры состояния р. v п Т находятся между собой в определенной связи и не являются независимыми величи нами. Поэтому состояние всякого находящегося в равновесии тела может быть определено, если будут заданы любые два параметра из трех указанных *. При этом следует иметь в виду, что в каче стве одного из независимых «параметров состояния можно выби рать не только удельный объем тела у, но п его молярный объем
V = у у, |
равный объему одного кнломоля, а также весь объем, |
|||
занимаемый |
телом (V = tnv или |
V=Gv), поскольку |
при данной |
|
массе |
вещества все эти объемы |
будут отличаться |
друг от друга |
|
только |
постоянными множителями. |
|
||
В частных случаях зависимости между параметрами состояния |
||||
выражаются |
уравнениями: |
|
|
|
|
|
P = f \ |
К т у |
(1.11) |
|
|
v = h |
(Р, Т); |
|
|
|
T = U |
(Р, v). |
|
В общем случае зависимость между |
параметрами |
состояния |
|||||
можно представить в виде |
|
|
|
|
|
||
или |
|
F (р, v , Т) = 0. |
|
|
|
|
|
|
F3(P ,V ,T ) = 0. |
|
|
|
(1.12) |
||
|
|
|
|
|
|||
Последние два уравнения носят название уравнений состояния. |
|||||||
Раскроем уравнения |
(1.12) |
применительно к идеальным и ре |
|||||
альным газам. |
1 килограмма газа уравнение |
(1.3) |
можно |
||||
Идеальный газ. Для |
|||||||
записать как |
pv = a.kNT. |
|
|
|
(1.13) |
||
|
|
|
|
|
|||
Для каждого из газов произведение |
k N представляет |
собой |
|||||
постоянную «величину,которая |
называется |
газовой |
постоянной |
||||
и обозначается буквой R. Если при этом учесть, что для идеаль |
|||||||
ных газов а = 1, то уравнение |
(1.13) примет вид |
|
|
|
|||
|
|
pv = RT, |
|
|
|
(1.14) |
|
а для |
G кГ или m кг газа соответственно |
|
|
|
|
||
|
p V = m G T , p V = m R T . |
|
|
(1.15) |
|||
* |
Равновесным состоянием или |
равновесием |
называется |
такое состояние, |
пол котором температура п давление во всех точках объема, занимаемого рабо чим телом одинаковы.
8
Уравнения (1.14) п (1.15) известны под названием уравнений Клапейрона и представляют собой уравнения состояния для иде альных газов. Входящая в эти уравнения газовая постоянная
имеет размерность в системе МКГСС ■„К —-— , а в Международной
к |
г |
кГ-грпд |
|
<-'тт |
Дж |
системе единиц СИ |
--------------. |
|
|
|
кг • град |
Д. II. Менделеев придал уравнению (1.14) универсальный ха рактер, отнеся его к киломолю идеального газа. При объеме одно го киломоля V.j. и молекулярной .массе р удельный объем газа будет равен
v
il
Подставляя значение v в уравнение (1.14), получим
рУу. = \>-Я.Т, |
(1.16) |
|
откуда |
рУу- |
|
u R = |
(1.17) |
|
|
т |
|
Произведение \>-R имеет одинаковое значение |
для всех газов |
и носит название универсальной газовой постоянной, а уравнения (1.16) и (1.17) 'называются универсальными уравнениями состоя ния идеальных газов.
Значения универсальной газовой |
постоянной |
соответственно |
||
равны: |
|
|
|
|
— в системе МКГСС |
|
|
|
|
п |
10332-22,4 |
|
кГм |
|
1Л |
, 273,15 |
— |
кмоль.град |
’ |
— в системе |
СИ |
|
|
|
п |
101325-22,4 |
|
Дж |
|
11 |
273,15 |
— 8314,9 кмоль . Град |
Реальный газ. В отличие от идеального газа, в реальных газах между молекулами существуют силы взаимодействия (притяже ния .пли отталкивания), а сами молекулы имеют, хотя и весьма малые, конечные размеры.
Наличие сил взаимодействия между молекулами, действующих обычно в том же направлении, в котором действует внешнее дав ление, приводит к тому, что давление внутри реального газа ока зывается больше внешнего давления р на некоторую величину ряоя, носящую название внутреннего или молекулярного давления.
В связи с конечными размерами молекулы реальных газов за нимают некоторый свой «собственный» объем, который не может быть использован для их перемещения, в результате чего «сзобод-
9