8142

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Теплотехника» для обучающихся

по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность направленность (профиль) Пожарная безопасность

Нижний Новгород

2022

УДК 536

Дыскин Л.М. Основы теплотехники. Основные понятия и определения термодинамики: учебно-методическое пособие / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 48 с. : ил. – Текст : электронный.

Ключевые слова: техническая термодинамика, теплопередача, теплота, работа, внутренняя энергия, эксергия, температура, газовая постоянная, термодинамический процесс, термодинамическое равновесие.

Рассмотрены общая характеристика термодинамики, ее роль в обучении студентов, взаимосвязи с другими дисциплинами, основные понятия и определения. Учебнометодическое пособие может быть использовано студентами других специальностей, изучающих техническую термодинамику и теплотехнику.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Теплотехника» для обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность направленность (профиль) Пожарная безопасность.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2022 © ННГАСУ, 2022

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основной задачей инженера является создание все более совершенных,

отвечающих современным требованиям технических систем. Чтобы определить, полезно ли для человечества предлагаемое решение, инженер должен обращаться к гуманитарным наукам. Для снижения энерго- и

материалоемкости устройств и технологий, обеспечения их экологической чистоты необходимо использовать естественные, в том числе технические,

науки.

По своей сути термодинамика объединяет в себе гуманитарные и ес-

тественные знания (диалектику, математику, физику, химию и др.) и служит переходным мостиком от общенаучных к специальным дисциплинам.

Результаты изучения термодинамики определяют уровень технической культуры специалистов, их умение творчески решать теплотехнические задачи,

оправдывая тот нелегкий труд, который необходимо затратить для овладения основами этой науки.

Цель изучения технической термодинамики – приобретение знаний,

умений и навыков, необходимых для выполнения расчетов, связанных с определением свойств и параметров рабочих тел, энергетической эффективности различных процессов, устройств и систем.

Для успешной реализации полученных знаний необходимо усвоить методы математического и физического моделирования термодинамических процессов, принципы оценки эффективности теплоэнергетических устройств,

уметь формулировать проблему, для решения которой выполняется расчет или проектируется система.

Содержание настоящего учебно-методического пособия включает термодинамику как традиционных, так и перспективных теплоэнергетических технологий, что позволяет использовать их для всех уровней обучения.

В учебно-методическом пособии большое внимание уделено физической сущности рассматриваемых процессов и явлений, а также тем разделам курса,

4

которые непосредственно стыкуются с профилирующими дисциплинами и связаны с проблемой экономии энергетических и материальных ресурсов и решением экологических задач. Этим объясняется подробное изложение термодинамики потока, свойств реальных газов, в том числе влажного воздуха,

регенеративных систем, способов генерации холода и др. При этом учитывались требования преемственности знаний и сочетания научной строгости с доступностью изложения учебного материала.

Однако, присущие термодинамике своеобразие научной методики и особенности формирования знаний усложняют ее усвоение. Поэтому глубокое овладение учебным материалом по этой дисциплине возможно только при использовании, наряду с лекционным курсом, активных методов обучения:

семинарских и лабораторных занятий, домашних заданий, контрольных и курсовых работ.

5

Теория, мой друг, суха, Но зеленеет жизни древо.

И.В. Гете, «Фауст»

1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.Предмет и основные начала термодинамики

Термодинамика изучает свойства энергии, закономерности перехода ее между телами и превращения из одного вида в другой, а также свойства веществ, из которых состоят тела. В самом широком смысле термодинамика

является учением об энергии.

Поскольку любые явления, происходящие в природе и технике, со-

провождаются энергообменом, результаты и методы термодинамики ис-

пользуют в различных областях знаний.

Предметом технической термодинамики является изучение процессов энергообмена, происходящего в тепловой и механической формах в различных теплотехнических устройствах, а также свойств рабочих тел, с помощью

которых осуществляются эти процессы.

В основе термодинамики, являющейся наукой дедуктивной, лежат три

основных закона, называемых также началами термодинамики.

Первый закон (первое начало) термодинамики является, по сути, все-

общим законом сохранения и превращения энергии. Простейшей форму-

лировкой этого закона является следующая: невозможно возникновение или уничтожение энергии. Применительно к термодинамике первый закон наиболее полно можно сформулировать следующим образом: энергия изолированной термодинамической системы сохраняется постоянной

независимо от протекающих в ней процессов.

6

термодинамических процессов. Он устанавливает существование внутренней энергии как функции состояния тела.

Второй закон (второе начало) термодинамики имеет качественный характер, определяя возможное направление протекания термодинамических процессов. В самом общем виде этот закон звучит так: все самопроизвольные процессы, протекающие в природе, необратимы.

Применительно к тепломеханическим процессам это означает неосу-

ществимость процесса полного некомпенсированного перехода теплоты в работу, обратного самопроизвольному процессу полного перехода работы в теплоту.

Второй закон устанавливает существование одной из основных тер-

модинамических функций – энтропии.

Третий закон (третье начало) термодинамики (закон Нернста) показывает

невозможность достижения абсолютного нуля температуры. Этот закон позволяет однозначно определить физические и химические константы различных веществ.

Кроме основных законов в термодинамике в качестве исходных по-

ложений используют два опытных постулата.

Первый, или основной, постулат устанавливает существование равно-

весного состояния изолированной системы, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из которого не может.

Этот постулат определяет нижнюю границу применимости термоди-

намики. Она справедлива только для макротел, состоящих из достаточно большого числа микрочастиц, поведение которых описывается законами статистической физики. Для тел, состоящих из небольшого числа микрочастиц,

выводы термодинамики неприменимы.

Второй постулат устанавливает существование температуры как функции состояния тела, находящегося в тепловом равновесии. Поскольку этот постулат, подобно первому и второму законам, определяет существование конкретной функции состояния, его иногда называют нулевым законом

7

термодинамики.

8

Второй постулат определяет верхнюю границу применимости термо-

динамики. К системам галактических размеров, в которых имеются дальнодействующие поля гравитационных тел, положения термодинамики неприменимы, так как такие системы являются неравновесными и поэтому не могут характеризоваться температурой.

1.2. Краткий исторический очерк

Термодинамика, как и любая другая наука, возникла из необходимости развития производительных сил человеческого общества. Конкретной основой создания и развития термодинамики явились знания, накопленные в результате исследования тепловых машин, в которых происходит преобразование теплоты в механическую работу. Отсюда происходит название этой науки, составленное из греческих слов: therme – теплота и dynamis – сила (как средство совершения работы).

Первыми тепловыми машинами были паровые машины, построенные И. Г. Толзуновым в России (1766 г.) и Д. Уаттом в Англии (1779 г.). Исполь-

зование паровых, а затем и других тепловых машин позволило многократно повысить производительность труда, что обусловило существенный скачок в развитии промышленности, строительства и транспорта.

Формирование и развитие термодинамики как науки является плодом исследований ученых и инженеров различных стран.

Научные положения, предвосхитившие сформулированные позднее основные законы термодинамики, были заложены в XVIII в. в работах первого русского ученого-естествоиспытателя М. В. Ломоносова (1711-1765 гг.).

В работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» (1748 г.) изложена теория теплоты, из которой следует невозможность самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, что составляет сущность второго закона термодинамики.

Приведенные в этой работе соображения о «наибольшей и последней

9

степени холода» непосредственно связаны с третьим законом термодинамики,

вчастности с принципом недостижимости абсолютного нуля температур.

Вдругой работе «Рассуждения о твердости и жидкости тел» (1760 г.)

М. В. Ломоносов сформулировал положения о сохранении массы, количества движения и, в конечном счете, энергии, соответствующие смыслу первого закона термодинамики.

Главной задачей термодинамики XIX в. было создание теории тепловых машин, которая могла бы служить основой проектирования паровых поршневых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых турбин,

холодильных машин и т.д. В связи с этим детальное развитие получили исследования различных тепломеханических циклов, а также изучение свойств газов и паров, используемых в тепловых машинах в качестве рабочих тел.

Для становления термодинамики большое значение имело открытие основных газовых законов: Бойля-Мариотта (1661 г.), Гей-Люссака (1802 г.),

Дальтона (1802 г.), Авогадро (1811 г.) и, особенно, Клапейрона (1834 г.),

впервые предложившего уравнение состояния идеального газа, объединяющее первые два из перечисленных законов.

В Шотландии в 1816 г. Р. Стирлинг впервые разработал и изготовил воздушный тепловой двигатель. Использованный в этом двигателе принцип регенерации теплоты получил впоследствии широкое распространение в технике. Цикл двигателя с полной регенерацией теплоты имеет максимально возможный для заданных условий термический К.П.Д., равный по величине К.П.Д. наиболее эффективного цикла Карно.

Первой работой, положившей начало термодинамики как новой науки,

можно считать опубликованный в 1824 г. французским инженером С. Карно

(1796-1836 гг.) его единственный трактат «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в котором фактически был сформулирован второй закон термодинамики. С. Карно впервые рассмотрел проблему превращения теплоты в работу в общем виде, отвлечено от конкретной конструкции тепловой машины и конкретного рабочего тела. При