738

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н.Прянишникова»

А.Т. Манташов

ТЕПЛОТЕХНИКА

Часть I

Термодинамика и теплопередача

У ч е б н о е п о с о б и е

Пермь 2009

УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7

М.23

М 23

Манташов А.Т.

Теплотехника. Часть I. Термодинамика и теплопередача: учебное пособие. – Пермь: Изд-во ПГСХА, 2009 – 184 с.

В настоящем учебном пособии изложена часть 1 дисциплины «Теплотехника», утвержденной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, в качестве обязательной при подготовке дипломированного специалиста 660300 «Агроинжинерии». В часть 1 дисциплины включены разделы «Техническая термодинамика» и «Основы теории теплообмена». Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальностям: 110 301 – «Механизация сельского хозяйства», 280 101 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», 110 304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК» и 190603 – «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в автомобильном транспорте)».

Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 4 от «10» декабря 2008 года).

УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7

© «ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА»

2

О г л а в л е н и е

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный сельскохозяйственный комплекс – это сложный технический и технологический объект. Он оснащен различного рода энергетическими установками, тепловыми машинами, техническими системами и т.п. Их функционирование связано с такими видами энергии, как химическая, тепловая, механическая и др.

Для освоения этой техники, грамотной ее эксплуатации и готовности к замене модифицированными образцами необходимо знать:

–законы и способы преобразования природных энергоресурсов в непосредственно используемые виды энергии: тепловую, механическую и др.;

–закономерности взаимопреобразования двух форм энергообмена – теплоты и работы в технических устройствах и системах;

–сущность и закономерности процессов, происходящих с рабочими веществами, участвующими в энергообмене;

–принцип действия и оценку эффективности машин и аппаратов для преобразования или передачи тепловой энергии;

–основы теории и инженерные методы расчетов теплопередачи в теплонапряженных устройствах и конструкциях машин и технических систем.

Содержание перечисленного рассматривается в дисциплине “Теплотехника”.

Те п л о т е х н и к о й называют научную дисциплину и отрасль техники, охватывающие методы и способы преобразования различных видов энергии в теплоту, ее транспортирование и использование при помощи тепловых машин, аппаратов и установок.

Для специалистов сельскохозяйственного производства дисциплина “Теплотехника” по своему содержанию делится на две сомостоятельные части: – теоретические основы теплотехники (термодинамика и теплопередача)

и– теплоэнергетика сельскогохозяйственного производства.

Автор настоящей книги, на основе многолетнего опыта чтения курса “Термодинамика и теплопередача” сделал попытку создать краткое учебное пособие по первой части дисциплины “Теплотехника”, соответсвующее в полном объеме ее программе по специальности 660300 Агроинженерии.

Целью данного пособия является получение будущими специалистами теоретических знаний по части программы дисциплины, включающей техническую термодинамику и основы теории теплообмена.

В разделе первом предложен своеобразный подход к понятию термодинамической системы, к изложению термодинамических и калорических параметров состояния; подробно рассмотрены термодинамические процессы, диаграммы состояния систем и их прикладное значение; проведен анализ циклов наиболее распространенных тепловых двигателей. Рассмотрен

6

принцип работы и цикл одного из перспективных тепловых двигателей – двигателя стирлинга.

Во втором разделе при рассмотрениии видов переноса тепла в пространстве (теплопроводности, конвективноого и лучистого теплообменов) существенное внимание уделено природе этих процессов и их методам расчета; подробно проанализированы способы теплозащиты, теплоизоляции и интенсификации теплопередачи.

В приложении приведены данные справочного характера, позволяющие рассмотреть конкретные прикладные задачи.

Наименования величин и единиц, их определения и обозначения соответствуют государственному стандарту “Единицы физических величин”, сборникам рекомендованных терминов Комитета научно-технической терминалогии АН РФ по термодинамике и теплообмену.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за редакторскую работу над данным учебным пособием О.К. Корепановой и Е.А. Граевской.

Замечания читателей, направленные на улучшение учебного пособия, будут приняты автором с признательностью.

Автор

7

Раздел 1

Техническая термодинамика

Слово “термодинамика” в переводе с греческого – движущая сила тепла (“терме” – тепло, жар, огонь; “динамис” – сила, работа). Впервые это словосочетание в указанном смысле применил французский инженер С. Карно (1796-1832) в своей работе “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу”, опубликованной в 1824 г.

Термодинамике этого периода отводилась роль науки, изучающей переход теплоты в механическую работу, что диктовалось необходимостью создания теоретических основ работы тепловых машин. Она развивалась, когда еще не сложились представления о внутренней структуре материи. Поэтому методы исследования основывалась на изучении самых общих зависимостей между физическими величинами, которые можно было определить непосредственными измерениями, не прибегая к анализу взаимодействия между отдельными частицами материи. Уже к концу ХIХ столетия сформулировались основные понятия и законы термодинамики. Это явилось отправным пунктом для построения логического и математического аппарата - т е р м о- д и н а м и ч е с к о г о м е т о д а исследования явлений, происходящих в материальных системах при взаимопреобразованиях теплоты и работы. Таким образом, сущность т е р м о д и н а м и ч е с к о г о метода состоит в анализе условий и установлении количественных связей между физическими величинами в системах, служащих для взаимного преобразования различных видов энергии.

.Раздел теоретической физики, в котором физические свойства макроскопических систем изучаются с помощью термодинамического метода, именуют т е р м о д и н а м и к о й. Строго говоря, термодинамика – это

наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими системами. То направление термодина-

мики, где рассматриваются процессы в энергетических системах и установ-

Развитие технической термодинамики связано с такими именами отечетственнных и зарубежных ученых, как Михаил Васильевич Ломоносов, Дмитрий Иванович Менделеев, Александр Александрович Радциг, Вячеслав Владимирович Сушков, Василий Игнатьевич Гриневецкий, Михаил Петрович Вукалович, Андрей Станиславович Ястржемский, Николай Леонард Сади Карно, Бенуа Поль Эмиль Клапейрон, Роберт Майер, Джеймс Прескотт Джоуль, Виллиам Томсон (Кельвин), Рудольф Клаузиус, Уильям Джон Ренкин и др

8

Глава 1 Законы термодинамики

За термодинамическую систему может приниматься и совокупность материальных тел, способных взаимодействовать между собой и с другими телами.

Все, что не включено в систему, но может взаимодействовать с ней (обмениваться энергией и веществом), представляет собой о к р у ж а ю- щ у ю с р е д у. Поверхность раздела между системой и окружающей средой принято называть к о н т р о л ь н о й п о в е р х н о с т ь ю. Термодинамическая система формируется в соответствии с решаемой задачей. Пространственные размеры термодинамической системы и время ее существования предполагаются достаточными для проведения измерений. Примерами термодинамических систем могут служить: газ в цилиндре поршневого компрессора; продукты сгорания в тракте газотурбинного двигателя; хладагент

вагрегатах паровой компрессорной холодильной машины и т.д.

Взависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем. Если термодинамическая система обменивается с окружающей средой веществом, то

такую систему называют о т к р ы т о й. У закрытых систем обмен веществом отсутствует. Среди закрытых систем выделяют э н е р г о и з о л и р о- в а н н ы е – такие, которые не обмениваются с окружающей средой никакими видами энергии. Кроме того, закрытые системы могут быть а д и а- б а т н ы м и – они не обмениваются с окружающей средой энергией только в форме теплоты.

Строго говоря, понятия изолированных и адиабатных систем являются абстрактными. Необходимо отметить, что использование научных абстракций при анализе свойств исследуемых систем является характерным для термодинамики.

Тела, входящие в термодинамическую систему, могут находиться в твердом, жидком, газообразном и ионизированном фазовых состояниях. Термодинамическую систему, состоящую из одной фазы, называют г о

мо-

ге н н о й, а систему, состоящую из различных фаз, разграниченных поверхностями раздела, – г е т е р о г е н н о й.

9

Вообще говоря, любую термодинамическую систему следует рассматривать как совокупность микрочастиц (агрегатов молекул, молекул, атомов, электронов и т.д.). Все частицы находятся в состоянии движения, и между ними существуют силы взаимодействия. У тел в твердом состоянии силы взаимного притяжения молекул очень велики, вследствие чего тело имеет определенную форму. У тел в жидком состоянии межмолекулярные связи ослаблены до такой степени, что тело принимает форму сосуда, в котором оно находится. В газообразных телах молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что межмолекулярные силы весьма малы, и поэтому газ стремится к беспредельному расширению.

В данном разделе будут рассматриваться в основном гомогенные системы, состоящие из газообразной фазы.

Совокупность физических свойств, присущих рассматриваемой системе, называют с о с т о я н и е м системы. Величины, характеризующие фи-

ния делятся на т е р м о д и н а м и ч е с к и е и к а л о р и ч е с к и е.

К термодинамическим относят те параметры состояния, которые определяются путем измерений (давление, температура, объем).

Калорические параметры также описывают состояние системы, но их значения определяются только расчетным путем (например, энтальпия, энтропия и др.). Особенностью калорических параметров является то, что их изменение зависит только от начальных и конечных состояний системы. По этой причине калорические параметры состояния еще называют ф у н к- ц и я м и состояния.

Параметры состояния обладают либо свойствами и н т е н с и в н о с- т и, либо свойствами э к с т е н с и в н о с т и (а д д и т и в н о с т и).

Интенсивный (с лат. – усиленный) параметр как для всей системы, так и для отдельных ее частей одинаков, он не зависит от количества вещества в системе. К интенсивным параметрам состояния относят температуру, давление и др.

Экстенсивный или аддитивный (с лат. – получаемый сложением) – это тот параметр системы, который вычисляется как сумма идентичных параметров отдельных ее частей. Так как количество вещества в системе равно сумме количеств веществ отдельных ее частей, то термодинамические параметры, пропорциональные количеству вещества в данной части системы, относятся к экстенсивным. Примерами экстенсивных параметров состояния являются внутренняя энергия, энтропия и др.

Будучи отнесены к количеству вещества, экстенсивные величины перестают зависеть от размеров системы, и приобретают свойства интенсивных величин.

Для выражения значений термодинамических величин следует использовать основные и производные, кратные и дольные величины

10