Техническая термодинамика и теплопередача. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

для студентов бакалавриата по направлениям подготовки

13.03.03«Энергетическое машиностроение»,

15.03.05«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»,

16.03.03«Холодильная, криогенная техника

и системы жизнеобеспечения» всех форм обучения

Красноярск 2020

1

УДК 536.7: 621.03(075.8) ББК 31.32я73

Т38

Авторы:

А. В. Делков, М. Г. Мелкозеров, Д. В. Черненко, Ю. Н. Шевченко

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент С. М. ТИНЬКОВА (Сибириский федеральный университет); кандидат технических наук, доцент Д. А. ЖУЙКОВ (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева)

Техническая термодинамика и теплопередача : учеб. пособие /

Т38 А. В. Делков, М. Г. Мелкозеров, Д. В. Черненко, Ю. Н. Шевченко ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2020. – 102 с.

Изложены главные положения и понятия технической термодинамики, рассмотрены вопросы теплопроводности, конвективного теплообмена и из- лучения; приведены современные методы расчета теплообменных аппаратов.

Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направле- ниям подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных произ- водств», 16.03.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобес- печения».

УДК 536.7: 621.03(075.8) ББК 31.32я73

© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2020 © Делков А. В., Мелкозеров М. Г.,

Черненко Д. В., Шевченко Ю. Н., 2020

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Все виды энергии имеют огромное значение в жизни человека, и поэтому законы их взаимопревращения требуют тщательного изучения. В быту и производстве человек постоянно сталкивается с работающими механизмами, процесс их работы сопровождается выделением и распространением тепла. Это определяет роль тепло- техники – общеинженерной дисциплины, изучающей методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты и связанных с этим аппаратов и устройств.

Теплотехника включает в себя основы технической термодина- мики и теории теплопередачи. Термодинамика изучает законы взаи- мопреобразования и передачи энергии в различных процессах. Следовательно, термодинамика в наиболее общем смысле представ- ляет собой науку об энергии. Исторически термодинамика возникла в результате изучения превращения теплоты и работы в тепловых машинах. Этот раздел называется технической термодинамикой.

Теория теплопередачи изучает процессы переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры. С развитием техники и ростом мощности устройств и машин значе- ние процессов переноса тепла в различных тепловых устройствах возросло. Особенно важную роль наука о теплообмене играет в развитии авиационной и ракетно-космической техники, где совершенствование летательных аппаратов связано с повышением температуры продуктов сгорания в двигателях, а увеличение скоро- сти полета сопровождается увеличением температуры обтекающего аппарат воздуха.

5

1.ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика изучает законы взаимопреобразования и пере- дачи энергии в различных процессах. Следовательно, термодинамика в наиболее общем смысле представляет собой науку об энергии. Исторически термодинамика возникла в результате изучения превра- щения теплоты и работы в тепловых машинах; сейчас этот раздел называется технической термодинамикой. Изучением химических процессов с термодинамической точки зрения занимается химиче-

ская термодинамика.

В качестве объекта изучения берется термодинамическая система – совокупность материальных тел, находящихся в механиче- ском и тепловом взаимодействии друг с другом и с внешней средой. Если система не обменивается с окружающей средой энергией в фор- ме теплоты, то такую систему называют адиабатной.

Основная задача термодинамики – обоснование теории тепло- вых двигателей.

Тепловой двигатель – это устройство, в котором происходит превращение тепла, выделившегося при сгорании топлива, в механи- ческую энергию или работу. Преобразование тепла в работу обычно осуществляется при помощи так называемого рабочего тела.

Рабочее тело – тело, способное воспринимать тепло, расши- ряться при этом и совершать полезную работу. Обычно в качестве рабочих тел используют газ и пар, так как они обладают большим коэффициентом объемного расширения и могут при нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости или твердые тела. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе рабочая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

1.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Для определения запаса энергии рабочего тела используются следующие основные параметры состояния:

− p – удельное давление;

6

На практике применяются единицы технической системы и вне- системные (бар). Особенно часто в инженерной практике приходится сталкиваться с понятиями «атмосфера техническая» (обозначение: ат или at) и «атмосфера физическая» (атм или atm):

−техническая атмосфера: 1 ат =1 смкг2 = 9,8 105 Па = 735 мм рт. ст.;

−физическая: 1 атм =1, 013 105 Па =1,03 смкг2 = 760 мм рт. ст.

Давление измеряется с помощью манометров (пружинных, ртутных), барометров и приборов, использующих упругую деформа- цию чувствительных элементов. Дифференциальные манометры предназначены для измерения перепадов давления.

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинако- вом состоянии, вводится понятие «нормальные физические условия»

(НФУ):

p = 760 мм рт. ст. = 1,013 105 Па; Т = 273,15 К = 0 0С.

При НФУ 1 кмоль любого газа занимает объем 22,4 м3.

В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», напри- мер, «нормальные технические условия» (НТУ):

р = 1 кг/см2 = 735 мм рт. ст., t = 15 °С.

В дальнейшем будем использовать нормальные физические условия.

1.3. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Уже отмечалось, что основные параметры состояния р, v, и Т связаны между собой зависимостью f(р,v,Т) = 0.

Наиболее простой вид имеет уравнение состояния идеального газа. Под идеальным газом условно понимается газ, у которого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а сами моле- кулы рассматриваются как лишенные собственного объема, хотя они являются материальными частицами.

8

Уравнение состояния идеального газа впервые получено Кла- пейроном путем объединения уравнений, характеризующих газовые законы Бойля–Мариотта и Гей–Люссака, и обычно дается в следую- щем виде:

Уравнение (1) – уравнение Клапейрона, записано для массы газа 1 кг. Через R обозначена газовая постоянная. В системе СИ единица измерения газовой постоянной определяется следующим образом:

Таким образом, газовая постоянная R – это работа, выраженная в джоулях, которую совершает 1 кг газа при повышении его темпера- туры на 1 К при р = const.

Если уравнение (1) умножить на М – произвольную массу газа, то, с учетом v = V/M можно получить уравнение состояния для произ-

Если уравнение (1) умножить на молярную массу , получим:

р v = R T.

Так как v = V – молярный объем газа, то:

p V = R T.

Из физики известно, что при нормальных физических условиях молярный объем любого газа V = 22,4 м3/кмоль. Отсюда можно най- ти значение выражения R при НФУ:

Величина µ · R в выражении (3) обозначается как Rµ и называет- ся универсальной газовой постоянной:

Дж R = 8 314 кмоль К.

Таким образом, с учетом Rµ уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа запишется в следующем виде:

9

Уравнение (4) – уравнение Клапейрона–Менделеева. Используя выражение (3), можно найти газовую постоянную

любого газа, зная его молярную массу:

1.4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Все процессы можно раз- делить на равновесные и неравновесные.

Равновесными называются такие процессы, в которых система проходит ряд последовательных равновесных состояний (т. е. таких, когда по всей массе наблюдаются одинаковые давление и темпера- тура). В равновесных процессах параметры системы меняются достаточно медленно, что дает возможность использовать уравне- ние состояния идеального газа.

Если эти условия не выполняются, то процесс будет неравно- весным, различные части системы имеют различную температуру, давление и т. д., и применять уравнения состояния для системы невозможно1.

В термодинамике чаще всего процессы изображают в р, v-координатах. В такой системе координат состояние термодинамиче- ской системы изображается точкой, а термодинамический процесс – линией р(v) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Графическое изображение различных термодинамических процессов

1 См.: Теплотехника : учебник для вузов / под ред. В. Н. Луканина. М. : Высш.

шк., 1999.

10