Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теплофизики. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного
транспорта»
А.В.КОСТИН, Л.А.ВОРОНОВА
ОСНОВЫ ТЕПЛОФИЗИКИ
Учебное пособие
для бакалавров направления подготовки 20.03.01
«Техносферная безопасность»
Москва - 2020
УДК: 536:656.2
К 72
Костин А.В., Воронова Л.А.. Основы теплофизики: Учебное
пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2020. – 101 с.
Учебное пособие предназначено для бакалавров
направления подготовки 20.03.01 «Техносферная
безопасность».
Рассмотрены закономерности превращений различных
видов энергии, процессов обмена энергией между телами,
свойства тел, проявляющихся в этих процессах основные
законы переноса теплоты, механизмы протекания
теплообменных и массообменных процессов, методы их
расчёта. Каждая тема сопровождается вопросами для
самопроверки и тестовыми заданиями.
Учебное пособие может быть рекомендовано также для
других специальностей вузов железнодорожного транспорта,
учебные планы которых включают дисциплины
теплотехнического содержания.
Рецензенты: зав. кафедрой «Наземные транспортнотехнологические средства» РУТ (МИИТ) канд. техн. наук
А.Н.Неклюдов; главный специалист по отоплению, вентиляции
и кондиционированию воздуха ООО «Проектное бюро
АПЕКС» Стоякин Г.М.
© РУТ (МИИТ), 2020
Введение
Теплофизика - совокупность дисциплин, представляющих
теоретические основы энергетики. Такими дисциплинами
являются термодинамика и тепломассообмен, в которых
исследуются законы взаимного превращения тепловой и
механической энергии, свойства тел, участвующих в этих
превращениях; развитие процессов распространения теплоты и
массы в пространстве и времени.
1. Техническая термодинамика
Техническая термодинамика представляет собой
раздел термодинамики, занимающийся приложениями законов
термодинамики в теплоэнергетике, теплотехнике и хладотехнике.
1.1 Основные понятия и определения
1.1.1Термодинамическая система
Тело или совокупность тел любой физико-химической
природы, участвующих в энергетическом взаимодействии
между собой и с окружающей (внешней) средой, представляют
собой термодинамическую систему (ТС). ТС состоят из
источников теплоты, приемников теплоты и рабочего тела.
Различают следующие ТС:
Открытая, обменивающаяся веществом и энергией с
другими системами и (или) окружающей средой;
Закрытая, в которой отсутствует обмен веществами с
другими системами и (или) окружающей средой;
Изолированная, которая не обменивается энергией и
веществом с другими системами (рабочее тело с жёсткой
адиабатной оболочкой);
Адиабатная, в которой отсутствует теплообмен с другими
3
системами и (или) с окружающей средой.
ТС называют гетерогенной, если она состоит из нескольких
различных частей отделённых друг от друга поверхностями
раздела. Если внутри ТС отсутствуют поверхности раздела и
она состоит из одной фазы, то она называется гомогенной.
ТС, имеющую во всех своих частях одинаковый состав и
физические свойства, называют однородной.
1.1.2. Рабочее тело термодинамической системы
Рабочим телом ТС называется промежуточное тело, при
помощи которого осуществляются процессы взаимного
преобразования тепловой и механической энергии.
В качестве рабочего тела можно использовать твердое,
жидкое или газообразное вещество, но чаще всего
применяются газы и пары. Это объясняется тем, что газы и
пары обладают значительно большим коэффициентом
теплового расширения, по сравнению с жидкостями и
твердыми телами.
При теоретических исследованиях в технической
термодинамике в качестве рабочего тела принимается так
называемый идеальный газ, в котором нет взаимодействия
между молекулами, а молекулы принимаются
геометрическими точками.
1.1.3 Состояние термодинамической системы
Состояние ТС однозначно определяется некоторым
количеством независимых физических параметров,
называемых термодинамическими параметрами состояния. Они
делятся на интенсивные – не зависящие от массы вещества
(давление, температура) и экстенсивные – пропорциональные
массе вещества (объём, внутренняя энергия).
Равновесная (стационарная), ТС характеризуется
неизменностью во времени термодинамических параметров и
отсутствием в системе потоков вещества и теплоты. В
неравновесной (нестационарной) ТС отсутствует равновесие,
4
то есть имеются конечные разности температур или давлений.
Изменение состояния ТС, характеризующееся изменением
хотя бы одного из её параметров называется
термодинамическим процессом. Термодинамический процесс,
рассматриваемый как непрерывный ряд равновесных
состояний ТС, называется равновесным. В этом процессе
физические параметры изменяются бесконечно медленно,
поэтому ТС все время находится в равновесном состоянии. Все
её части при этом имеют одинаковые температуру и давление.
Неравновесный термодинамический процесс, представляет
собой последовательность состояний, среди которых не все
являются равновесными. В неравновесном процессе различные
части системы имеют разные температуры, давления,
плотности. Все реальные процессы являются неравновесными.
1.1.4. Термические параметры состояния
В технической термодинамике основными термодинами-
ческими параметрами состояния являются давление,
температура и удельный объем, называемые термическими
параметрами состояния.
1. Температура
Температура – мера нагретости тела, определяющая
направление переноса теплоты. В технической термодинамике
под температурой понимается величина, пропорциональная
энергии движения молекул и атомов данного тела. Температура
не поддаётся непосредственному измерению. Поэтому о
состоянии теплового равновесия и о значении температуры
судят по изменению физических свойств тел.
Для измерения температуры приняты две международные
шкалы, для которых приняты две единицы температуры:
Кельвин Т(К) и градус Цельсия t(
0
С). Соотношение между
этими единицами
Т = t + 273,15
5
2. Давление
Абсолютное давление, отсчитываемое от абсолютного
вакуума с точки зрения молекулярно-кинетической теории,
является средним результатом ударов молекул о поверхность,
ограничивающую объём, занимаемый рабочим телом.
Давление имеет размерность силы, отнесённой к единице
площади поверхности. Поэтому основной единицей измерения
давления принят Паскаль 1 Па = 1 Н/м
2
.
Другие единицы измерения давления
1 техническая атмосфера 1 кгс/см
1 бар = 10
5
Па.
2
= 9,81 ·104 Па.
1 мм.в.ст. = 9,81 Па.
1 мм рт.ст. = 133,32 Па.
Так как термодинамические расчеты должны производиться
по значениям абсолютного (истинного) давления Р
абс
, а
приборы, измеряющие давление (манометры, вакуумметры),
показывают не абсолютное давление, а разность между
давлением в месте замера и давлением окружающей среды
(Р
), то следует использовать следующие соотношения.
бар
Для манометров, приборов измеряющих избыточное
давление (Р
Для вакууметров, приборов измеряющих разрежение (Р
ман
)
Р
Р
Р
бар
бар
; Р
; Р
абс
Р
абс
абс
абс
= Р
= Р
бар
бар
+ Р
– Р
ман
вак
)
вак
3. Удельный объём
Удельным объёмом называется объём единицы массы
вещества
v =V/m
где V – полный объём, м3; m – масса, кг.
1.1.5. Уравнение состояния идеального газа
Простая гомогенная ТС в каждом равновесном состоянии
характеризуется определенными значениями термических па-
6
раметров состояния, которые должны быть одинаковыми во
всей системе. Между этими величинами существует
функциональная зависимость:
f(P,v,T)=0
Такая зависимость называется термическим уравнением
состояния. Если известно уравнение состояния, то для
определения состояния простейших систем достаточно знать
две независимые переменные из 3-х
Р = f1 (v, Т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)
Простейшим уравнением состояния является уравнение
состояния идеального газа, называемое уравнением
Клапейрона-Менделеева.
р·v/Т=R (для одного килограмма газа)
где R – характеристическая постоянная идеального газа
(газовая постоянная).
Это уравнение было получено Клапейроном в 1834 году.
Для произвольного количества газа m, кг
р·V= m·R·Т
где V= m·v – полный объём газа, м3.
Для 1 киломоля газа уравнение состояния было предложено
Д.И.Менделеевым в виде
р·v=R·Т
где v - мольный объём, м3/кмоль; R – универсальная
газовая постоянная, Дж/(кмоль·К).
Из уравнения состояния для 1 киломоля газа при
нормальных физических условиях (pн =101325 Па, Tн = 273 К,
объём киломоля газа
универсальной газовой постоянной
Характеристическая постоянная газа R=8314/ имеет
размерность работы, совершаемой 1 кг рабочего тела
Дж/(кг·К).
v=22,414м3) получаем значение
R=8314 Дж/(кмоль·К).
7
1.1.6 Теплоёмкость идеальных газов
dT
dq
Cn
n
C
n
C
Теплоёмкостью в каком-либо термодинамическом процессе
называется величина равная производной от количества
теплоты q по температуре.
Индекс "n" означает принадлежность теплоёмкости к
некоторому термодинамическому процессу, например С
v
-
теплоёмкость изохорного процесса. Теплоёмкость измеряется в
Дж/К.
Теплоёмкость является экстенсивной величиной и может
быть преобразована в интенсивную величину путём деления на
количество вещества (удельная теплоёмкость).
Удельной теплоёмкостью называется количество теплоты,
необходимое для нагревания единицы количества вещества на
один градус.
В зависимости от принятой единицы количества вещества
различают массовую сn, Дж/(кг·К), объёмную
молярную с
, Дж/(кмоль·К) удельные теплоёмкости.
n
, Дж/(мз·К)
Соотношение между удельными теплоёмкостями:
сn = сn/ =
·22,4/
В дальнейшем рассмотрении под теплоёмкостью будем
понимать удельную массовую теплоёмкость сn.
Анализируя определение теплоёмкости можно сделать
заключение, что понятие теплоёмкости имеет смысл в том
случае, когда известен характер термодинамического процесса,
так как от этого зависит величина подвода или отвода теплоты.
В зависимости от характера процесса теплоёмкость с
принимает значение от -∞ до +∞, являясь функцией
температуры.
сn = а +b·t + d·t2
где a, b, d – постоянные для каждого газа коэффициенты.
8
Для двухатомных газов
t
q
с
nm
2
1
)(
12
t
t
nnm
dtcttc
)(
2
)(
21
1212
2
1
2
1
2
1
tt
b
a
tt
dttbа
tt
dtc
c
t
t
t
t
n
t
tnm
cn = а + b·t
Следует различать истинную сn и среднюю с
(в некотором
nm
интервале температур) теплоёмкости.
Под средней теплоёмкостью понимают отношение
количества теплоты сообщаемой газу в процессе к конечной
разности температур. То есть
Связь между истинной и средней теплоёмкостями для
некоторого термодинамического процесса в интервале
температур t1–t2 определяется из равенства
отсюда
Для определения теплоёмкостей в интервале температур
используют таблицы средних теплоёмкостей, в которых
каждому значению температуры t соответствует своё значение
теплоёмкости средней в интервале температур от 0 до t˚С.
По табличным данным средняя теплоёмкость в интервале
температур t1–t2, определяется из соотношения
9
12
1020
12
2
1
tt
tctс
c
t
nm
t
nm
t
tnm
Особое значение в термодинамике имеют теплоёмкости
изохорного cv и изобарного cp процессов. Они связаны между
собой формулой Майера (а) и соотношением Пуассона (б).
сp - cv = R (a)
с
= к (б)
p/cv
где к – коэффициент Пуассона или показатель адиабаты.
Для одноатомных газов к = 5/3; для двухатомных к = 7/5,
для трёх и более атомных газов к = 9/7.
Объединяя соотношения (а) и (б) получаем:
cv = R/(к-1); сp = к·R/(к-1)
Вопросы к разделу 1.1
1. Отличие идеального газа от реальных газов.
2. Классификация термодинамических систем
3. Из каких элементов состоит термодинамическая система.
5. Основные температурные шкалы и соотношение между
ними.
6. Какие термодинамические параметры связывает между
собой уравнение состояния идеальных газов.
7. Различие между истинной и средней теплоёмкостями.
Тесты к разделу 1.1
1. При нормальных физических условиях молярный объём
любого идеального газа в м
2. Реальные процессы являются:
а) равновесными; б) обратимыми; в) необратимыми.
3. Газовая постоянная водорода в Дж/(кг·К) равна:
а) 287; б) 1000; в) 22,4; г) 4157.
4. Универсальная газовая постоянная определяется из закона
а) Майера; б) Клапейрона-Менделеева; в) Пуассона.
5. 1 Кельвин и 1 градус Цельсия соотносятся между собой
3
/кмоль равен ____.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]