Введение

Предметом дисциплины является изучение законов технической термодинамики, гидрогазодинамики и тепломассообмена.

Техническая термодинамикаизучает вопросы, связанные с взаимным превращением теплоты и работы. Знание этих законов необходимо инженерам-экологам для правильного представления физико-химических процессов и их анализа с целью выявления возможных техногенных и антропогенных последствий при эксплуатации теплотехнических изделий и объектов.

Гидрогазодинамикаизучает движение жидких и газообразных сред и их взаимодействие между собой и с граничащими с ними твердыми телами.

Гидрогазодинамика делится на теоретическуюиэкспериментальную.

При теоретическом исследовании движения жидкостей вычисляются либо координаты отдельных частей жидкости, рассматриваемых как материальные частицы, сплошь заполняющие объем, либо скорости этих частиц в пространстве, заполненном движущейся жидкостью.

Теоретическая газодинамика базируется на общих уравнениях гидрогазодинамики.

Главная проблема экспериментальной гидрогазодинамики – изучение взаимодействия жидкостей и газов с твердыми телами, движущимися или покоящимися в них. В основе экспериментальных методов лежат либо аналогии, существующие между движением жидкости и газа и физическими процессами, удобными для воспроизведения, либо моделирование.

Гидростатика, как часть гидродинамики, определяет, с какой силой находящиеся в равновесии жидкости или газы действуют на стенки сосуда, а также на погруженные в них тела.

Основные законы гидростатики:

Закон Паскаля – давление на поверхность жидкости (или газа), произведенное внешними силами, передается жидкостью (или газом) одинаково во всех направлениях.

Закон Архимеда – на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх, приложенная к центру тяжести вытесняемого объема и равная по величине весу вытесненной телом жидкости (или газа).

Предметом теории тепломассообмена являются процессы переноса тепла и массы из одной части пространства в другую.

Для инженера-эколога знание термодинамики, гидродинамики и тепломассообмена являются теоритической основой его практической деятельности во многих областях промышленности, строительства, металлургии, машиностроения и др.

При изучении дисциплины особое внимание следует уделять усвоению термодинамического метода исследования, который имеет следующие особенности:

1. Термодинамика строится по дедуктивному принципу, т.е. путем перехода от общего к частному.

2. Термодинамика имеет дело только с макроскопическими величинами.

3. Описание процессов в термодинамике основывается на понятии о макроскопическом равновесии. Процессы здесь рассматриваются как непрерывная последовательность состояний равновесий.

Основной метод теории тепломассообмена является расчленение сложного процесса на его составляющие (теплопроводность, конвекция, лучеиспускание) по способу (механизму) переноса тепла и массы, изучение этих составляющих по своим законам.

Тема 1

1.Первый закон термодинамики

1. Основные понятия и определения.

Термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в работу. Выделилась в самостоятельную дисциплину из естественных наук в ХIXвеке. Название науки произошло от греческих слов “terme” – теплота и “dinamikos” – сила.

Современная термодинамика– наука, изучающая законы (взаимную связь) между различными видами энергии и влияние этой связи на свойства физических тел.

Термодинамика в свою очередь подразделяется на физическую, техническую и химическую.

В физической термодинамике рассматриваются ее теоретические основы, методы термодинамических исследований физических явлений и свойства вещества.

В технической термодинамике рассматривают взаимные превращения тепловой, механической, кинетической и химической энергии в различных тепловых машинах, к которым может быть в полной мере отнесено различное теплотехническое оборудование, установленное на ТЭЦ, в различных котельных, трубопроводных магистралях, связанных с транспортировкой теплоносителей.

В химической термодинамике с помощью основных законов термодинамики изучаются различные химические и физико-химические процессы. Химическая термодинамика занимается изучением тепловых эффектов реакций, например, при горении веществ, изучением условий химической равновесности физико-химических процессов.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения.

Объект изучения термодинамики – термодинамическая система.

Термодинамическая система– совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии с окружающими их телами (или окружающей средой).

Системы могут быть открытымиесли система не может обмениваться с другими системами теплом –термоизолированная (три вида взаимодействия – тепловое, механическое и обмен веществом),закрытыми если вообще не взаимодействует с другими системами –изолированная.

Окружающая среда– все тела, не входящие в состав термодинамической системы.

В тепловых машинах преобразование энергии производится с помощью промежуточного тела, которое называется рабочим телом.

К веществам (смеси веществ), используемых в качестве рабочего тела, предъявляются следующие требования:

- способность рабочего тела в короткие сроки воспринимать и отдавать значительное количество тепловой энергии;

- совершать механическую работу путем расширения или сжатия.

В качестве рабочего тела в паровых машинах используется водяной пар, продукты сгорания топлива (бензина, дизельного топлива).

Термодинамический процесс- всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и связанное с изменением хотя бы одного ее параметра состояния.

Термодинамические параметры - параметры, характеризующие систему в каждый данный момент времени.

К числу основных параметров относятся такие, которые легко могут быть определены простыми техническими средствами (можно произвести замеры).

К таким параметрам относятся:

- давление Р, Па;

- температура t, С (Цельсия) или К (Кельвина);

- удельный объем (плотность) w, м³/кг

Совокупность названных основных параметров определяет состояние системы в данный момент. Через изменение этих параметров можно найти изменение других (производных) параметров.

Давление– сила, приходящаяся на единицу площади. 1кг/см²= 9,8 * 10³Па.

В технике различают давление:

- избыточное – над давлением окружающей среды (над атмосферным давлением). Измеряется с помощью манометра и обозначается (атм.).

- абсолютное (полное) – больше атмосферного измеряют с помощью двух приборов – манометра и барометра. Его величина р_абс= р_мин+ р_бар

где – атмосферное давление, определяемое барометром;

– показание вакуумметра, (рис.1.1).

На рисунке 1.1 показаны уровни давлений.

Температура– степень нагретости тела. Т =t+ 273,16

Удельный объем– объем занимаемый единицей массы вещества.

w=W/m(м³/кг)

W– объем оболочки, в которой находится газ, м³

m– масса тела, кг

Плотность– масса вещества, заключенная в единице объема р=m/W(кг/м³).