Глава 13 Тепловые машины и компрессоры……………………………. 171

13.1. Классификация тепловых машин. Циклы замкнутые и разомкнутые, прямые и обратные…………………………… 171

13.2. Термические коэффициенты, характеризующие работу тепловой машины. Термические коэффициенты машин, работающих по циклу Карно……….……………………………………………. 173

13.2.1. Тепловой двигатель………………………………………………174

13.2.2. Холодильная установка…………………………………………..175

13.2.3. Тепловой насос………….………………………………………...176

13.2.4. Регенеративные циклы………………………………………… 176

13.2.5. Необратимый цикл Карно ……………………………………… 177

13.3. Газовые циклы поршневых двигателей…………………………178

13.3.1. Цикл Отто…………………………………………………………178

13.3.2. Цикл Дизеля……………………………………………………….181

13.3.3. Цикл Тринклера …………………………………………………..183

13.4. Газовые циклы реактивных двигателей и газотурбинных установок………………………………………………………….185

13.4.1. Цикл Брайтона…………………………………………………….186

13.4.2. Цикл Гемфри………………………………………………………187

13.4.3. Цикл жидкостного ракетного двигателя………………………...189

13.5. Методы сравнения эффективности различных циклов……….. 190

13.6. Газовые поршневые компрессоры. Расчет работы сжатия. Характеристики одно- и многоступенчатых компрессоров. Потери на сжатие……………………………………………… 192

Глава 14 Термодинамика потоков жидкости и газа………………………197

14.1. Модель течения и основные допущения, уравнения энергии, Бернулли, неразрывности и состояния для одномерного стационарного потока…………………………………………. 197

14.2. Уравнение обращения воздействия. Сопла и диффузоры…….. 198

14.3. Параметры торможения…………………………………………..201

14.4. Расчет располагаемой работы, скорости истечения и расхода газа……………………………………………………………… 204

14.5. Особенности истечения газа через суживающиеся сопла…… 208

14.6. Истечение газа из сопла Лаваля. Расчетные и нерасчетные режимы работы…………………………………………………..213

14.7. Адиабатное дросселирование газа и пара………………………216

14.8. Эффект Джоуля-Томсона………………………………………...218

Глава 15 Водяные пары……………………………………………………..223

15.1. Основные понятия и определения……………………………….223

15.2. Фазовая диаграмма р-Тдля однокомпонентной равновесной термодинамической системы…………………………………….223

15.3. Паровая диаграмма р-v. Расчет количества теплоты, затраченной на процесс парообразования…………………………………….225

15.4. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса для фазового перехода «жидкость-пар»…………………………………………………..229

15.5. Изображение графиков различных процессов на р-v- диаграмме…………………………………………………………231

15.6. Паровая диаграмма T-s…………………………………………. 232

15.7. Паровая диаграмма h-s. Расчет теплоты, работы, изменений внутренней энергии и энтальпии с помощью этой диаграммы.234

15.8. Термодинамические циклы паросиловых установок, работающих по циклу Ренкина и циклу Карно……………………………… 236

Глава 16 Основы эксергетического метода термодинамического анализа………………………………………………………… 241

16.1. Функция работоспособности рабочего тела в проточной термодинамической системе. Понятие эксергии………………241

16.2. Функция работоспособности теплоты…………………………. 244

16.3. Функция работоспособности рабочего тела в непроточной системе……………………………………………………………245

16.4. Выражение для расчета максимальной полезной работы. Закон Гюи-Стодолы. Эксергетический кпд………………………….. 246

16.5. Применение методов эксергетического анализа……………… 247

16.5.1. Адиабатное расширение рабочего тела……………………… 247

16.5.2. Газотурбинная установка……………………………………… 250

Список литературы…………………………………………………………. 253

Приложение 1. Некоторые типичные задачи по курсу «Термодинамика» и их решение……………………………………………………… 255

Приложение 2. Таблицы термодинамических свойств некоторых индивидуальных веществ…………………………………… 268

Введение

Термодинамика является научным фундаментом энергетики, в том числе всех типов поршневых и реактивных двигателей, паровых и газовых турбин. Она является одной из базовых дисциплин при подготовке специалистов в различных областях техники и, прежде всего, в области авиационных и ракетных двигателей.

Термодинамика – это наука об энергии и ее свойствах, наука о взаимопревращениях различных видов энергии (тепловой, механической, химической и др.). Для ее изучения необходимы знания математики, физики и химии.

Термодинамика базируется на трех основных законах термодинамики.

Первый закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам.

Второй закон термодинамики характеризует направление протекания реальных термодинамических процессов и условия превращения теплоты в работу. Он состоит из двух принципов: существования энтропии и ее возрастания. Все реальные процессы направлены в сторону возрастания энтропии.

Превращение теплоты в работу возможно только при наличии в ТС двух источников теплоты с различной температурой (горячего и холодного тел), причем вся подведенная теплота не может быть превращена в работу. Часть теплоты должна быть отдана холодному телу.

Третий закон термодинамики объясняет поведение термодинамических систем при абсолютной температуре, стремящейся к нулю (Т→ОК), и может быть сформулирован как принцип недостижимости абсолютного нуля температур (Нернст, 1906год). Согласно этому закону при Т→ОК равновесные процессы идут без изменения энтропии (∆S→0), а энтропия конденсированных веществ стремится к постоянному значениюS→S₀=const(Планк предложил считатьS₀=0). Третий закон термодинамики позволяет найти энтропийные и химические константы веществ, участвующих в химических реакциях.

Термодинамика изучает общие свойства равновесных физических систем на базе трех законов термодинамики и не использует в явном виде представления о молекулярном строении вещества. В термодинамике используется феноменологический (макрофизический) метод изучения равновесных физических систем. Результаты, полученные этим методом, могут обосновываться с помощью молекулярно-кинетической теории, которая опирается на молекулярные представления о строении физических систем, применяя методы математической теории вероятностей. Таким образом, термодинамика и статистическая физика, как науки о свойствах вещества и энергии взаимно дополняют друг друга.

Условно термодинамика подразделяется на техническую термодинамику, изучающую законы взаимопревращения теплоты и механической работы применительно к тепловым двигателям и машинам, химическую термодинамику, изучающую законы взаимопревращения различных видов энергии при изменении химического состава тел, участвующих в процессах обмена энергией, и физическую (общую) термодинамику, изучающую свойства твердых, жидких и газообразных тел, электрические и магнитные явления и излучение на основе общих термодинамических положений.

Особенностью данного курса лекций является изложение перечисленных разделов как единого целого под общим названием: «Термодинамика»

Методы термодинамики применимы только к термодинамическим системам, состоящим из большого числа частиц, что является нижней границей размеров системы, и не применимы к системам бесконечных размеров, например, к Вселенной, что является верхней границей размеров термодинамической системы, т.е. исходные положения термодинамики устанавливаются для термодинамических систем конечных размеров с большим числом частиц.

При решении физических задач в термодинамике нами будут применяться два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических потенциалов. Метод круговых процессов состоит в том, что для изучения какого-либо явления подбирается подходящий обратимый цикл, к которому применяются 1-ый и 2-ой законы термодинамики и определяются величины, входящие в эти законы. Этот метод используется для расчета идеальных циклов поршневых и реактивных двигателей. Метод термодинамических потенциалов базируется на использовании объединенных выражений для 1-го и 2-го законов термодинамики, которые позволяют при определенных условиях сопряжения системы с окружающей средой ввести функции состояния – термодинамические потенциалы, обладающие особыми свойствами. Этот метод используется студентами для расчета термодинамических свойств химически реагирующих систем при переходе их в равновесное состояние в курсовой работе применительно к расчету параметров жидкостного ракетного двигателя.

Исторически термодинамика возникла из потребностей теплотехники. Широкое применение паровой машины привело в начале XIXвека к необходимости разработки теоретических основ для расчета тепловых машин и повышения их коэффициента полезного действия. Такое исследование было выполнено в 1824 году французским инженером Сади Карно (1796-1832) в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». На базе этого исследования в последствие был сформулирован 2-ой закон термодинамики.

В 40-х годах XIXвека в результате исследований Майера (1842г), Джоуля (1840г.) Гесса (1840г.) и Гельмгольца получил общее признание закон сохранения и превращения энергии. Этот закон является развитием всеобщего закона сохранения движения материи, установленного в 1746г. М.В. Ломоносовым.

На основе этих исследований был установлен тепловой эквивалент работы и окончательно сформулирован 1-ый закон термодинамики или первое начало термодинамики.

В 50-х годах XIXвека Томсоном-Кельвиным введено понятие и создана абсолютная термодинамическая шкала температур.

Клаузиусом (1822-1888гг.) введены понятия внутренней энергии и энтропии, получено уравнение первого закона термодинамики и сформулированы принципы существования и возрастания энтропии.

На базе этих работ термодинамика оформилась как научная система, как самостоятельная отрасль науки.

Большой вклад в развитие термодинамики внесли русские ученые: - М.В. Ломоносов в 1746г. установил законы сохранения вещества и движения материи;

- Д.И. Менделеев в 1861г. установил критическое состояние вещества, при котором поверхностное натяжение стремится к нулю и пропадает различие между свойствами жидкости и пара;

- М.П. Авенариус и др. определили критические параметры различных веществ. В конце XIXвека созданы теория истечения жидкостей и газов, теория паровых машин и двигателей внутреннего сгорания. Развитие термодинамики продолжается в направлении изыскания методов и путей повышения интенсивности и экономичности двигателей и энергетических установок.