Методички 3 курс 6 семестр / Термодинамика и теплопередача
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ФГБОУ ВПО «УГТУ»)
А.Г. Бердник
Термодинамика и теплопередача
Программа дисциплины и контрольные задания для студентов бакалавров
Ухта 2013
2
УДК 536(076)
Б 12
Бердник А.Г. Термодинамика и теплопередача: Программа дисциплины и контрольные задания. – Ухта: УГТУ, 2013. – 11 с.
Программа дисциплины и контрольные задания предназначены для студентов бакалавров.
Программа дисциплины и контрольные задания рассмотрены и одобрены кафедрой ТиТГВ от 6.11.13 протокол №2.
Рецензент: Михайленко Е.В. Редактор: Збраская О.В.
В программе дисциплины и контрольных заданиях учтены предложения рецензента и редактора
©Ухтинский государственный технический университет, 2013
169300, г. Ухта, ул. Первомайская, 13 Отдел оперативной полиграфии УГТУ. 169300, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13
|
3 |
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. |
Цели освоения дисциплины.................................................................................. |
4 |
1.1. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата ..................................... |
4 |
|
1.2. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения |
|
|
дисциплины. .............................................................................................................. |
4 |
|
2. |
Содержание тем дисциплины............................................................................... |
5 |
3. |
Рекомендуемая литература ................................................................................... |
6 |
4. |
Методические указания к выполнению контрольной работы .......................... |
7 |
4.1. Задачи для контрольной работы ...................................................................... |
7 |
|
Задача 1. .................................................................................................................... |
7 |
|
Задача 2. .................................................................................................................... |
9 |
|
Задача 3. .................................................................................................................. |
10 |
|
Задача 4. .................................................................................................................. |
12 |
|
Задача 5. .................................................................................................................. |
14 |
|
Задача 6. .................................................................................................................. |
14 |
|
Библиографический список...................................................................................... |
15 |
|
4
1. Цели освоения дисциплины
Процессы переноса тепла и вещества широко распространены в природе, технике, имеют непосредственное отношение ко всей жизнедеятельности человека. Надежная работа теплообменного оборудования, криогенных установок возможны только при соблюдении определенного теплового режима. Для этого необходимо иметь четкие представления о характере и особенностях тепловых явлений, что и определяет актуальность изучения данного курса любыми специалистами, работающими в данной области.
Целью обучения студентов по данной дисциплине является:
1.Знание основных законов тепломассообмена и термодинамики, теплофизических свойств вещества; 2.Умение решения конкретных задач тепломассообмена инженерными методами;
3.Накопление первоначального опыта оценки возникновения чрезвычайных ситуаций, обусловленных протеканием тепловых процессов.
1.1. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Термодинамика и теплопередача» относится к базовой части профессионального цикла. Изучение данной дисциплины базируется на знании по следующим предметам: физика (молекулярная физика, законы излучения), высшая математика (математический анализ, основы векторного анализа, диф. уравнения), химия (кинетика химических реакций).
1.2. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО по данному направлению:
Коды |
|
|
|
Структурные элементы компетенции (в ре- |
|||
Наименование компетенции |
|
зультате освоения дисциплины обучаю- |
|||||
|
|
||||||
|
|
|
|
щийся должен знать, уметь, владеть) |
|||
1 |
2 |
|
|
3 |
|
|
|
ОК-6 |
способность организовать свою работу |
Знать основные законы тепломассообмена |
|||||
|
ради достижения поставленных целей; |
и |
термодинамики, |
теплофизических |
|||
|
готовность к использованию инноваци- |
свойств вещества; |
|
|
|||
|
онных идей |
|
|
Уметь решеать конкретные задачи тепло- |
|||
ОК-8 |
способностью работать самостоятельно |
массообмена инженерными методами; |
|||||
ОК-10 |
способностью |
к познавательной |
дея- |
Владеть способностью накопления перво- |
|||
|
тельности |
|
|
начального опыта оценки |
возникновения |
||
ОК-11 |
способностью |
использовать законы и |
чрезвычайных ситуаций, |
|
обусловленных |
||
|
методы математики, естественных, |
гу- |
протеканием тепловых процессов. |
||||
|
манитарных и экономических наук при |
|
|
|
|
||
|
решении профессиональных задач |
|
|
|
|
|
|
5
2. Содержание тем дисциплины
Тема 1. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.
Предмет технической термодинамики. Материя и энергия. Физическое состояние вещества. Масса сила тяжести и вес. Основные параметры состояния
Тема 2. ТЕРМОДИНАМИКА: СМЕСИ РАБОЧИХ ТЕЛ, ТЕПЛОЕМКОСТЬ, ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ, РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ПАРЫ, ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКОВ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА.
Методы термодинамики и ее задачи. Термодинамические параметры. Аналитическое выражение теплоты и работы. Энтальпия идеального газа. Обобщенное выражение. Круговые процессы или циклы. Термодинамический КПД. Идеальные газы Законы идеальных газов (законы Бойля-Мариотта, ГейЛюссака, Шарля, Авогадро). Уравнение состояния. Частные процессы изменения состояния газа. PVдиаграмма и исследование политропных процессов. Общие понятия. Процесс идеального одноступенчатого поршневого компрессора. Процесс идеального многоступенчатого поршневого компрессора. Многокомпонентные и многофазовые системы. Процессы фазовых превращений. Процесс парообразования.
Тема 3. ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА: ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, КОНВЕКЦИЯ, ИЗЛУЧЕНИЕ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА.
Общие понятия и закономерности микропереноса энергии массы. Основы теории подобия. Виды и режимы теплообмена. Законы Фурье и коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение энергии. Различные случаи стационарной теплопроводности. Дифференциальные уравнения. Теплообмен Основные теории подобия физических величин. Общие понятия. Законы теплового излучения. Теплопередача сквозь плоскую стенку, цилиндрическую. Коэффициент теплопередачи.
Тема 4. ОСНОВЫ МАССООБМЕНА.
Основные закономерности. Массообмена во влажном воздухе.
Тема 5. ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА.
Основные типы теплообменных аппаратов. Тепловой расчет теплообменных аппаратов.
Тема 6. ТОПЛИВО И ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ.
6
Возможности применения топливных элементов. Общая характеристика процесса горения. Характер горения различных топлив. Расчет процессов горения.
Тема 7. ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА, ХОЛОДИЛЬНАЯ И КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА.
Классификация и основные понятия. Топки и тепловыделения в них. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл паровой компрессорной холодильной установки.
Тема 8. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОТЫ В ОТРАСЛИ.
Общие принципы организации рабочего процесса и элементы химических теплогенераторов. Химические парогенераторы – паровые котельные установки. Парогазовые и газовые котлы.
Тема 9. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Движение воздуха в атмосфере. Движение вод в реках и морях.
Тема 10. ОСНОВЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ.
Основные общие критерии энергетической эффективности генераторов полезной энергии и энергетических установок.
Тема 11. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ.
Основные понятия. Аннигиляционные, ядерные и химические топлива. Электрохимические аккумуляторные батареи. Тепловые аккумуляторы.
Тема 12. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ.
Потребность в энергии. Эффективность источников энергии. Предельная экономичность и мощность различных типов полезной энергии.
3. Рекомендуемая литература
№№ |
|
Вид посо- |
Год |
Кол-во |
|
Автор и наименование |
изда- |
экз. в биб- |
|||
п-п |
бия |
||||
|
ния |
лиотеке |
|||
|
|
|
|||
|
Основная |
|
|
|
|
Л-1 |
Теплотехника: Учеб. для студентов техн. спец. высш. |
У |
2002 |
15 |
|
|
учеб. заведений/ Под ред. В. Н. Лукашина.-3,4,5-е |
|
2003 |
|
|
|
изд., испр. - М.: Высшая школа.-671с. |
|
2005 |
|
7
Л-2 |
Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михее- |
У |
2010 |
10 |
|
|
ваМинск: Высшая школа А, 2010.-320с. |
|
|
|
|
|
Дополнительная: |
|
|
|
|
Л-3 |
Теплотехника: Учеб. для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. |
У |
2010 |
* |
|
|
Берг, О.К. Витт и др. – М.: ООО «ИД БАС ТЕТ», |
|
|
|
|
|
2010. – 328с. |
|
|
|
|
Л-4 |
Техническая термодинамика: Учебное пособие для |
УП |
2001 |
19 |
|
|
студентов высш. Техн. Учебных заведений / В. А. Ку- |
|
2003 |
|
|
|
динов, Э. М. Карташов – 2,3-е изд., испр. М.: Высшая |
|
|
|
|
|
школа, 2001. – 261 с |
|
|
|
|
Л-5 |
Основы термодинамики и теплопередачи: Учебно- |
УП |
2002 |
10 |
|
|
метод. пособие / Б. П. Поршаков, А. Н. Козаченко.- |
|
|
|
|
|
М.: Нефть и газ. 2002.-132с. |
|
|
|
|
Л-6 |
Термодинамика |
и теплопередача. (Основы теории, |
УП |
2008 |
|
|
типовые задачи,задания и методические указания) |
|
|
|
|
|
Белоусов Н.А. |
|
|
|
|
Л-7 |
Термодинамика |
и теплопередача. Курс лекций. Бе- |
(эл. вер- |
|
*) |
|
лоусов Н.А. |
|
сия). |
|
|
|
*) – есть на кафедре |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Программа составлена в соответствии с Федеральным Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования.
4. Методические указания к выполнению контрольной работы
Контрольная работа состоит из титульного листа, решенных семи задач и списка литературы.
Вкаждой задаче выписываются исходные данные, записывается решение
вбуквенном обозначении, подставляются цифровые значения исходных величин и записывается ответ.
4.1. Задачи для контрольной работы
Задача 1.
1 кг метана при постоянной температуре t1, °C и начальном давлении Р1, МПа сжимается до давления Р2, Мпа. Определить удельный конечный объем, количество тепла, отводимого в процессе сжатия, и затрачиваемую работу.
Таблица 1 – Исходные данные для задачи 1.
Последние 2 цифры шифра |
температура |
Начальное давление |
Конечное давление |
|
t1, °C |
Р1, МПа |
Р2, МПа |
||
|
||||
0 |
20 |
3 |
5,9 |
|
1 |
15 |
3,1 |
6 |
|
2 |
10 |
3,2 |
6,1 |
|
3 |
25 |
3,3 |
6 |
|
4 |
30 |
3,4 |
6,3 |
|
5 |
35 |
3,5 |
6,4 |
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
40 |
|
|
|
|||
|
7 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
8 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
9 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
10 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
11 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
12 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
13 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
14 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
15 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
16 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
17 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
18 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
19 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
20 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
21 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
22 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
23 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
24 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
25 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
26 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
27 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
28 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
29 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
30 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
31 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
32 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
33 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
34 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
35 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
36 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
37 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
38 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
39 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
40 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
41 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
42 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
43 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
44 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
45 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
46 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
47 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
48 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
49 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
50 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
51 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
52 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
53 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
54 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
55 |
|
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
35 |
|
|
|
|||
|
56 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
57 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
58 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
59 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
60 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
61 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
62 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
63 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
64 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
65 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
66 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
67 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
68 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
69 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
70 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
71 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
72 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
73 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
74 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
75 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
76 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
77 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
78 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
79 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
80 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
81 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
82 |
20 |
|
3,8 |
|
6,7 |
|
|
83 |
15 |
|
3,9 |
|
6,8 |
|
|
84 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
85 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
86 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
87 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
88 |
20 |
|
3 |
|
5,9 |
|
|
89 |
15 |
|
3,1 |
|
6 |
|
|
90 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
91 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
92 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
93 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
|
94 |
40 |
|
3,6 |
|
6,5 |
|
|
95 |
45 |
|
3,7 |
|
6,6 |
|
|
96 |
10 |
|
3,2 |
|
6,1 |
|
|
97 |
25 |
|
3,3 |
|
6 |
|
|
98 |
30 |
|
3,4 |
|
6,3 |
|
|
99 |
35 |
|
3,5 |
|
6,4 |
|
Задача 2.
(n – номер варианта, последние 2 цифры шифра)
10
Метан массой 1 кг адиабатически расширяется от давления Р1=(5,4+0,n) МПа и температуры 40 С до давления Р2=(1+0,n) МПа. Найти конечный объем, температуру, потенциальную и термодинамическую работу, изменение внутренней энергии и энтальпии. Показатель адиабаты принять равным 1,4.
Задача 3.
По данным анализа установлен следующий объемный состав природного газа: СН4, %; С2Н6, %; С3Н8, %; С4Н10, %; СО2, %; N2, %. Определить среднюю молекулярную массу природного газа ( m), плотность газа в нормальных условиях ( ), массовые концентрации компонентов (mi), их парциальные давления (Pi), средние теплоемкости (Сpm, Cvm) и показатель адиабаты.
Молекулярные массы составляющих смеси газов находим по данным физических характеристик компонентов газа из справочных таблиц (см. раздел Рекомендуемая литература)
Таблица 2 – Исходные данные для задачи 2.
Последние |
СН4, % |
С2Н6, % |
С3Н8, % |
С4Н10, % |
СО2, % |
N2, % |
|
2 цифры шифра |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
0 |
96 |
3 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
1 |
95 |
4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
2 |
94 |
5 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
3 |
93 |
6 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
4 |
92 |
7 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
5 |
91 |
8 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
6 |
90 |
9 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
7 |
89 |
10 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
8 |
88 |
11 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
9 |
87 |
12 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
10 |
92 |
7 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
11 |
91 |
8 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
12 |
96 |
3 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
13 |
95 |
4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
14 |
88 |
11 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
15 |
87 |
12 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
16 |
94 |
5 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
17 |
93 |
6 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
18 |
90 |
9 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
19 |
89 |
10 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
20 |
92 |
7 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
21 |
91 |
8 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
22 |
94 |
5 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
23 |
93 |
6 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
24 |
88 |
11 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
25 |
87 |
12 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
26 |
96 |
3 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
27 |
95 |
4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
|
28 |
90 |
9 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |