05 семестр / Лекции и семинары / Лекции
.pdf
1
“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”
«МАМИ»
Профессор ,доктор технических наук
МЕРКУЛОВ В.Н.
КУРС ЛЕКЦИЙ
«ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ»
ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
«ГАЗОТУРБИННЫЕ И ПАРОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И УСТАНОВКИ»
Москва 2009
2
Эпиграф
«Теория производит тем большее впечатление ,чем проще её предпосылки ,чем разнообразнее предметы , которая она связывает и чем шире область её применения
. Отсюда глубокое впечатление ,которое произвела на меня классическая термодинамика . Это единственная физическая теория общего содержания , относительно которой я убежден , что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута»
Альберт Энштейн
Величайший мудрец древности Конфуций, живший в V в до н.э ,так сформулировал свое отношение организации учебного процесса :
« Я слышу и забываю
Вижу и запоминаю
Делаю и понимаю »
Введение
Предлагаемый курс лекций по технической термодинамике предназначен для студентов МГТУ «МАМИ» , обучающихся по направлению «Энергомашиностроение» по специальности «Газотурбинные и паротурбинные установки и двигатели»
По характеру материала данный курс разделен на две части : «Основные понятия и законы технической термодинамики» и «Исследование тепловых машин».
В первой части дано изложение основных понятий , законов и методов термодинамики .
Во второй части приведены исследования термодинамических процессов тепловых машин(тепловые двигатели , компрессоры , струйные аппараты)
Особый акцент при этом сделан на современные технологии энергосбережения , направленные на повышение экономичности энергетических установок и сокращение потерь энергии и энергоресурсов.
С учетом принятой программы НЭП («новая энергетическая программа») и программы развития энергетики в России в XXI веке.
3
Кроме этого, курс лекций содержит информацию о современных направлениях развития термодинамики – нелинейной неравновесной термодинамики , разработанной И.Р Кригоненым ,Г.Хакеном,П.Гленсафорон,в результате которых появилась совершенно новая научная дисциплина – синергетика – наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем : физических , химических , биологических и социальных .
Курс лекций составлен в соответствии с программой ЕН.2.03.02 «Термодинамики и тепломассообмен» для подготовки инженеров по 10140(140503.65)
Специальности по направлению 651200(140500.65) «Энергомашиностроение»
I часть
1.Термодинамика как наука
Все происходящие в природе изменения состояний тел сопровождаются энергетическими преобразованиями. Сам термин «термодинамика» введен Б.Томсоном. Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно «Размышления о движущей силе огня» .Исследуя практическую задачу получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам , но любым силовым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи – термодинамический , заложенный в основу термодинамики. Карно первым открыл связь между теплотой и работой.
Термодинамикой называется наука , устанавливающая соотношение между теплотой , работой и изменением состояния исследуемой системы тел.
Термодинамика как наука возникла и развивалась как прикладная теория тепловых машин.
Техническая термодинамика – это общая теория тепловых машин и аппаратов , в которых основное внимание сосредотачивается на энергетических преобразованиях с целью установления наивыгоднейших режимов работы тепловых машин и аппаратов .
Химическая термодинамика , подчинена практике химической технологии и металлургии исследует химические изменения состояния систем .
Термодинамика физических свойств посвящена исследованию свойств реальных газов и жидкостей.
4
Классическая термодинамика в виде термодинамики в свете современных представлений выступает как термостатика . Решающая роль динамики изучается современной наукой – синергетикой
Задачи технической термодинамики
Техническая термодинамика является общей теорией тепловых машин аппаратов наиболее важными являются три группы тепловых машин : тепловые двигатели , холодильные машины и тепловые насосы.
Тепловые двигатели – производят механическую работу за счет тепла. Они подразделяются на паросиловые установки, двигатели внутреннего сгорания, атомные ,энергетические установки ,термоядерные энергетические установки.
Для паросиловых установок рабочим веществом является водяной пар ,для двигателей внутреннего сгорания – продукты сгорания топлива , для атомных энергетических установок водяной пар (теплота получается за счет деления ядер урана),для термоядерных установок водяной пар (теплота полученная за счет синтеза ядер гелия и водорода)
Каков же общий принцип действия теплового двигателя?
В целом механическая работа в любой тепловой машине создается за счет разности температур ,которая приводит к разности давлений , используемой далее для совершения работы .
Для натуральности общего принципа действия теплового двигателя допустимо воспользоваться аналогией , сравнив тепловой двигатель с водяным двигателем при действии теплового двигателя разность температурных уровней играет ту же роль что разность геодезических уровней в действии водяного двигателя .
Важнейшей задачей технической термодинамики в отношении тепловых двигателей является решение вопроса о получении наибольшей работы за счет затраты заданного количества тепла .
Термодинамика решает вопрос о способах достижения максимального коэффициента полезного действия теплового двигателя η
То есть соотношения :
η =
5
Холодильные машины –производят холод за счет затраты работы
Тепловые насосы – за счет работы произведенного тепла.
В тех и в других машинах за счет затраты работы тепло передается от тел менее нагретых к телам более нагретым.
По принципу действия холодильные машины и тепловые насосы являются подобными , но они имеют различное назначение : первые служат для охлаждения , вторые – для нагревания .
Экономичность действия холодильной машины оценивается количеством произведенного холода при заданной затрате работы ,ч то соответственно определяется величиной холодильного коэффициента ε
ε =
Тепловые насосы ,т.е машины ,производящие тепло за счет затраты работы в настоящее время широко применяются в жилищно-коммунальном хозяйства (отопление жилых домов)
Экономичность действия теплового насоса оценивается количеством произведенного идеала при заданном расходе работы , что соответствует величине ψ ,называемой
отопительным коэффициентом
Ψ=
Установлений условий ,при которых достигается наибольшая экономичность действия холодильных машин и тепловых насосов составляет одну из важнейших задач технической термодинамики Современная термодинамика базируется на двух законах и механической теории
теплоты (опыты Рунфорда ,обнаружившего выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе под водой )
I закон термодинамики – закон сохранения энергии
II закон термодинамики устанавливает направление энергетических процессов и устанавливает условия , при которых возможно получить максимальную работу за счет затраты единицы теплоты.
Центральным местом термодинамики являются изучение свойств газов и паров Задача обеспечения энергией путем наращивания энергетического потенциала тесно связана с устойчивым развитием экономики и общества любого государства
.Коэффициента полезного использования энергоресурсов в экономике России в 3-4 раза ниже ,чем , например в Японии в условиях острого дефицита как топливных ресурсов, так и ископаемых.
6
Техническая термодинамика позволяет определять пути проектирования современных схем энергетических установок ,обладающих повышенными коэффициентами полезного действия как для транспортной , так и для стационарной энергетики .
К схемам ,реализующим энергосберегающие технологии относятся комбинированные установки (парогазовые , газопаровые ) , электрохимические энергоустановки на топливных элементах , ядерные энергетические установки на быстрых нейтронах ,термоядерная энергетика .Более подробную информацию о части специальной литературы и II части настоящих лекций.
2.Основные понятия и определения
Рабочие тело – вещество, с помощью которой происходит процесс переноса теплоты и превращения её в работу в тепловых машинах .Это - газы, воздух ,продукты сгорания топлива , пары веществ ,(
) ,жидкий металл , «холодная» и «горячая» плазма .
Термодинамическая система , процесс ,свойства
Термодинамическая система тело или совокупность тел , являющиеся объектами изучения тела вне границ термодинамической системы называются окружающей или
внешней средой
Система , изолированная от окружающей среды являются замкнутой .Рабочее тело характеризуется несколькими физическими величинами – температурой t , давление
P , плотность ρ,массой вещества m – все это свойства системы.
Состоянием называется совокупность свойств системы .Свойства системы являются функциями состояния системы.
Техническая термодинамика рассматривает лишь равновесные состояния ,условиями их являются термическое и механическое равновесие системы .
Например , при P=Po и T=To – термодинамическая система находится в состоянии равновесия с окружающей средой
Свойства термодинамической системы могут быть интенсивными и экстенсивными .
Интенсивные свойства - не зависят от массы , количества вещества в системе (давление, температура , электрический потенциал) параметры зависящие от массы называются экстенсивными параметрами (объем ,энергия системы и др.)
Термодинамический процесс – это переход тела и системы из одного состояния в другое , это совокупность последовательных состояний через которые проходит термодинамическая система при её взаимодействии с окружающей средой
7
.Термодинамическая система называет закрытой , если её контрольная поверхность не допускает обмена веществом ,но обменивается теплом и работой
.Термодинамическая система которая может обмениваться веществом ,теплом и работой с окружающей средой называется открытой .
Процесс ,в результате которого тело в возвращается в исходное состояние называется
круговым процессом или циклом.
Равновесным процессом называется процесс , в котором термодинамическая система проходит ряд бесконечно близких состояний , каждое из которых являются равновесным ; т.е с бесконечно малой скоростью изменения состояния.
Равновесный процесс , как последовательность равновесных состояний может быть представлена графически :
Все реальные термодинамические процессы являются неравновесными и проходят с конечной скоростью .
3.Параметры состояния термодинамической системы
Параметром состояния является абсолютное давление P –параметр состояния определяемый силой ,действующей на единицу площади поверхности по нормали к ней.
Единицы измерения
1 |
Па = 1 |
|
|
|
|
1 бар = 10 |
|
|
|
|
|||||||
1 |
КПа= |
|
1 бар = 750 мм.рт.ст = 10200мм вод.ст |
|||||
|
||||||||
1 |
МПа=10 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
–
–
манометрическое давление ,измеренное манометром
барометрическое давление , измеренное барометром
Если |
, то |
Если 
- это давление ,измеряется вакуумметром .В этом случае
8
Абсолютная температура Т
Характеризует степень нагретости тела являющейся параметром состояния , который определяет направление самопроизвольного перехода теплоты . Единицей термодинамической температуры является градус Кельвина (°К). В качестве реперной точки термодинамической температурной шкалы ,выбрана тройная точка воды
(см.ниже) ,температура t в которой по эмпирической шкале Цельсия равна 0,01°С и ей присвоено значение термодинамической температуры 273,16 °К
Удельный объем V
Ѵ- - объем единицы массы
ρ= -плотность вещества
G-общая масса
Ѵ-общий объем
4.Обратимые и необратимые процессы
Определение 1
Процесс называется обратимым ,когда он может быть проведен в противоположном направлении ,и в результате все изменения происходящие в любой части прямого процесса , точно обращаются в соответствующей части обратимого процесса .
Определение 2
Обратимый процесс- это процесс ,в результате проведения которого в прямом и обратном направлениях система или рабочее тело , а так же окружающая среда приходит в начальное состояние ,процессы неудовлетворяющие этому условия –
необратимые
9
Все реальные процессы необратимые .Пример свободное качание маятника , затухающие под действием сил трения может служить простейшим примером необратимого процесса
К основным необратимым термодинамическим процессам относятся :
-самопроизвольный переход тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому
-неупругий удар и трение(внешнее и внутреннее)
-переход газа и ли жидкости из среды высокого давления в среду низкого давления без выполнения механического эффекта (расширение в пустоту , дросселирование) ;
-самопроизвольное смешение (диффузия) различных газов и жидкостей .
Понятие обратимости может служить критерием совершенства реальных процессов.
5.Энергия системы ,работа и теплота
Энергия как научное понятие служит мерой количественной оценки различной формы движения материи : механической , термической , химической , ядерной ,электромагнитной ,акустической и т.п
Энергия Э всегда является функцией состояния и ,следовательно , представляет собой свойства тела. В термодинамике энергия Э тел оценивается специальными понятиями
: внутренней энергии U и энтальпией j
Работа L и теплота Q являются способами передачи энергии от одного тела к другому в процессе того или иного взаимодействия тел.Наблюдается они лишь входе процессов и представляют нечто переходящее ,поэтому работу L
И теплоту Q называют функциями процесса ,в отличие от внутренней энергии и энтальпии ,являющимися функциями состояния .Таким образом , работа и теплота не могут быть содержимым тела в отличи от внутренней энергии и энтальпии.
В системе единицы СИ в качества единицы Э ,работы L и теплоты Q принят Джоуль
1дж=1 |
|
|
мощность измеряется в ваттах 1вт = 1 |
|||
|
||||||
1 |
кдж= дж |
1 квт = 1 |
|
1мвт=1000квт |
||
|
||||||
1 |
мдж=10 дж |
|
|
|
||
Имеется два способа передачи энергии.
10
I способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел ,имеющих различную температуру .Количество энергии , полученной телом в форме теплоты называется подведенной теплотой - + Q дж ; количество энергии , отданные телом в форме теплоты называется отведенной теплотой - - Q дж .
В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе
рабочего тела – удельная теплота q
Подведенная удельная теплота + q
Отведенная удельная теплота – q
II способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления
.Количество переданной энергии – в форме работы L
Совершенная над телом работа + L дж
Затраченная телом работа – - L дж
Удельная работа ℓ
Работа процесса –называется передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому ,связанное с изменением объема рабочего тела , с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения.
6.Уравнение состояния. Общие определения
Параметры состояния взаимно связаны ,а именно :
Уравнение представляет собой общий вид уравнения состояния любого однородного вещества
Любое равновесное состояние и любые процессы однородные вещества можно выразить графически .