- •Термодинамика и теплопередача. Учебное пособие
- •Раздел I. Техническая термодинамика
- •Содержание
- •Раздел I
- •Тема 1. Газ, как рабочее тело термодинамических систем
- •Тема 2. Первый закон термодинамики
- •Тема 3. Термодинамические процессы
- •Тема 4. Второй закон термодинамики
- •Тема 5. Идеальные циклы тепловых двигателей
- •Основные условные обозначения
- •Основные сечения потока
- •Сокращения
- •Используемые индексы
- •Предисловие
- •Введение
- •Раздел I техническая термодинамика
- •Тема 1. Газ, как рабочее тело термодинамических систем
- •1.1. Структура основных понятий термодинамики авиационных гтд
- •1.2. Основные понятия и определения термодинамики
- •1.3. Реальный и идеальный газы. Параметры состояния рабочего тела
- •1.3.1. Давление
- •1.3.2. Температура
- •1.3.3. Удельный объём, плотность
- •1.4. Уравнение состояния идеального и реального газов
- •1.4.1. Уравнение состояния идеального газа
- •1.4.2. Уравнение состояния реального газа
- •1.5. Понятие о термодинамическом процессе. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы
- •1.5.1. Равновесные (обратимые) процессы
- •1.5.2. Графическое изображение термодинамического процесса
- •1.5.3. Неравновесные (необратимые) процессы
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Проверьте, как Вы усвоили материал
- •Тема 2. Первый закон термодинамики
- •2.1. Внутренняя энергия рабочего тела. Изменение внутренней энергии
- •2.2. Работа газа, как форма передачи энергии в термодинамическом процессе
- •2.3. Теплота, как форма передачи энергии в термодинамическом процессе
- •2.4. Энтропия. Энтропийная “t-s” диаграмма
- •2.5. Зависимость количества работы и теплоты от характера термодинамического процесса
- •2.6. Теплоёмкость газа. Уравнение Майера. Показатель адиабаты
- •2.7. Энтальпия
- •2.8. Техническая работа (работа движущегося газа)
- •2.9. Содержание и уравнение первого закона термодинамики
- •2.10. Чистые вещества и смеси газов
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Проверьте, как Вы усвоили материал
- •Тема 3. Термодинамические процессы
- •3.1. Последовательность и объём расчёта термодинамических процессов
- •3.2. Изохорный процесс: определение, осуществление и исследование
- •3.2.1. Исследование изохорного процесса
- •3.3. Изобарный процесс: определение, осуществление и исследование
- •3.3.1. Исследование изобарного процесса
- •3.4. Изотермический процесс: определение, осуществление, исследование
- •3.4.1. Исследование изотермического процесса
- •3.5. Адиабатный (изоэнтропический) процесс: определение, осуществление, исследование
- •3.5.1. Исследование адиабатного процесса
- •3.6. Сравнение адиабаты и изотермы
- •3.7. Обобщающее значение политропных процессов
- •3.8. Энтальпийная “I-s” диаграмма (“I-s” координаты)
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Проверьте, как Вы усвоили материал
- •Тема 4. Второй закон термодинамики
- •4.1. Понятие о круговых процессах (циклах). Прямой цикл (цикл тепловой машины)
- •4.2. Полезная работа цикла. Термический кпд цикла
- •4.3. Цикл Карно и теорема Карно
- •4.4. Обратные циклы (циклы холодильных машин)
- •4.5. Второй закон термодинамики. Формулировки второго закона термодинамики
- •4.6. Второй закон термодинамики и энтропия
- •4.7. Статистическая интерпретация второго закона термодинамики
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Информация к размышлению
- •Проверьте, как Вы усвоили материал
- •Тема 5. Идеальные циклы тепловых двигателей
- •5.1. Особенности термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей
- •5.2. Схема устройства и принцип работы авиационного газотурбинного двигателя (гтд)
- •5.3. Идеальный цикл гтд (цикл Брайтона – Стечкина)
- •5.4. Работа и термический кпд цикла гтд
- •5.6. Сравнение циклов Брайтона и Гемфри
- •5.7. Цикл с регенерацией тепла
- •5.8. Цикл со ступенчатым подводом тепла
- •5.9. Эксергетический метод термодинамического анализа
- •5.10. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (двс)
- •5.10.1. Идеальный цикл двс с подводом тепла
- •5.10.2. Идеальный цикл двс с подводом тепла при постоянном
- •5.10.3. Сравнение циклов Отто и Дизеля
- •5.10.4. Цикл двс со смешанным теплоподводом
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •4. Эффективность цикла оцениваем по величине термического кпд цикла
- •Решение
- •Проверьте, как Вы усвоили материал
- •Заключение
- •Список использованной литературы
- •Приложение
- •Международная стандартная атмосфера (мса) гост 4401–81 (фрагмент)
- •Теплофизические величины
- •Соблюдайте гост 8.417 – 2002
Введение
Термодинамика – наука, изучающая закономерности взаимного преобразования различных видов энергии.
Своё название наука получила от двух греческих слов: therme – тепло, dynamis – сила. Вторым словом раньше выражали различные понятия: силу и работу. Термодинамика возникла в XIX в. при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы в связи с интенсивным развитием и использованием тепловых двигателей.
Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (законов, начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел.
Именно поэтому закономерности и соотношения между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.
Термодинамика отличается от других научных дисциплин, изучающих окружающий нас мир. Основанная на простых наблюдениях, на несложных опытах, она развивалась в удивительную стройную науку, в основе которой лежит небольшое число законов (начал).
Путём строгих логических заключений, чисто математическими методами термодинамика устанавливает связь между самыми разнообразными свойствами вещества, позволяет на основании изучения одних, легко измеряемых величин вычислять другие, важные и необходимые, но трудно измеряемые или даже недоступные непосредственному измерению.
Каким бы сложным ни было изучаемое явление, к какой бы отрасли познания оно ни относилось – всюду и всегда наиболее важным будет превращение одного вида энергии в другой.
Первым тепловым двигателем была паровая машина. За короткий период она нашла широкое применение в промышленности. Для совершенствования и расчётов подобных машин необходимо было теоретическое описание процессов, происходящих в них. В решение этой задачи вложили свой труд многие ученые. В 40-х годах XIX в. в результате исследований русских ученых Г. Гесса, Э. Ленца и зарубежных Ю. Майера, Д. Джоуля и Г. Гельмгольца был установлен первый закон термодинамики, являющийся частным случаем закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам, основные положения которого были сформулированы М. В. Ломоносовым в 1748 г.
В середине XIX в. немецкий учёный Р. Клаузиус и английский физик В. Томсон установили второй закон термодинамики. В своих исследованиях они развивали идеи, впервые высказанные французским учёным С. Карно в 1824 г.
Большое значение для развития термодинамики имели исследования русских и советских учёных: открытие Д. И. Менделеевым критического состояния вещества, развитие этого учения А. Г. Столетовым, М. П. Авенариусом и др., развитие общей кинетической теории вещества Н. Н. Пироговым, новое обоснование второго закона термодинамики Н. Н. Шиллером, работы по теории паровых турбин А. А. Радцига, исследования теплофизических свойств рабочих тел М. П. Вукаловича, В. А. Кириллина и др.
Благодаря трудам советской школы учёных в нашей стране созданы современные тепловые двигатели, в частности ГТД для самолётов и вертолётов, обеспечивающие их высокие лётно-технические характеристики.
Бурное развитие авиационной техники, поставило перед термодинамикой ряд новых задач, от решения которых зависит дальнейшее развитие ГТД. Современные авиационные двигатели непрерывно улучшаются и изменяется. Чтобы изучить и понять эти изменения, суметь объяснить те или иные недостатки, обнаруженные при эксплуатации, принять правильные и грамотные решения для их устранения, необходимо иметь прочную теоретическую базу, чтобы объяснить сущность протекания различных процессов в современном ГТД.
Методы технической термодинамики лежат в основе теории авиационных двигателей и их элементов, холодильных и энергетических установок; они позволяют анализировать газовые потоки, определять изменения состояния различных рабочих тел.
Таким образом, термодинамика является той фундаментальной базой, которая объясняет закономерности протекания физических процессов в ГТД, конструктивные схемы, пути совершенствования ГТД, диагностики авиационных силовых установок и грамотной лётной и технической эксплуатации силовых установок воздушных судов.
Термодинамика в настоящее время охватывает широкий круг вопросов.
Содержание курса термодинамики направлено на изучение рабочих процессов главным образом авиационных ГТД и ДВС и использования для их описания и расчёта аппарата термодинамики. Поэтому в данном пособии будет рассмотрена только часть её, называемая технической термодинамикой, которая изучает термодинамику газов, свойства которых соответствуют характерным для авиадвигателей диапазонам давления и температур, процессы взаимного преобразования тепловой и механической энергии, происходящие в тепловых двигателях.