Предмет и метод термодинамики

А.П. Баскаков, Е.Ю. Павлюк

Техническая термодинамика

Учебное пособие

Научный редактор проф., д.т.н. В.А. Мунц

Екатеринбург

УГТУ – УПИ

УДК 536 (075.8)

ББК 31.31 я 73

Б27

Рецензенты: зав. кафедрой «Энергетики» УГЛТА В.В. Мамаев

зав. лабораторией ОАО ВНИИМТ С.Т. Клышников

Баскаков А.П.

Б27. Техническая термодинамика: учебное пособие / А.П. Баскаков, Е.Ю. Павлюк. Екатеринбург: 2009. 100 с. ISBN

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика, 140106 – Энергообеспечение предприятий. Данное пособие содержит необходимый минимум информации, включающий в себя все необходимые разделы курса «Техническая термодинамика». Для удобства усвоения материала студентами каждый раздел завершается комплексом задач, ответы и решения которых приведены в конце учебника. Пособие также укомплектовано необходимой справочной информацией, приведенной как по ходу изложения материала, так и в приложениях.

Библиогр.: назв. Табл. 2. Рис. 35. Прил. 1.

УДК 536. (075.8)

ББК 31.31. я 73

ISBN

© Баскаков А.П., Павлюк Е.Ю., 2009

Оглавление

Предисловие. 4

1. Основные понятия и исходные положения термодинамики.. 5

1.1. Предмет и метод термодинамики. 5

1.2. Термодинамическая система. 5

1.3. Термодинамические параметры состояния. 6

1.4. Уравнение состояния. 9

1.5. Термодинамический процесс. 9

2. Первый закон термодинамики.. 12

2.1. Внутренняя энергия. 12

2.2. Работа против окружающей среды в закрытой системе. 13

2.3. Теплота. 15

2.4. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытой системы.. 16

2.5. Теплоемкость газов. 17

2.6. Энтальпия. 21

3. Второй закон термодинамики.. 23

3.1. Энтропия. 23

3.2. Изменение энтропии в неравновесных процессах. 24

4. Основные термодинамические процессы в газах, парах и смесях.. 27

4.1. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах. 27

4.2. Смеси идеальных газов. 31

4.3. Термодинамические процессы реальных газов. 34

5. Особенности термодинамики открытых систем.. 42

5.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока. 42

5.2. Истечение газов и паров. 47

5.3. Расчет процесса истечения с помощью h, s - диаграммы.. 50

5.4. Термодинамический анализ процессов в компрессорах. 51

6. Циклы теплосиловых установок.. 56

6.1. Цикл Карно и второй закон термодинамики. 56

6.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. 59

6.3. Цикл газотурбинной установки. 61

6.4. Циклы паротурбинных установок. 63

6.5. Холодильные установки и тепловые насосы.. 68

Решения задач и ответы на вопросы.. 71

Библиографический список.. 75

Приложение. 76

Предисловие

Настоящее учебное пособие написано для заочников специальностей «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергообеспечение предприятий» и, прежде всего, для тех, кто, окончив в свое время техникум, получает высшее образование по ускоренной программе.

В библиотеках России, в том числе и в УГТУ-УПИ, имеется достаточное количество отличных учебников для вузов по дисциплине «Техническая термодинамика», однако они часто практически недоступны для студентов, обучающихся на опорных пунктах вдали от Екатеринбурга, поскольку на большинстве пунктов этих учебников просто нет.

Кроме того, некоторые студенты, обучавшиеся много лет назад в техникуме, забыли не только то, чему их там учили, но растеряли школьные знания. А сегодня для того, чтобы снова аттестовать их на рабочем месте, которое они занимают, а тем более для повышения по службе с них требуют диплом. Понятно, что при такой базе знаний они не могут освоить курс, который читается студентам-очникам во всех деталях, тем более, что времени на это им выделяется значительно меньше, чем при полном (не ускоренном) обучении.

Следовательно, жизнь поставила на повестку дня необходимость подготовки учебного пособия, которое было бы понятно этому контингенту студентов, и который они смогли бы освоить за выделенное им для этого время. Конечно, формально программа курса одинакова для студентов всех форм обучения, но, как показала практика, глубина освоения предмета студентами разных категорий сильно различается.

Данное пособие написано на базе учебника для вузов «Теплотехника» под ред. А.П. Баскакова, последнее издание которого вышло в свет 1991 г.

Авторы постарались в сжатой и доступной форме изложить основные положения термодинамики, необходимые студентам указанных выше специальностей для освоения спецкурсов.

Пособие может быть полезно и студентам других специальностей и форм обучения.

Основные понятия и исходные положения термодинамики

Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Если рассматривать только макроскопические системы, то термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Строго говоря, все основные выводы термодинамики получают методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики, не привлекая представлений о структуре вещества. Для упрощения понимания материала заочниками мы не будем придерживаться строгой «академичности» изложения.