Теплотехника (стр. 1 )

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ

ИМЕНИ МИХАИЛА ТУГАН – БАРАНОВСКОГО

КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНОЙ И ТОРГОВОЙ ТЕХНИКИ

Конспект лекций по дисциплине

ТЕПЛОТЕХНИКА

для студентов направлений подготовки

6.051701 «Пищевые технологи и инженерия»

6.050503 «Машиностроение»

Разработала: доц.

ДонНУЭТ

Донецк - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ГАЗОВ……………………………3

ЛЕКЦИЯ 2. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА(4)………………13

ЛЕКЦИЯ 3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ (4)……………………….27

ЛЕКЦИЯ 4. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ (4)………………………..40

ЛЕКЦИЯ 5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

  В ЗАКРЫТЫХ СИСТЕМАХ………………………………………..56

ЛЕКЦИЯ 6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

  РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ (4)……………………………………………..65

ЛЕКЦИЯ 7. ОСНОВНЫЕ СЛУЧАИ ТЕПЛООБМЕНА. 

  ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ (4)…………………………………………77

ЛЕКЦИЯ 8. ТЕПЛООБМЕН СОПРИКОСНОВЕНИЕМ (4)…………………….92 

ЛЕКЦИЯ 9. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ (4)……………………………….109

ЛЕКЦИЯ 10.  ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ……………………………...126

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………….134

ЛЕКЦИЯ 1.  ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ГАЗОВ

План.

1. Предмет и метод термодинамики.

2. Термодинамическая система и рабочее тело.

3. Параметры состояния рабочего тела.

Литература:

1. Теплотехника / , , и др. - М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Теплотехника / , , и др.- М.: Высш. школа,1981.- 480 с.

3. , , и др. Теплотехника - К.: "Вища школа", Головное изд - во, 1976.- 517 с.

4. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. Пособие для вузов.- 3-е изд.- М.: Высшая школа, 1980.- 469 с.

5. Основы массопередачи. Учеб. пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1972.- 494 с.

Современная термодинамика рассматривает, происходящие в природе процессы с точки зрения трансформации различных видов энергии в тепловую, хотя исторически термодинамика возникла и развивалась как наука о тепловом двигателе и в силу этого ин­тересы ее долгое время ограничивались проблемой преобразования тепловой  энергии  в механическую работу.

Базой современной термодинамики является вся совокупность экспериментальных данных, накопленных человеком в процессе изучения им природы, которые дают возможность в ряде случаев, не вникая в рассмотрение механизма явления, ответить на вопрос о том, как протекает тот или иной интересующий нас процесс. К таким общеизвестным и незыблемым фактам, всеобщим законам природы и относятся:

1.  Закон сохранения  и превращения  энергии - первый закон (начало)  термодинамики.

2.  Закон, определяющий направление протекания термодинами­ческого  процесса - второй  закон  (начало), или  второй принцип термодинамики.

3  Принцип недостижимости абсолютного нуля - третий за­кон, или третье начало, термодинамики  (принцип  Нернста).

Выводы, даваемые термодинамикой, безупречны постольку, поскольку безупречными и достоверными являются основные положения, сформулированные в трех приведенных выше законах.

Исторически на протяжении длительного времени в естество­знании господствовала теория флогистона (теплорода), по пред­ставлению которой теплота изображалась невесомой и неуничто­жаемой  жидкостью

Свое название термодинамика получила от двух греческих слов, означающих тепло и сила, так как на на­чальной стадии своего развития вопросы, охватываемые термоди­намикой, ограничивались взаимодействием теплоты и механиче­ской работы. Постепенно идеи термодинамики проникали и в дру­гие области знания, поэтому современная термодинамика изучает количественные и качественные связи в процессах преобразова­ния  различных  энергий.

1. 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 осуществля­ют расчет и проектирование всех тепло­вых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

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

Физические свойства макроскопиче­ских систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Стати­стический метод основан на использова­нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред­ставляет собой содержание статистиче­ской физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред­ставлений о структуре вещества и явля­ется феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — яв­ления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина­мического метода мы будем для нагляд­ности использовать молекулярно - кинетические представления о структуре ве­щества.

2. Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокуп­ность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодей­ствиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»). Выбор системы произволен и дикту­ется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окру­жающей средой. Систему отделя­ют от окружающей среды контроль­ной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей систе­мы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окру­жающий воздух, а контрольными повер­хностями служат стенки цилиндра и по­ршень.

Механическое и тепловое взаимодей­ствия термодинамической системы осу­ществляются через контрольные повер­хности. При механическом взаимодейст­вии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также элек­трические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет со­вершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодина­мики, но нами в дальнейшем рассматри­ваться не будут). В нашем примере ме­ханическая работа производится при пе­ремещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимо­действие заключается в переходе тепло­ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

В самом общем случае система мо­жет обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Пото­ки газа или пара в турбинах и трубопро­водах - примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальнейшем, если это специально оговаривается, мы будем рассматри­вать закрытые системы.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиа­батной. Примером адиабатной систе­мы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп­ловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляци­онную оболочку называют адиабатной.

Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве­ществом, называется изолирован­ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен­него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Молекулярное строение вещества предполагает наличие сил сцепления (притяжения и отталкивания) между непрерывно дви­жущимися молекулами. В твердом теле расстояния между моле­кулами весьма малы, а силы сцепления настолько значительны, что движения молекул крайне ограниченны и поэтому объем его остается практически неизменным. Для изменения формы твердого тела требуется приложить значительные усилия, намного превос­ходящие  силы  сцепления  молекул.

В жидкостях расстояния между молекулами значительны и силы сцепления слабее, нежели в твердом теле, поэтому жидкость, обладая текучестью, способна принять любую форму в зависимо­сти от геометрии сосуда, в котором она содержится. Однако силы сцепления молекул в жидкости все же настолько значительны, что объем ее практически остается неизменным, что и обусловли­вает несжимаемость жидкостей. Что же касается газов (паров), то силы сцепления молекул в них ничтожно малы настолько, что газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объема. Как известно, газ занимает любой предоставленный ему объем и любую форму сосуда, в котором он помещен.

Здесь уместно ввести понятие об идеальном газе, молекулы которого обладают ничтожно малыми объемами, лишены сил сцеп­ления и непрерывно совершают хаотические движения. Очень многие реальные газы (например, водород, гелий, кислород, азот, воздух и многие другие), имеющие важное значение в технике, при обычных условиях настолько удалены от состояния жидкости, что к ним можно применять законы идеальных газов.