Каримов З.Ф., Павлов Е.П. Теоретические основы теплотехники. Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

2.5. Практический блок

2.5.1. Практические занятия

2.5.1.1. Практические занятия (очно – заочная форма обучения)

Номер и название раз-

дела (темы)

Наименование тем

практических занятий

Количество часов

1.1. Термодинамика иде-

ального газа

Определение параметров

смеси идеальных газов

2.4. Термодинамика га-

зового потока

Расчет параметров газо-

вого потока и размеров

сопла Лаваля

3.2. Циклы двигателей

внутреннего сгорания

Определение параметров

и показателей цикла

ДВС

4.2. Циклы ПТУ с про-

межуточным перегревом

и регенеративным отбо-

ром пара

Определение параметров

цикла и показателей

ПТУ с промежуточным

перегревом пара

4.3. Циклы парогазовой и

атомной установок

Расчет параметров цикла

и показателей парогазо-

вой установки

5.1. Циклы воздушной и

парокомпрессорной хо-

лодильной установки

Определение параметров

цикла показателей холо-

дильной установки

2.5.1.2. Практические занятия (заочная форма обучения)

Номер и название раз-

дела (тема)

Наименование тем

практических занятий

Количество часов

1.1. Термодинамика

идеальных газов

Определение параметров

смеси идеальных газов

4.2. Циклы ПТУ с про-

межуточным перегревом

и регенеративным отбо-

ром пара

Определение параметров

цикла и показателей

ПТУ с промежуточным

перегревом пара

2.5.2. Лабораторный практикум

2.5.2.1. Лабораторные работы (очно – заочная форма обучения)

Номер и название раз-

дела (темы)

Наименование лабора-

торной работы

Количество часов

1.1. Термодинамика

идеального газов

№ 1. Определение тепло-

емкости воздуха мето-

дом протока (при р =

const)

1.1. Термодинамика

идеального газов

№ 2. Проверка темпера-

турной школы Кельвина

1.2. Первый закон тер-

модинамики

№ 3. Определение пока-

зателя адиабаты воздуха

(

k =

)

2.5. Расчет процессов

дросселирования

№ 4. Исследование про-

цесса дросселирования

воздуха (эффект Джоуля

- Томсона)

4.2. Циклы ПТУ с про-

межуточным перегревом

и регенеративным отбо-

ром пара

№ 5. Исследование рабо-

ты ПТУ по циклу Ренки-

на и регенеративному

циклу

2.5.2.2. Лабораторные работы (заочная форма обучения)

Номер и название разде-

ла (темы)

Наименование лабора-

торной работы

Количество часов

1.1. Термодинамика иде-

ального газов

№ 1. Определение тепло-

емкости воздуха методом

протока (при р = const)

1.2. Первый закон термо-

динамики

№ 3. Определение показа-

теля адиабаты воздуха

k =

2.5. Расчет процессов

дросселирования

№ 4. Исследование про-

цесса дросселирования

воздуха (эффект Джоуля-

Томсона)

2.6. Балльно-рейтинговая система по дисциплине «Термодинамика»

Дисциплина «Термодинамика» состоит из двух частей. Первая часть дис-

циплины изучается в пятом семестре и завершается сдачей зачета. Первая часть

курса содержит два раздела и восемь тем, при изучении которых следует вы-

полнить четыре лабораторных работы и две контрольные работы по четыре за-

дачи в каждой. После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы

для самопроверки, а после завершения работы с разделом – на вопросы кон-

трольного теста. Для подготовки к контрольному тесту предлагается пройти

тренировочные тесты, их номера указаны в тематических планах.

За каждый вид самостоятельных работ начисляется определенное число баллов:

- за правильно выполненную лабораторную работу – 5 баллов;

- за правильно выполненные задания по контрольной работе в т.ч.:

за каждую задачу по первой работе – 5 баллов и за каждую задачу по второй

работе – 10 баллов;

- за каждый правильный ответ контрольного теста – 2 балла;

- за выполнение творческой (научной) задачи – 10 баллов.

Таким образом при успешной работе с материалами первой части дисциплины

«Техническая термодинамика» студент может получить максимальное количе-

ство баллов:

по очно – заочной форме обучения – тесты (2

20 = 40) + лабораторные рабо-

ты (5

×4 = 20) + контрольные работы

(

)

(

[

]

)

60445 10 творческая (науч-

ная) задача – 10 баллов = 130 баллов;

по заочной форме обучения – тесты (2

20 = 40) + лабораторные работы

×3 = 15) + контрольной работы

(

)

(

[

]

)

6044510 творческая (научная)

задача – 10 = 125 баллов.

Для получения зачета по первой части дисциплины в пятом семестре достаточ-

но набрать более двух третей от максимальной суммы баллов – по очно - заоч-

ной форме обучения – 90 баллов и по заочной форме обучения – 80 баллов.

Изучение второй части дисциплины осуществляется в шестом семестре и за-

вершается сдачей экзамена. Вторая часть дисциплины содержит четыре раздела

и двенадцать тем, при изучении которых следует выполнить одну лаборатор-

ную и одну контрольную работу (четыре задачи). После изучения каждой темы

необходимо ответить на вопросы для самопроверки, а после завершения работы

с разделом – на вопросы тренировочного и контрольного тестов.

За каждый вид самостоятельной работы начисляется следующее число баллов:

- за правильно выполненную лабораторную работу – 5 баллов;

- за каждую правильно выполненную задачу контрольной работы – 10 баллов;

- за каждый правильный ответ контрольного теста – 2 балла;

- за выполнение творческой (научной) задачи – 10 баллов.

При успешной работе с материалами второй части дисциплины студент может

получить максимальное количество баллов:

по очно – заочной форме обучения – тесты (2

40 = 80) + лабораторная рабо-

та (5

1 = 5) + контрольная работа (10

4 = 40) + творческая (научная) задача

(20) = 145 баллов;

по заочной форме обучения – тесты (2

40 = 80) + контрольная работа

(10

4 = 40) + творческая (научная) задача (20) = 140 баллов.

Для получения допуска к экзамену нужно набрать более двух третей от этой

суммы, т.е. более 95 баллов.

3.ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной:

1. Кириллин, В.А., Техническая термодинамика/ В.А.Кириллин, В.В.Сычев,

А.Е. Шейндлин - М.: Наука, 1979, 1983.

2.Сборник задач по технической термодинамике / Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзам-

пов, В.Н. Зубарев и др. - М.: Изд. МЭИ, 2000.

3. Мурзаков, В.В. Основы технической термодинамики/ В.В

. Мурзаков, - М.:

Энергия, 1973.

4. Ривкин, С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водя-

ного пара. Справочник. – М.: Энергия, 1984.

Дополнительный:

5. Техническая термодинамика / под ред. В.И. Крутова. - М.: Высш. школа,

1991.

6. Анисимова, Т.М. Общая теплотехника / Т.М. Анисимова, Н.В. Потапова, по-

собие по решению задач. - Л.: СЗПИ, 1973.

7. H, s - диаграмма для водяного пара [Текст] (по справочнику

А.А. Александрова, Б.А. Григорьева «Таблицы теплофизических свойств воды

и водяного пара».-М., 1999). – Иваново [б. и.], 2003.-1 с. – [Диаграммы H, s для

водяного пара].

8. Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева,

Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. – 214 с.

9. Чертов, А.Г. Физические величины – М.: Высш. школа, 1990. – 336с.

10. Дан, П.Д. Тепловые трубы / пер. с англ. П.Д. Дан, Д.А. Рей: -М.: Энергия,

1979. - 272с.

11. Васильев, Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах/под ред. Р.И. Солоухи-

на. - М.: Наука и техника, 1981.-143 с.

3.2. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕРМОДИНАМИКА»

Введение

Термодинамика – раздел естествознания, изучающий процессы взаимного

превращения различных видов энергии в явлениях, которые происходят в ок-

ружающем нас мире. Термодинамика рассматривает процессы превращения те-

пловой и механической форм энергии в технических и технологических уст-

ройствах, действия которых связаны с использованием теплоты.

Термодинамика является теоретической основой теплоэнергетики, исполь-

зуются при разработке новых и совершенствовании существующих теплоэнер-

гетических установок и тепловых двигателей, а также при создании высокоэф-

фективных технологий, обеспечивающих экономное расходование топливно-

энергетических ресурсов.

Структура дисциплины, ее разбивка на модули и темы представлены на

структурно-логической схеме.

Рекомендуется следующий порядок учебной работы для студентов очно-

заочной и заочной форм обучения:

• ознакомиться с содержанием и основными положениями раздела по

опорному конспекту;

• изучить теоретический материал раздела по учебным пособиям [1, 3]

(ссылки на страницы этих источников приводятся в программе), а также по

другим источникам информации (ссылки по тексту);

• ответить на контрольные вопросы по разделу;

• пройти тестирование по разделу;

• выполнить контрольную работу по данному разделу;

• перейти к следующему разделу;

• пройти лабораторный практикум по курсу;

• представить контрольные работы для проверки;

• сдать зачет или экзамен.

Раздел 1. Основные законы термодинамики

Раздел содержит три темы, три лабораторные и одну контрольную работы

(задачи № 1,2,3,4), вопросы для самопроверки и контрольный тест из десяти

вопросов (№ 1). Максимально возможное число баллов по этому разделу соста-

вит 55 баллов для очно-заочной и заочной формам обучения.

1.1. Термодинамика идеального газа

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоян-

ная. Удельная газовая постоянная. Нормальные физические условия. Молеку-

лярно – кинетическая теория теплоемкости. Элементы квантовой теории тепло-

емкости. Истинная и средняя теплоемкости. Свойства теплоемкостей идеально-

го газа. Связь между изохорной и изобарной теплоемкостями идеального газа

(закон Майера). Эмпирические формулы для теплоемкостей идеального газа.

Таблицы значений истинной и средней теплоемкостей идеального газа.

Cмеси идеальных газов. Закон Дальтона. Теплоемкость газовых смесей.

По теме выполняются практические занятия (№ 1), две лабораторные ра-

боты (№ 1,2), контрольная работа (задачи № 1,2,3). После изучения теоретиче-

ского материала следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме.

Ответы можно найти в учебниках [1,3].

Основные понятия и определения термодинамики.

Прежде чем приступить к подробному изучению курса технической тер-

модинамики следует ознакомиться с основными понятиями и определениями

данной дисциплины.

1. Термодинамической системой (ТДС) называется совокупность тел,

выделенная из окружающей среды (ОС) воображаемой или реальной поверхно-

стью, через которую между ТДС и ОС может осуществляться обмен энергией

и веществом

QΔ

Δ .

Известны три категории ТДС:

а) при условиях , 0≠ΔQ 0

≠

- ТДС называется открытой;

б) при , 0≠ΔQ 0=Δ

- ТДС – закрытая;

в) при , 0=ΔQ 0=Δ

- ТДС изолирования.

2. В термодинамике простейшую ТДС называют рабочим телом (РТ).

Рабочее тело является необходимым посредником, способным воспринимать

теплоту (холод) и совершать работу. В свою очередь РТ делится на две катего-

рии:

а) Идеальный газ – это материя, объемами микрочастиц которой и их

взаимодействием между собой можно пренебречь (примеры: низкомолекуляр-

ные газы – водород, кислород, воздух, перегретый водяной пар и др.).

б) Реальные газы – это материя, микрочастицы которой обладают конеч-

ными объемами и между собой дистанционно взаимодействуют (пример – вы-

сокомолекулярные углеводороды и др.).

3. Термодинамическое состояние ТДС, которое характеризуется всеми

свойствами системы. Вообще состояние ТДС определяется ограниченным чис-

лом величин, называемых параметрами состояния. В газах и жидкостях при от-

сутствии химических реакций параметрами состояния являются:

температура – Т, К; давление – р, Па; удельный объем – v,

кг

Температура – это мера интенсивности беспорядочного теплового дви-

жения молекул. Абсолютная температура

Т связана со средней скоростью мо-

лекул

w соотношением

kTmw

где k = 1,381·10

-23

– постоянная Больцмана, m – масса молекулы. Единица

измерения абсолютной температуры – Кельвин (К). Ноль шкалы Кельвина со-

ответствует полному покою молекул. Практически широко применяется шкала

Цельсия. Градус Цельсия равен градусу Кельвина; 0°С соответствует 273,15 К.

Давление p – это сила, действующая со стороны газа или жидкости на

единицу площади стенки по нормали к ней. Давление измеряется в паскалях

Па, 1 Па = 1

. 1 килопаскаль равен 10

Па, 1 мегапаскаль – это 10

Па.

Среднее атмосферное давление

=1,013·10

Па≈0,1 МПа. Устаревшая единица

давления – техническая атмосфера (ат). 1 ат = 0,98·10

Па≈0,1 МПа. Парамет-

ром состояния является полное (абсолютное) давление. Манометром измеряет-

ся давление, избыточное над атмосферным,

изб

= р – р

Удельный объем v – это объем единицы массы рабочего тела (вещества).

Если объем газа

V и масса m, то v=

кг

. Удельный объем связан с плотно-

стью газа

соотношением v =

Нормальные термодинамические параметры воздуха:

= 273,15 К; р

= 101,3·10

кПа; v

= 0,770

кг

4. Под термодинамическим процессом понимается совокупность после-

довательных состояний, через которую проходит ТДС при её взаимодействии с

окружающей средой. Состояние ТДС может быть равновесным и неравновес-

ным. Равновесным называется такое состояние ТДС, при котором во всех точ-

ках её объема все параметры состояния и физические свойства одинаковы. В

противном случае ТДС называют неравновесным.

Все процессы, проходящие в ТДС, подразделяются на равновесные и не-

равновесные. Равновесными называются такие процессы, когда ТДС в ходе

процесса проходит ряд последовательных равновесных состояний. Эти процес-

сы протекают настолько медленно, что в каждый момент времени устанавлива-

ется равновесие.

Неравновесными называются такие процессы, при протекании которых

ТДС не находится в состоянии равновесия.

Наряду с понятиями равновесности и неравновесности в термодинамике

используют понятия обратимости и необратимости. Обратимость процесса со-

стоит в том, что он может протекать и в прямом (например, расширение) и об-

ратном (сжатие) направлениях так, что при этом и окружающая среда и ТДС

проходят одни и те же состояния. Обратимый процесс в обратном направлении

восстанавливает первоначальное состояние ТДС и ОС.

Необратимый процесс в прямом направлении проходит через одни состоя-

ния, в обратном – через другие, и в обратном направлении не восстанавливает

первоначальное состояние ТДС и ОС. Чем медленнее развиваются процессы,

тем меньше влияние необратимости. Процесс может быть обратимым при ус-

ловии, если его время осуществления стремится к бесконечности.

Все реальные процессы, протекающие в природе, являются неравновесны-

ми. По этой причине эти процессы лишь с той или иной степенью точности мо-

гут описываться закономерностями, справедливыми для равновесных процес-

сов.

В термодинамике в первую очередь рассматриваются равновесные процес-

сы и равновесные состояния, которые могут быть количественно описаны соот-

ветствующими уравнениями термодинамики.

5. Внутренняя энергия U – это энергия, заключенная в рассматриваемой

ТДС, которая представляет собой сумму кинетической энергии хаотичного

движения микрочастиц системы. Внутренняя энергия является функцией пара-

метров состояния, т.е. её изменение не зависит от формы пути процесса, а оп-

ределяется лишь её значениями в конечном и начальном состояниях, т.е.

UUU

−

Обозначив массу рассматриваемой ТДС через

m (кг) и поделив внутрен-

нюю энергию системы

U на её массу, можно получить выражение для энергии,

приходящейся на единицу массы, которая называется удельной внутренней

энергией

u =

6. Теплота и работа. Обмен энергией между ТДС и ОС может осуществ-

ляться в двух различных формах – в форме теплоты и в форме механической

работы.

Теплота представляет собой микроскопическую форму обмена энергией

между ТДС и ОС. В этом случае обмен происходит без изменения формы и

объема ТДС, при этом меняются лишь значения давления и температуры в сис-

теме. Пример – подвод теплоты

извне (например – пламенем паяльной

лампы) в газ, находящийся в замкнутой металлической емкости. В этом случае

по мере подвода теплоты наблюдается рост температуры и давление газа, сле-

довательно, происходит увеличение внутренней энергии газа

U при неизмен-

ном объеме. Таким образом, в данном примере осуществляется обмен энергией

между окружающей средой (паяльной лампой) и газом, находящимся внутри

емкости.

Механическая работа – это макроскопическая форма обмена энергией

между ТДС и ОС. В этом процессе происходит изменение значений всех пара-

метров состояния. В результате изменения (расширения) объема ТДС соверша-

ется механическая работа по преодолению сопротивления окружающей среды.

Из механики известно, что работа равна произведению силы на пройденный

путь в направлении действия данной силы. Величина этой работы пропорцио-

нальна давлению газа р и приращению объема

при расширении. Пример –

нагрев извне газа (например, пламенем той же паяльной лампы), находящегося

в вертикальном цилиндре с подвижным поршнем. В этом случае подвод тепло-

ты из ОС обусловливает рост температуры и давления газа внутри емкости (в

ТДС), что сопровождается подъемом поршня вверх в результате расширения

газа. При этом совершается механическая работа по преодолению силы тяжести

поршня. Обозначив эту работу через

, её можно выразить в виде следующей

зависимости

Δ = F·

h, где F=p·f - сила давления газа на поршень, f - площадь

поперечного сечения поршня,

Δh-высота подъема поршня в результате рас-

ширения газа. Учитывая, что

f·

V - приращение объема газа внутри ци-

линдра, выражение для работы можно представить в виде

Производя предельный переход в последнем выражении, его можно пред-

ставить в дифференциальной форме

Это уравнение выражает элементарную термодинамическую работу рас-

ширения ТДС. Соответствующую удельную работу, т.е. отнесенную к 1 кг газа,

можно представить уравнением

⇒=

⋅

. (1.1)

7. Функцией состояния ТДС

называется такая физическая характеристика

системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в дру-

гое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического

процесса и определяется значениями параметров начального и конечного со-

стояния.

(Как было отмечено выше, теплота

Q и работа L представляют собой раз-

личные формы обмена внутренней энергией между ТДС и ОС. Для этих двух

функций их бесконечно малое приращение в термодинамике принято обозна-

чать оператором «

δ», в отличие от дифференциала функций состояния, кото-

рые обозначаются оператором «

d»).

Функциями состояния являются, прежде всего, известные нам параметры

состояния

р, v, T и внутренняя энергия U. Рассмотрим еще несколько функций

состояния, имеющих широкое распространение.

8. Энтальпия. Наряду с внутренней энергией U в термодинамике важную

роль играет величина, называемая энтальпией