Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

В. В. Слесаренко

И. Э. Фёдоров

ТЕПЛОТЕХНИКА

[Краткий курс]

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)


В.В. Слесаренко, И.Э. Фёдоров

Теплотехника

[Краткий курс]
Учебное пособие

Рекомендовано Дальневосточным региональным

учебно-методическим центром в качестве

учебного пособия для студентов неэнергетических

специальностей вузов региона

Владивосток

2 007

УДК

Т 34

Слесаренко В.В., Фёдоров И.Э. Теплотехника [Краткий курс]: Учеб. пособие.– Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 210 с.
В книге рассмотрены основные положения технической термодинамики, теории теплообмена и основы расчёта теплотехнических установок.

Учебное пособие предназначено для студентов неэнергетических специальностей вузов.
Рецензенты: В.Н. Савченко, д-р физ.-мат. наук, профессор ДВГАЭУ;

А.А. Юдаков, д-р техн. наук, директор института Химии

ДВО РАН.

ISBN 5-7596-0421-X © В.В. Слесаренко, И.Э. Фёдоров, 2007

© Изд-во ДВГТУ, 2007
Введение
Очевидно, что использование теплоты лежит в основе современных технологий во многих сферах человеческой деятельности. Теплота – это великий дар природы и естественно желание научится разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты. Термодинамика и учение о тепломассообмене – науки, которые изучают эти закономерности.

Теплотехника как наука сформировалась в XIX в. в эпоху промышленно-технической революции, которая была обусловлена массовым использованием качественно нового источника энергии – тепловых двигателей.

Теплотехника – общетехническая фундаментальная дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования тепловой энергии, а также принцип действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, трансформатров теплоты, тепловых машин, аппаратов и устройств.

---

Теплотехнику как дисциплину можно условно разделить на три части:

1. ТЕХНИЧЕСКУЮ ТЕРМОДИНАМИКУ, рассматривающую основные законы взаимного превращения тепловой энергии и механической работы в тепловых машинах.

2. ТЕПЛОМАССООБМЕН, изучающий основные законы передачи теплоты в реальных физических условиях в различных теплотехнических устройствах.

3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ, в которых рассматривается устройство и принцип действия различных тепловых двигателей, холодильных машин, теплоэнергетических установок и агрегатов, действие которых связано с получением, преобразованием или использованием тепловой энергии.

Первые два раздела являются базой для успешного изучения теплотехнических характеристик и принципиальных особенностей работы основных видов тепловых двигателей, машин и аппаратов различного назначения, в которых определяющими являются тепловые процессы. Изучение третьего раздела основано на индивидуальном подходе к каждому типу теплотехнических машин и аппаратов и требует более детального рассмотрения их конструкции и технологических процессов, связанных с использованием и передачей тепловой энергии.

Необходимость изучения теоретических основ теплотехники может быть сконцентрирована в следующих тезисах:

1. Теплотехнические устройства повсеместно распространены как в технике, так и в быту.

2. С каждым годом увеличивается насыщенность предприятий всех отраслей промышленности теплотехническими аппаратами и приборами.

3. Все инженерные специальности в процессе работы на предприятиях непосредственно соприкасаются с эксплуатацией, ремонтом, изготовлением или расчетами теплотехнических устройств различного назначения.

4. Необходимый общеобразовательный уровень современного специалиста не может считаться достаточным без наличия определенных знаний по основам теплотехники.

ЧАСТЬ I. Техническая термодинамика
Техническая термодинамика изучает закономерности превращения тепловой энергии в другие виды энергии

---

, оценивает взаимодействие различных видов энергии, исследует основные термодинамические процессы с учетом изменения термодинамических параметров. Поэтому термодинамика является (вместе с теорией тепломассообмена) теоретическим фундаментом теплотехники.

---

Глава 1. Термодинамическая система

1.1. Основные понятия о термодинамической системе
Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающей средой.

Термодинамическая система может быть:

а) открытой, то есть обеспечивающей обмен с внешней средой веществом и энергией;

б) теплоизолированной (адиабатной) – без обмена с внешней средой тепловой энергией;

в) изолированной (замкнутой) – не обменивающейся с окружающей средой энергией и веществом.

Термодинамическая система может представлять из себя природный объект, исследуемый человеком или быть им искусственно создана. В последнем случае чаще всего в термодинамической системе обеспечивается превращение тепловой энергии Q в механическую энергию (работу) - L.

Трансформация тепловой энергии в работу всегда связана с изменением внутренней энергии вещества U, так как этот процесс является результатом определенного взаимодействия между собой микроструктурных частиц (атомов, молекул вещества).

Если внутренняя энергия характеризует потенциал системы, то тепловая энергия и работа проявляют себя только в процессах взаимного превращения. Модель простейшей термодинамической системы представлена на рис. 1.1. Она включает источник теплоты, обладающий высокой температурой, теплоприемник с более низкой температурой (обычно в качестве теплоприемника используется окружающая среда) и рабочее тело.


Рис. 1.1. Термодинамическая система
Рабочее тело – это вещество, с помощью которого осуществляется процесс преобразования тепловой энергии в механическую энергию или наоборот.

Рабочее тело в термодинамической системе может находиться в состоянии равновесия или изменять свое состояние. Последовательность изменения состояний рабочего тела называется термодинамическим процессом.

Наиболее часто в качестве рабочего тела выступают газы или пары различных жидкостей.

При рассмотрении термодинамической системы учитываются потоки энергии в виде теплоты Q и работы L, а также изменение внутренней энергии рабочего тела U.
1.2. Параметры состояния рабочего тела

---

Свойства термодинамической системы в основном зависят от вида рабочего тела и характеризуются рядом величин, которые принято называть параметрами состояния рабочего тела. Используя параметры состояния можно производить анализ процессов взаимного превращения тепловой энергии и работы. Такие процессы, при которых изменяются параметры состояния и другие характеристики рабочего тела называют термодинамическими процессами.

В технической термодинамике рассматриваются равновесные состояния рабочего тела, при котором параметры состояния по всему объему имеют одинаковое значение и неравновесные состояния, при которых такое равенство отсутствует.

Можно выделить три основных параметра состояния, величина которых измеряется приборами: Т – температура, Р – давление, V – объем рабочего тела. Все перечисленные параметры по своей сути являются обобщениями определенных взаимодействий микрочастиц вещества с телами термодинамической системы, поэтому эти параметры состояния связаны между собой. Изменение одного параметра обычно приводит к увеличению или уменьшению других.

Однако изменение температуры, давления и объема не может достаточно полно характеризовать энергетические процессы, происходящие в рабочем теле. Для этого используются такие дополнительные параметры состояния как внутренняя энергия U, энтальпия Н и энтропия S.

Величина внутренней энергии как параметр состояния позволяет оценить энергетический потенциал рабочего тела, которым обладают его атомы и молекулы.

Энтальпия Н, измеряемая в тех же единицах что и энергия, характеризует полную энергию термодинамической системы, проявляющуюся при ее взаимодействии с окружающей средой без учета теплового воздействия

.

Энтропия S применяется в термодинамических расчетах, если необходимо оценить тепловое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой

.

Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия не могут быть измерены и определяются для каждого состояния рабочего тела только расчетными методами.
1.3. Уравнение состояния рабочего тела
Для замкнутой (равновесной) термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния рабочего тела.

---