- •Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
- •Научный редактор
- •Введение техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики
- •1. Общие определения и понятия
- •1.1. Термодинамическая система
- •1.2. Термодинамические параметры состояния
- •Основные термические параметры состояния
- •Удельный объем
- •Давление
- •Соотношения единиц измерения давления
- •Температура
- •1.3. Основные понятия, характеризующие термодинамическую систему
- •1.3.1. Равновесные и неравновесные состояния
- •Термодинамических тел и систем
- •1.3.2. Уравнение состояния термодинамической системы
- •1.3.3. Термические коэффициенты
- •1.3.4. Термодинамический процесс
- •2. Первый закон термодинамики для закрытой системы
- •2.1. Работа изменения объема
- •2.2. Теплота, теплоемкость, энтропия
- •2.3. Внутренняя энергия
- •2.4. Первый закон термодинамики для закрытой системы
- •2.4.1. Аналитические выражения первого закона термодинамики.
- •2.4.2. Энтальпия
- •3. Газы и газовые смеси
- •3.1. Законы идеальных газов
- •3.1.1. Внутренняя энергия идеального газа
- •3.1.2. Теплоемкости газов
- •Удельные теплоемкости
- •Теплоемкости процессов
- •Теплоемкости идеальных газов
- •Теплоемкость реальных газов
- •Отношение изобарной и изохорной теплоемкостей
- •3.1.3. Энтальпия идеальных газов
- •3.1.4. Энтропия идеальных газов
- •3.2. Газовые смеси
- •Основные характеристики смеси газов
- •Теплоемкости газовых смесей
- •4. Газовые процессы
- •4.1. Политропные процессы
- •4.2. Частные случаи политропных процессов
- •Уравнения процессов, расчетные выражения их теплоты, работы, изменения внутренней энерги, энтальпии и энтропи
- •4.3. Изображение политропных процессов в р,V и t,s- диаграммах Политропа в р,V- диаграмме
- •Политропа в t,s- диаграмме
- •4.4. Установление показателя политропы по опытным данным
- •4.5. Качественный и количественный анализ политропных процессов в р,V- и t,s- диаграммах
- •4.6. Определение термодинамических свойств идеальных газов с учетом влияния температуры на их изобарную и изохорную теплоемкости
- •Определение энергетических параметров идеальных газов с учетом влияния температуры на cp и cv
- •5. Реальные газы и пары
- •5.1. Термические свойства реальных газов
- •5.2. Уравнения состояния реальных газов. Энергетические свойства реальных газов
- •6. Термодинамические свойства воды и водяного пара
- •6.1. Фазовые состояния и превращения воды
- •6.2. Фазовые диаграммы р,t-, р,V- и t,s для н2о
- •6.3. Жидкость на линии фазового перехода
- •6.4. Сухой насыщенный пар
- •6.5. Влажный насыщенный пар
- •6.6. Перегретый пар
- •6.7. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара
- •6.8. Диаграмма t,s для воды и водяного пара
- •6.9. Диаграмма h,s для воды и водяного пара
- •6.10. Основные процессы изменения состояния водяного пара
- •Адиабатный процесс
- •Изохорный процесс
- •Изобарный процесс
- •Изотермический процесс
- •7. Влажный воздух
- •7.1. Основные характеристики влажного воздуха
- •7.2. Характеристики атмосферного влажного воздуха
- •Психрометр
- •Область ненасыщенного влажного воздуха
- •Область перенасыщенного влажного воздуха
- •Изображение в h,d- диаграмме изотерм меньше 0 оС и особенности характеристик влажного воздуха при отрицательных температурах
- •Пример пользования h,d- диаграммой
- •Изображение процессов влажного воздуха в h,d- диаграмме
- •8. Второй закон термодинамики
- •8.1. Замкнутые процессы (циклы)
- •8.1.1. Коэффициенты, характеризующие тепловую экономичность обратимых циклов
- •8.1.2. Цикл Карно
- •8.1.3. Обратный цикл Карно
- •8.1.4. Регенеративный (обобщенный) цикл Карно
- •8.1.5. Теорема Карно
- •8.1.6. Термодинамическая шкала температур.
- •8.2. Энтропия реальных тел и ее изменение в необратимых
- •8.3. Изменение энтропии изолированной системы
- •8.3.1. Изменение энтропии изолированной системы
- •8.3.2. Изменение энтропии изолированной системы
- •8.3.3. Принцип возрастания энтропии изолированной системы
- •8.4. Получение работы в изолированной системе. Эксергия в объеме и ее потери
- •8.4.1. Эксергия в объеме
- •8.4.2. Практическое значение эксергии
- •8.4.2.1. Определение эксергии источников работы, имеющих
- •8.4.2.2. Определение влияния необратимости на полезную работу в изолированной системе
- •Необратимый теплообмен
- •Необратимость, обусловленная преобразованием работы в теплоту путем трения
- •Необратимость при расширении газа в вакуум
- •Необратимость при диффузионном смешении газов с одинаковыми температурами и давлениями
- •Изменение энтропии газов в этом процессе будет определяться выражением
- •Необратимое преобразование теплоты в работу при источнике работы с постоянной температурой
- •Необратимое преобразование теплоты в работу при источнике работы с конечной теплоемкостью
- •Методы оценки тепловой экономичности реальных циклов тепловых машин
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •1.3.2. Уравнение состояния термодинамической системы……...……. 15
- •1.3.3. Термические коэффициенты……………………………………….. 17
- •Чухин Иван Михайлович
- •Часть 1
- •153003, Г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34.
- •153025, Г. Иваново, ул. Дзержинского, 39.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
И.М. ЧУХИН
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Часть 1
Учебное пособие
Иваново 2006
УДК 621.1.016.7
Ч 96
Чухин И.М. Техническая термодинамика. Часть 1 / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2006. 224 с.
ISBN
Излагаются главные положения и понятия технической термодинамики для закрытой термодинамической системы. Рассматриваются термодинамические свойства и процессы реальных и идеальных газов. Подробно рассмотрены термодинамические свойства и процессы воды и водяного пара в различных фазовых состояниях с графическими иллюстрациями в P,t-, P,v-, T,s-, h,s- диаграммах. Приведены материалы по термодинамическим свойствам и процессам влажного воздуха со всеми возможными фазовыми состояниями воды в атмосферном воздухе и их наглядной иллюстрацией в P,t-, P,v- и H,d- диаграммах. Большое внимание уделено второму закону термодинамики и эксергетическому методу оценки необратимости реальных процессов.
Материал соответствует вузовской программе курса «Теоретические основы теплотехники». Пособие предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 140101, 140103, 140104, 140106, 220301, 140105 и 140404, теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов.
Табл. 1. Ил. 126. Библиогр.: 13 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
Научный редактор
кандидат технических наук Т.Е. СОЗИНОВА
Рецензенты:
профессор, доктор технических наук В.В. Бухмиров, (ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»);
кафедра теоретических основ теплотехники ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»
ISВN
© И.М. Чухин, 2006
Введение техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики
Термодинамика как наука сложилась во второй половине XIX века. Первоначально она создавалась для объяснения тепловых явлений и преобразований тепловой энергии в механическую в тепловых машинах, которые в это время широко внедрялись в жизнь человека. В настоящее время термодинамика является наукой о законах превращения форм энергии в физических, химических, биологических и других процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами и не только ими, то есть, в самом общем смысле это наука об энергии и ее свойствах [1, 2, 3, 4].
Важным свойством всех видов энергии является способность каждого из них переходить в любой другой вид энергии. Этот переход дает возможность количественно сравнивать друг с другом различные виды энергии, так как он происходит в строго определенном количественном соотношении. Переход энергии от одного материального тела к другому происходит при взаимодействии тел. Количественной мерой энергетического взаимодействия тел является работа. Это наиболее общий закон природы – закон сохранения и превращения энергии.
Термодинамика – феноменологическая наука, то есть она основана на наблюдениях человека и его практическом опыте. Термодинамика базируется на двух экспериментально установленных законах.
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии и превращения ее форм применительно к тепловым процессам. Установлен он в 40-х годах XIX столетия Г.Гессом, Р.Майером, Д.Джоулем, Г.Гельмгольцем, основные идеи его высказаны и М.В.Ломоносовым.
Второй закон термодинамики был установлен в 50-х годах XIX столетия Р.Клаузиусом и В.Томсоном на основе идей, высказанных в 1824 году Сади Карно. Этот закон отражает особенности только тепловых процессов, определяет направление их протекания в доступных для нашего наблюдения земных условиях. С помощью этого закона можно оценить возможность получения максимальной работы из теплоты и потери этой работы в реальных процессах, а соответственно и в реальных теплоэнергетических установках. Второй закон термодинамики имеет более ограниченную среду действия по сравнению с первым законом.
В начале ХХ столетия была установлена третья теорема термодинамики (теорема Нернста), важнейшим следствием которой является вывод о недостижимости абсолютного нуля температуры.
Обширная область человеческих знаний, охватываемая термодинамикой, привела к ее делению. В зависимости от области рассматриваемых явлений и целей исследования современная термодинамика делится на общую, химическую и техническую. В дальнейшем речь будет идти только о технической термодинамике.
Предметом изучения технической термодинамики являются тела и системы тел средней величины, доступные наблюдению в земных условиях. Эти тела рассматриваются на молекулярном уровне или выше, такие системы называются макросистемамами. Техническая термодинамика занимается энергетическими преобразованиями в макросистемах только двух видов энергии: тепловой и механической. Термодинамические методы недопустимо распространять на галактические и метагалактические системы и применять для объектов, состоящих из малого количества молекул.
Значение технической термодинамики для теплоэнергетики и промышленности всех отраслей народного хозяйства очевидно (рис.В.1). Вся современная энергетика базируется на преобразовании тепловой энергии, полученной в ядерном реакторе АЭС или в парогенераторе, в механическую, а затем в электрическую. Для этих преобразований используются специальные рабочие тела (газ, вода и т.д.), которые с помощью специального оборудования (турбины, насосы, подогреватели, конденсаторы и т.п.), совершая определенные процессы в этом оборудовании, осуществляют эти преобразования.
Несмотря на то, что основным источником энергии в наше время является электроэнергия, в промышленности и быту 70 % потребляемой энергии приходится на тепловую энергию, а все технологические процессы в промышленной и бытовой технике связаны с выделением или потреблением тепловой энергии.
Знание свойств рабочих тел, законов, по которым изменяются эти свойства в теплоэнергетическом, промышленном и бытовом оборудовании, пути экономичного получения электрической энергии из тепловой при меньших ее потерях – все это входит в предмет изучения технической термодинамики. Техническая термодинамика – теоретическая основа теплоэнергетики, как большой, так и малой, т.е. от промышленного до бытового уровня.