|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
МАТЕРИАЛЫ ТЕКУЩЕГО, ПРОМЕЖУТОЧНОГО ИСтр 1 из 14Следующая ⇒
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МИИТ) УТВЕРЖДАЮ: Директор института
ИТТОП ЕвсеевД.Г. « « 2010г. Кафедра Теплоэнергетика железнодорожного транспорта Автор Чернышов Виктор Николаевич
Учебно-методический комплекс по дисциплине Термодинамика и теплопередача Специальность 150700 «Локомотивы и локомотивное хозяйство»
Москва 2010г.
Автор-составитель: Чернышов Виктор Николаевич канд. техн. наук, доцент
Учебно-методический комплекс по дисциплине Термодинамика и теплопередача составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности «Локомотивы и локомотивное хозяйство». Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МИИТ)
СОГЛАСОВАНО: УТВЕРЖДАЮ: Выпускающая кафедра Локомотивы и локомотивное хозяйство Директор института Зав. кафедрой ____________ ИТТОП_______Евсеев Д.Г. «____»___________2010г. «______»__________2010г.
Кафедра Теплоэнергетика железнодорожного транспорта. Автор Чернышов Виктор Николаевич канд. техн. наук, доцент.
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Термодинамика и теплопередача»
Специальность : Локомотивы и локомотивное хозяйство.
Москва 2010г.
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Термодинамика и теплопередача дают студенту целостное представление о природе вещей, взаимном превращении одних форм энергии в другие. Студент должен знать основные законы термодинамики, иметь представление об основных понятиях термодинамики: рабочем теле, параметрах рабочего тела, а именно, давлении, удельном объёме, температуре, энтальпии и т.д. Знать основные соотношения термодинамических циклов. Овладеть способностью, анализировать циклы ДВС, компрессоров, холодильных машин. Иметь представление об основных законах передачи тепла (законы Фурье, Ньютона-Рихмана, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Иметь представление об основных законах теории подобия в области тепло- и массообмена. Уметь составить уравнение теплового баланса и теплопередачи для теплообменного устройства. Студент обязан пройти курс лабораторных работ с целью практического применения знаний полученных на лекциях (расчёты, построение графиков процессов, умение пользовать диаграммами состояния T-s; H-d) В результате изучения дисциплины специалист должен иметь представление о видах термодинамических процессов, способах переноса теплоты и массы, их закономерностях. Знать какие методы применить для увеличения теплоотдачи при охлаждении той или иной установки. Уметь использовать полученные знания в дальнейшем при изучении курсов специальных дисциплин. Приобрести навыки расчётов процессов теплопередачи различных теплообменных поверхностей. Владеть современными методами расчёта с помощью компьютерной техники, иметь навык работы с измерительной аппаратурой.
Объём дисциплины и виды учебной работы.
Таблица.
2. ТЕМАТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Определение энергии, её виды. Термодинамика и методы её исследования. Понятие о термодинамических системах. Понятие рабочего тела, виды и типы рабочих тел. Термодинамические параметры состояния. Внутренняя энергия, энтальпия. Определение понятий, физический смысл, единицы измерения, полный дифференциал. Энтропия: определение, единицы измерения, свойства. Энтропия как мера работоспособности, необратимости термодинамического процесса. Уравнение состояния для идеального и реального газов. Газовые постоянные, их физический смысл. Теплоёмкость, формула Майера. Виды термодинамических процессов. Формы передачи энергии (работа и теплота). Газовые смеси, влажный воздух как частный случай газовой смеси. Первый закон термодинамики. Уравнение закона в дифференциальной и интегральной формах. Первый закон для открытых термодинамических систем. Круговые циклы, термический к.п.д. и холодильный коэффициент. Прямой, обратный, обобщённый циклы Карно. Циклы ГТД, двигатели внутреннего сгорания. Превращение воды в пар. Цикл Ренкина. Дросселирование газов и паров, сопла и диффузоры. Компрессорные машины. Холодильные установки: газовые, парокомпрессионные, абсорбционные. Теплопроводность, конвекция, основы теории подобия. Лучистый теплообмен. Сложный теплообмен и теплопередача. Теплообменные аппараты. Распределение часов по темам и видам учебной работы.
Лабораторные работы.
Самостоятельная работа
Литература Основная: 1. Баскаков А.П., Берг Б.В., Вит О.К. и др. Теплотехника. М.: Энергоиздат, 1982г.-264 с. 2. Дрыжаков Е.В., Исаев С.И., Кожинов И.А. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 1981г.-439 с. 3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика, теплопередача. М.: Высшая школа. 1988г.-479 с. 4. Минаев Б.Н. Методические указания по дисциплине «Термодинамика и теплопередача». М.: МИИТ, 2000 г.
Дополнительная: 1. Минаев Б.Н., Мокриденко Г.П., Левенталь Л.Я. Теплоэнергетика железнодорожного транспорта: Справочно-методическое пособие/ Под общей ред. Б.Н. Минаева. –М.: МИИТ, 2006г.-345 с. 2. Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика: Учебное пособие для студ. Высш. Учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2005.-208с.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Используется компьютерное и мультимедийное оборудование, в качестве приборов и оборудования для проведения лабораторных работ применяются вновь установленные стенды, включающие в себя современные измерительные стенды.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ С туденты в день чтения очередной лекции прочитывают и анализируют предыдущую лекцию. Для усвоения курса они должны воспользоваться методическими материалами по курсу изданными преподавателями кафедры ТЖТ. Для контроля знаний в течении семестра проводится устный опрос в начале лекции. Списки учебной литературы приводятся выше. На семинарах во время практических занятий обсуждаются наиболее сложные вопросы текущего материала по просьбам студентов. Проводится вводный инструктаж по технике безопасности перед началом проведения лабораторных работ.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ (МАТЕРИАЛЫ) ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ Образцы лекций и курсовых проектов в комплекте документов по данному курсу. Методические комментарии заключаются в современном подходе к чтению лекций, т.е. использование аудивизуальной техники,
ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗАНИЙ СТУДЕНТОВ Экзаменационные билеты составлены и вложены в УМК.
ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЛЕКЦИЯ №1 ТЕРМОДИНАМИКА И ЕЁ МЕТОДЫ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств. Термодинамика (составная часть теплотехники) изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Известны различные виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, магнитная и др.Задачи исследований могут быть различными – это и термодинамика биосистем, техническая термодинамика и т.д. Нас интересует техническая термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий (вместе с теорией теплообмена) и потому являющаяся теоретическим фундаментом теплотехники. Без этого теоретического фундамента невозможно рассчитать и спроектировать тепловой двигатель Метод термодинамики является феноменологическим. Явление рассматривается в целом. Связь между макроскопическими параметрами, определяющими поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами. Термодинамическое состояние тела (например, газа) характеризуется его массой
В состоянии т.д.р. для каждого вещества термодинамические параметры связаны между собой так называемым уравнением состояния:
Таким уравнением состояния для идеального газа является уравнение Менделеева – Клапейрона:
Здесь R=8, 31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса. Для углерода (С) величина μ составляет 12г, для водорода (H2) – 2г, для кислорода (О2) – 32г, для воды (Н2О) – 18г и т.д. В моле любого вещества содержится одно и то же количество молекул N0, называемое числом Авогадро:
Это объясняется тем, что значение моля любого вещества выбрано пропорциональным массе молекулы этого вещества. Масса молекулы может быть получена делением массы моля на число Авогадро:
Отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро (т.е. универсальная газовая постоянная, приходящаяся на одну молекулу) называется постоянной Больцмана:
В формулу (1.2) входят еще давление, объем, температура и масса газа. Давление Р в системе СИ измеряется в ньютонах на квадратный метр или паскалях (Н/м2=Па), объем V – в кубических метрах (м2), масса m – в килограммах (кг), температура T – в кельвинах (К). Абсолютная температура Т отсчитывается от абсолютного нуля (-273, 15°С), т.е. Т=t+273, 15, где t – температура по Цельсию. Если количество вещества равно 1 молю, то (1.2) превращается в
Идеальным газом называется газ, настолько разреженный, что он подчиняется уравнению (1.2) или(1.6). Смысл этого определения состоит, очевидно, в том, что для подчинения уравнению (1.6) газ должен быть достаточно разреженным. Если газ, напротив, сжат до достаточно больших плотностей (так называемый реальный газ), то вместо (1.6) имеем
Это – уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса. Здесь a и b – постоянные. Выбор термодинамической системы произволен. Выбор диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, есть окружающая среда. Разделение термодинамической системы и окружающей среды осуществляет контрольная поверхность. Так, например, для простейшей термодинамической системы цилиндр-газ-поршень, внешняя среда окружающий воздух, а контрольная поверхность оболочка цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системы или над нею совершается работа. Следует отметить: работа может совершаться и под действием других сил- электрических, магнитных. Рассматривая пример с системой цилиндр-поршень можем отметить следующее: механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объёма. 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. Для открытой термодинамической системы обмен идёт со средой и веществом (массообменные процессы). В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы. Если система теплоизолирована, то мы называем её адиабатной, например, газ в сосуде с идеальной тепловой изоляцией. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни веществом и называется замкнутой (изолированной). Превращение теплоты в работу и наоборот работы в теплоту осуществляется системами представляющими собой газы и пары, их называют рабочими телами. В развитии термодинамики как науки большой вклад сделали русские учёные: М.В. Ломоносов – определил сущность теплоты как внутреннего движения материи, кроме того, определил сущность, разработанных впоследствии, законов термодинамики, за сто лет до Клаузиуса (1850 г.), дал содержание второго закона термодинамики, количественная оценка была дана Ломоносовым в двух его работах 1750 и 1760 г.г. Можно упомянуть Г.Г. Гесса (1840 г.), который установил закон о тепловом эффекте химической реакции, проф. Шиллера Н.Н. (Киевский университет)- дал более строгое обоснование второго начала термодинамики, проф. Афанасьева-Эренфест Т.А. впервые показала целесообразность раздельного толкования второго начала термодинамики для равновесных и неравновесных процессов. Исследования в прикладном и теоретическом плане проведены учёными МВТУ Гриневецким В.И., Киршем К.В., Мерцаловым Н.И., Рамзиным Л.К., Ошурковым Б.М. Первый советский учебник по термодинамике был написан Ошурковым Б.М. Учёные ВТИ, МЭИ Вукалович М.П., Кириллин В.А., Новиков И.И., Тимрот Д.А., Варгафтик Н.Б. провели обширные исследования по получению новых данных по теплофизическим свойствам ряда новых рабочих тел. Из иностранных учёных огромный вклад в развитие термодинамики внесли Сади Карно, Р.Стирлинг, Р.Майер, Клаузиус, Гельмгольц, Джоуль, Томсон, Рейнольдс и др. Кстати, Р. Стирлинг за 8 лет до С. Карно в 1816 году запатентовал машину, производящую работу за счёт нагретого воздуха.
ЛЕКЦИЯ №2 Общие положения. При изучении термодинамики и применении её соотношений для анализа конкретных явлений следует учитывать те особенности термодинамического подхода к описанию явлений, которые отличают термодинамический метод от методов принятых в других областях естественных наук. Главные особенности имеют три основные черты: 1. Метод термодинамический построен на использовании весьма небольшого числа обобщённых зависимостей или закономерностей сформулированных в результате накопления и научного анализа огромного экспериментального материала. Степень достоверности максимальна, рассматриваются как законы природы. Закономерности сформулированы в форме трёх начал термодинамики. Первое начало – всеобщий закон сохранения энергии, сформулированный в термодинамических понятиях; Второе начало – устанавливает определённую направленность изменений, возникающих в реальных процессах обмена энергий, не носит общности первого, касается лишь тепловой формы обмена энергий. Третье начало – объясняет поведение вещества при температуре стремящейся к абсолютному нулю. Есть ещё одно, четвёртое – «нулевой закон» о термическом равновесии между телами, имеющими равную температуру. 2. Для описания процессов обмена энергией с помощью различных соотношений, получаемых на основе трёх законов термодинамики, используются только физические понятия и величины, смысл которых не связан с существующими представлениями об элементарном строении материи. Величины эти либо могут быть непосредственно измерены, либо вычислены по термодинамическим соотношениям с использованием измеренных величин. Такие величины называют макроскопическими, феноменологическими или термодинамическими в отличие от микромира и его величин. (Термодинамические величины – плотность, давление, температура, объём и т.п.) Эти термодинамические соотношения не меняются в процессе углубления наших представлений о строении вещества, его микромира. Применимы соотношения к веществам в любом состоянии – газам, парам, жидкостям, твёрдым телам, а также к электромагнитному излучению. Недостаток феноменологического метода состоит в том, что для использования общих термодинамических соотношений в конкретных случаях необходима информация о свойствах вещества, что требует эксперимента.
В конце Х1Х века получила развитие статистическая термодинамика, как раздел статистической физики. Здесь свойства макроскопических тел рассматриваются и вычисляются на основе представлений микромира вещества, его элементарного состава. 3. Две предыдущие особенности термодинамического метода определяют область приложения термодинамики, устанавливая границы её действия. С одной стороны в силу феноменологического метода исследования применимы лишь к макроскопическим телам, состоящим из большого числа элементарных частиц. С другой стороны эти тела должны быть ограничены. На бесконечную вселенную выводы термодинамики не распространяются, поскольку основные положения формировались в результате наблюдения явлений в ограниченной её части.
Давление.
Существуют понятия избыточного и абсолютного давлений.
Температура. Температура характеризует степень нагретости тела. Температура есть уровень средней кинетической энергии движения молекул газа. Известно, что физические свойства тел изменяются с температурой. Эти свойства тел используют при конструировании приборов измеряющих температуру. Жидкостные термометры, пружинные и т.д. Единицей измерения температуры является градус. Опорные точки при построении шкалы называют реперными (760 мм рт. ст., точка таяния льда
Удельный объём. У дельный объём- это объём, занимаемый единицей массы вещества. Плотность вещества – величина обратная удельному объёму. Параметры ρ, p¸ T находятся в зависимости один от другого, эти зависимости могут быть выражены таблицами, уравнениями, графиками. Наиболее удобно пользоваться аналитическими уравнениями вида:
Уравнение Уравнения, выражающие связь между параметрами равновесного состояния термодинамической системы, называются уравнениями состояния.
ЛЕКЦИЯ №3. Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система обладает определённым запасом энергии, некоторая доля которого зависит только от собственного (внутреннего) состояния системы. Другая же часть полного запаса определяется взаимодействием рабочего тела системы с внешними силовыми полями окружающей среды (потенциальная энергия) либо представляет собой кинетическую энергию движения системы (как макроскопического объекта) относительно окружающей среды. Та часть полного запаса энергии термодинамической системы, которая не связана с положением системы в поле внешних сил и с движением самой системы в поле внешних сил и с движением самой системы относительно окружающей среды, называется внутренней энергией термодинамической системы. Значение внутренней энергии системы не зависит от того, каким образом (по какому пути) система достигает данного состояния. Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы в результате взаимодействия её с окружающей средой. Внутренняя энергия системы включает в себя: 1- кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движений частиц; 2- потенциальную энергию взаимодействия частиц; 3- внутриядерную энергию. Две последние составляющие в термодинамических процессах остаются неизменными (во всяком случае такие моменты не будем рассматривать). Теперь можно дать определение внутренней энергии системы: - энергия хаотического движения молекул и атомов, включающая в себя энергию поступательного, вращательного и колебательного движений, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами. Внутренняя энергия есть некоторая однозначная функция состояния рабочего тела:
Удельная внутренняя энергия u=U/M, для системы равна сумме отдельных частей (принцип аддитивности). Изменение
Бесконечно малое изменение dU есть полный дифференциал U, так как
В термодинамике изучаются только равновесные процессы. Равновесные процессы – процессы, протекающие при бесконечно малых отклонениях состояния системы от равновесного. Процессы можно изобразить в р-v координатах:
Круговым процессом называется процесс, в результате которого термодинамическая система, выйдя из некоторого состояния, снова приходит в такое же состояние. Первый закон термодинамики. Термодинамический метод исследования основан на использовании всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Вместе с тем согласно теории относительности установлено эквивалентное соотношение между массой энергией Для расширенной термодинамической системы, представленной на рисунке, -*-+ , +
можем дать следующие соотношения. Закон сохранения энергии можно записать в виде: Все тела взаимодействуют только с термодинамической системой и изменение энергии каждого тела
Если взаимодействия различны, то:
здесь k- обозначение рода взаимодействия. Если
В этом случае первый закон термодинамики получит выражение:
Для произвольной термодинамической системы, обладающей многими степенями свободы, первый закон термодинамики – изменение внутренней энергии термодинамической системы равно алгебраической сумме внешних воздействий. Воздействия могут быть различных родов. В технической термодинамике термическое воздействие обозначается Q (теплота) и считается положительным, если внутренняя энергия системы в результате воздействий возрастает. Остальные воздействия называют работой (механической или немеханической). Механическая работа, связанная с объёмной деформацией обозначается L. Работа положительна, если в результате воздействия на систему (её деформации) происходит уменьшение её внутренней энергии. В этом случае система совершает работу над окружающей средой. Таким образом, знаки количества нетермических воздействий противоположны знакам количеств соответствующих работ. Первый закон термодинамики для термодеформационной системы получит вид:
- изменение внутренней энергии системы равно разности между количеством теплоты и работой – Изменения, происходящие в результате элементарного воздействия, можно представить выражением:
Для однородных рабочих тел удобны удельные величины:
ЛЕКЦИЯ №4. Второй закон термодинамики. ЛЕКЦИЯ №5 ФОРМУЛА МАЙЕРА. Идеальные газы. Согласно закону Бойля-Мариотта произведение удельного объёма на давление величина const в изотермическом процессе:
Таково уравнение состояния для идеальных газов при t=const. В опытах была установлена взаимосвязь трёх параметров f(p, v, T)=0. Такая зависимость обусловлена тем, что величина каждого из параметров определяется положением и скоростью движения молекул, а они в свою очередь для каждого отдельного состояния имеют вполне определённые значения. Возможна для уравнений состояния и такая форма записи:
Очевидно, из трёх независимыми являются два параметра. В термодинамике все газы, обладающие такими же свойствами, как система невзаимодействующих материальных точек, называются идеальными. К таким газам близки и реальные при низких давлениях. Из классической механики известны соотношения:
,
Величину Nk постоянную для 1кг газа обозначим R, тогда выражение (5.3) запишем в виде:
Это уравнение впервые было получено в 1834 году французским учёным Клапейроном. Для массы газа М:
если это выражение отнести к 1киломолю газа, то выражение (5.4) будет иметь вид:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 583; Нарушение авторского права страницы
, молярной массой μ, давлением 
, объемом 
, температурой 
(а возможно, и другими величинами, например, определяющими его химический состав). Все эти величины называются термодинамическими параметрами тела. Однако, как будет видно из дальнейшего, такие параметры, как 
, имеют смысл только тогда, когда тело находится, хотя бы приближенно, в так называемом состоянии термодинамического равновесия (т.д.р.). Так называется состояние, в котором все термодинамические параметры остаются со временем постоянными (к этому следует добавить еще условие отсутствия стационарных потоков). Если, например, быстро подогревать газ, как это показано на рис. 9.1, температура непосредственно подогреваемой части сосуда А окажется выше температуры части В. Не будут равны и давления в частях А и В. В этом случае не имеет смысла понятие температуры 
кипения воды 100 
градусов Цельсия). Международная 100 градусная шкала является практическим осуществлением термодинамической шкалы и не зависит от свойств термометрируемого вещества. В системе единиц СИ единицей измерения температуры является градус Кельвина.
называют уравнением состояния тела. Для реальных тел такое уравнение найти трудно. Даже для парогазообразного реального рабочего тела это уравнение получено лишь с известной степенью приближения в узком диапазоне параметров.
определяется начальными и конечными состояниями тела, т.е.
посему справедливо было бы говорить о сохранении массы и энергии. Однако дело в том, что в термодинамике изменения энергии таковы, что сопровождающее их изменение массы незначительно. Поэтому масса закрытой термодинамической системы считается неизменной.
равно количеству воздействия тела 
на систему: 
полученное воздействие на систему 
рода, то: 
