Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача

ЕА. ЛХухачев ТЕРМО в л' пь-. ДИНАМИКА И ТЕПЛО ПЕРЕДАЧА ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов авиационных специальностей высших учебных заведений Москва «Высшая школа» 1991 ББК 31.31 М92 УДК 621.1.016.7 Рецензент — д-р техн. наук, проф.

А. П. Меркулов (Куйбышевский авиационный институт им. академика С. П. Королева) Б учебнике изложены основные законы термодинамика. терыодннамические процессы, сведения о реальных газах и парах, основные положения хнмнческой термодинамики, основные понятия н законы теории теплообмена, современные методы расчета процессов теплообмена, особенности теплообмена в авиационной и ракетно-космической технике, способы тепловой защиты конструкцмй. Б 3-м нзаавнн 12-е — 1975 г.] переработана метолпаа нзложеннв яекоторых разделов в связи с развитие» авиационной а ракетной техника, прнвгдевы новые результатм исследований теплообмеиа.

сокращен устаревщнй материал. 2203020000(4309000000) †3 М 143 — 91 001(0!) — 91 ББК 31.31 6П2.2 Учебное издание Мухачев Геннадий Алексеевич, Щукин Виктор Константинович ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА Заведующий редакцией А В, дубровский. Редактор Л, Н. Шатунова. Младший редактор Г. Ф. Артюхина, Художник В. В. Гарбузов, Художественный редактор В В. йхеубакое. Технический редактор Л, Ф, Попова.

Корректор Р. К Косиноеа ИБ Н«8961 иза. ]й От-743. сдзао в набор 04з2.90. паап, в печать 17.05.9!. Формат бох88ун. Бум. офс' 2 Гарнитура литературная. Печать офсетная. Объем 29,40 усл. нсч. л. 29,40 уел. кр."отт. 28,71 уч.-изх. л, Тираж 9000 экз. Зак. № 76!. ценз 2 р. 1О к. Издательство «Высщая щаола», 10НЗ0, Москва. ГСП-4, Неггннная ул., а. 29/!4. Мосяовскз» т с"зя тапогрзфяя № 8 Госкомпечати СССР !01898 Москва Хохловсквй пер 7 15ВЫ 5-06-001910-1 © Г.

А. Мухачев, В. К. Щукин, 1991 Мукачев Г. А., Щукин В. К. М92 Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов.— 3-е изд., перераб. — Мл Высш. шк., 1991. — 480 сл ил. 15 В)Ч 5-06-001910-1 ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемая книга построена в соответствии с учебной программой по термодинамике и теории теплообмена для авиационных вузов и отражает специфику задач, стоящих перед будушими специалистами. В первой части учебника излагаются основные законы термодинамики, термодинамические процессы, реальные газы и пары, рассматриваются циклы двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок и реактивных двигателей; даются основные положения химической термодинамики, необходимые для построения теории горения.

.Во второй части учебника наряду с общими положениями учения о теплообмене главное внимание уделено явлениям теплообмена в авиационной и ракетной технике: процессам теплоотдачн при больших скоростях газа, вопросам теплообмена в разреженных потоках. в условиях подвода инородного газа в пограничный слой и т. п. При подготовке третьего издания авторы стремились сохранить прежний объем книги, поэтому введение новых разделов сопровождалось изъятием материала, имеющего второстепенное значение. Внесены следующие изменения.

В первой части третьего издания учебника рассмотрен первый закон термодинамики для открытых систем; введен параграф об аксиоматике второго закона термодинамики, включены сведения о необратимых процессах в изолированной системе; переработана глава о циклах двигателей с введением в нее цикла Стирлинга и циклов газотурбинных двигателей, включая цикл двухконтурного газотурбинного двигателя; в разделе химической термодинамики Рассмотрены вопросы энергетики процессов горения и даны краткие сведения о растворах. Во второй части книги рассмотрены сведения о численных метолах Решения задач теплопроводности, даны краткие сведения о теориях турбулентности, интегральных методах решения задач коивективного теплообмена, о влиянии внешней турбулентности, нестацнонарностн и присутствия конденсированных частиц на интенсивность теплоотдачн, о тепловых трубах н теплообменниках на тепловых трубах, о методах интенсифнкации теплоотдачн.

Раздел «Термодинамика» написан Г. А. Мухачевым, раздел «Теория теплообмен໠— В. К. Щукиным. Авторы выражают глубокую признательность коллективам теплотехнических кафедр Уфимского авиационного, Харьковского авиационного, Московского энергетического, Пермского политехнического, Уральского политехнического и Казанского химико-технологического институтов за отзывы на второе издание учебника, содержащие критические замечания и пожелания, большинство из которых учтены при подготовке третьего издания. Авторы благодарны преподавателям кафедры теплотехники Куйбышевского авиационного института н ее заведующему проф. А.

П. Меркулову за замечания и пожелания, направленные на улучшение учебника, а также сотрудникам кафедры теоретических основ теплотехники Казанского авиационного института за помощь в подготовке учебника к печати. Авторы заинтересованы в широкой оценке опыта создания краткого учебника и просят читателей присылать свои отзывы о книге по адресу: 1014ЗО, Москва, ГСП-4, ул.

Неглинная, д. 29114, издательство «Вьшшая школа». Авторы Термодинамика ВВГДННИН Все явления и процессы в природе представляют собой различные формы движения материи. Ф. Энгельс говорил: «Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением»*.

Каждое тело, каждая небольшая масса материи обладает определенным запасом внутренней энергии, определяющим то или иное его состояние; этой энергией данное тело может обмениваться с другими теламн, и этот обмен представляет собой те процессы, которые происходят в природе. В процессах и явлениях природы энергия .тел преобразуется из одного вида в другой. Горение топлива — преобразование химической энергии в теплоту; в паровом котле зта теплота передается от продуктов сгорания воде, которая превращается в пар, теплота пара в паровой турбине превращается в механическую работу, в генераторе электрического тока механическая работа превращается в электрическую энергию, которая передается потребителям.

У потребителя происходит обратное превращение: в электромоторах электрическая энергия превращается в механическую ра- ь Маркс К., Энгельс Ф. Соч, 2-е изд. Т, 20. С. 39П 6 боту, в осветительных приборах — в световую (лучистую) энергию, в электронагревателях — в теплоту, которая идет на изменение внутренней энергии окружающей среды. Все виды энергии имеют огромное значение в жизни человека, и поэтому законы их взаимопревращения требуют самого тщательного изучения, так как только знание этих законов позволяет с наибольшей эффективностью и с наиболее высоким коэффициентом полезного действия использовать энергию в жизни.

Наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии, называется т е р м од и н а м и ко й. Следовательно, термодинамика в наиболее общем смысле представляет собой науку об энергии. Исторически термодинамика возникла в результате изучения превращения теплоты и работы в тепловых машинах; этот раздел термодинамики называется технической термодинамикой Изучением химических процессов с термодннамической точки зрения занимается химическая термодинамика. Термодинамика рассматривает тела, состоящие из большого количества молекул (системы), и в ее классическом виде не принимает во внимание поведение и свойства отдельных молекул, взаимодействие между ними, энергетические превращения внутри тел. С точки зрения современной физики классическая термодинамика явно недостаточна, несмотря на ее большое значение в описании многочисленных явлений и общих выводов, которые делаются на основании законов, составляющих фундамент этой науки.

Здание, воздвигнутое на этом фундаменте, приводит к важным результатам в отношении физических свойств систем и процессов в них. Оценкой поведения отдельных молекул занимается молекулярно-кинетическая теория вещества, которая обосновывает результаты термодинамики. Поведением систем, состоящих из большого числа частиц, занимается статистическая физика, которая определяет свойства систем (тел) математическими методами, основанными на теории вероятности.

И молекулярно-кинетическая теория вещества, и статистическая физика являются теоретической базой термодинамики. Исторически термодинамика развивалась как теория тепловых машин, т. е. изучались только преобразования теплоты и механической работы. Этот путь был продиктован потребностями развивающейся промышленности, нуждавшейся в мощных двигателях с высоким коэффициентом полезного действия. Исследование работы тепловых двигателей было основано на применении метода круговых процессов (циклов). В химической термодинамике при изучении фазовых переходов, условий равновесия физико-химических систем метод циклов должен быть дополнен методом термодинамических потенциалов.