lekcii (Лекции)

1“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”«МАМИ»Профессор ,доктор технических наукМЕРКУЛОВ В.Н.КУРС ЛЕКЦИЙ«ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ»ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ«ГАЗОТУРБИННЫЕ И ПАРОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И УСТАНОВКИ»Москва 20092Эпиграф«Теория производит тем большее впечатление ,чем проще её предпосылки ,чемразнообразнее предметы , которая она связывает и чем шире область её применения. Отсюда глубокое впечатление ,которое произвела на меня классическаятермодинамика . Это единственная физическая теория общего содержания ,относительно которой я убежден , что в рамках применимости её основных понятийона никогда не будет опровергнута»Альберт ЭнштейнВеличайший мудрец древности Конфуций, живший в V в до н.э ,таксформулировал свое отношение организации учебного процесса :« Я слышу и забываюВижу и запоминаюДелаю и понимаю »ВведениеПредлагаемый курс лекций по технической термодинамике предназначен длястудентов МГТУ «МАМИ» , обучающихся по направлению «Энергомашиностроение»по специальности «Газотурбинные и паротурбинные установки и двигатели»По характеру материала данный курс разделен на две части : «Основные понятия изаконы технической термодинамики» и «Исследование тепловых машин».В первой части дано изложение основных понятий , законов и методовтермодинамики .Во второй части приведены исследования термодинамических процессов тепловыхмашин(тепловые двигатели , компрессоры , струйные аппараты)Особый акцент при этом сделан на современные технологии энергосбережения ,направленные на повышение экономичности энергетических установок и сокращениепотерь энергии и энергоресурсов.С учетом принятой программы НЭП («новая энергетическая программа») и программыразвития энергетики в России в XXI веке.3Кроме этого, курс лекций содержит информацию о современных направленияхразвития термодинамики – нелинейной неравновесной термодинамики ,разработанной И.Р Кригоненым ,Г.Хакеном,П.Гленсафорон,в результате которыхпоявилась совершенно новая научная дисциплина – синергетика – наука осамоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических , химических , биологических и социальных .Курс лекций составлен в соответствии с программой ЕН.2.03.02 «Термодинамики итепломассообмен» для подготовки инженеров по 10140(140503.65)Специальности по направлению 651200(140500.65) «Энергомашиностроение»I часть1.Термодинамика как наукаВсе происходящие в природе изменения состояний тел сопровождаютсяэнергетическими преобразованиями.

Сам термин «термодинамика» введенБ.Томсоном. Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно«Размышления о движущей силе огня» .Исследуя практическую задачу получениядвижения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровыммашинам , но любым силовым тепловым машинам. Так был сформулирован общийметод решения задачи – термодинамический , заложенный в основу термодинамики.Карно первым открыл связь между теплотой и работой.Термодинамикой называется наука , устанавливающая соотношение между теплотой, работой и изменением состояния исследуемой системы тел.Термодинамика как наука возникла и развивалась как прикладная теория тепловыхмашин.Техническая термодинамика – это общая теория тепловых машин и аппаратов , вкоторых основное внимание сосредотачивается на энергетических преобразованиях сцелью установления наивыгоднейших режимов работы тепловых машин и аппаратов .Химическая термодинамика , подчинена практике химической технологии иметаллургии исследует химические изменения состояния систем .Термодинамика физических свойств посвящена исследованию свойств реальных газови жидкостей.4Классическая термодинамика в виде термодинамики в свете современныхпредставлений выступает как термостатика .

Решающая роль динамики изучаетсясовременной наукой – синергетикойЗадачи технической термодинамикиТехническая термодинамика является общей теорией тепловых машин аппаратовнаиболее важными являются три группы тепловых машин : тепловые двигатели ,холодильные машины и тепловые насосы.Тепловые двигатели – производят механическую работу за счет тепла. Ониподразделяются на паросиловые установки, двигатели внутреннего сгорания,атомные ,энергетические установки ,термоядерные энергетические установки.Для паросиловых установок рабочим веществом является водяной пар ,длядвигателей внутреннего сгорания – продукты сгорания топлива , для атомныхэнергетических установок водяной пар (теплота получается за счет деления ядерурана),для термоядерных установок водяной пар (теплота полученная за счет синтезаядер гелия и водорода)Каков же общий принцип действия теплового двигателя?В целом механическая работа в любой тепловой машине создается за счет разноститемператур ,которая приводит к разности давлений , используемой далее длясовершения работы .Для натуральности общего принципа действия теплового двигателя допустимовоспользоваться аналогией , сравнив тепловой двигатель с водяным двигателем придействии теплового двигателя разность температурных уровней играет ту же роль чторазность геодезических уровней в действии водяного двигателя .Важнейшей задачей технической термодинамики в отношении тепловых двигателейявляется решение вопроса о получении наибольшей работы за счет затраты заданногоколичества тепла .Термодинамика решает вопрос о способах достижения максимального коэффициентаполезного действия теплового двигателя ηТо есть соотношения :η=5Холодильные машины –производят холод за счет затраты работыТепловые насосы – за счет работы произведенного тепла.В тех и в других машинах за счет затраты работы тепло передается от тел менеенагретых к телам более нагретым.По принципу действия холодильные машины и тепловые насосы являютсяподобными , но они имеют различное назначение : первые служат для охлаждения ,вторые – для нагревания .Экономичность действия холодильной машины оценивается количествомпроизведенного холода при заданной затрате работы ,ч то соответственноопределяется величиной холодильного коэффициента εε=Тепловые насосы ,т.е машины ,производящие тепло за счет затраты работы внастоящее время широко применяются в жилищно-коммунальном хозяйства(отопление жилых домов)Экономичность действия теплового насоса оценивается количеством произведенногоидеала при заданном расходе работы , что соответствует величине ψ ,называемойотопительным коэффициентомΨ=Установлений условий ,при которых достигается наибольшая экономичность действияхолодильных машин и тепловых насосов составляет одну из важнейших задачтехнической термодинамикиСовременная термодинамика базируется на двух законах и механической теориитеплоты (опыты Рунфорда ,обнаружившего выделение большого количества теплапри высверливании канала в пушечном стволе под водой )I закон термодинамики – закон сохранения энергииII закон термодинамики устанавливает направление энергетических процессов иустанавливает условия , при которых возможно получить максимальную работу засчет затраты единицы теплоты.Центральным местом термодинамики являются изучение свойств газов и паровЗадача обеспечения энергией путем наращивания энергетического потенциала тесносвязана с устойчивым развитием экономики и общества любого государства.Коэффициента полезного использования энергоресурсов в экономике России в 3-4раза ниже ,чем , например в Японии в условиях острого дефицита как топливныхресурсов, так и ископаемых.6Техническая термодинамика позволяет определять пути проектированиясовременных схем энергетических установок ,обладающих повышеннымикоэффициентами полезного действия как для транспортной , так и для стационарнойэнергетики .К схемам ,реализующим энергосберегающие технологии относятся комбинированныеустановки (парогазовые , газопаровые ) , электрохимические энергоустановки натопливных элементах , ядерные энергетические установки на быстрых нейтронах,термоядерная энергетика .Более подробную информацию о части специальнойлитературы и II части настоящих лекций.2.Основные понятия и определенияРабочие тело – вещество, с помощью которой происходит процесс переноса теплотыи превращения её в работу в тепловых машинах .Это - газы, воздух ,продукты сгораниятоплива , пары веществ ,() ,жидкий металл , «холодная» и «горячая»плазма .Термодинамическая система , процесс ,свойстваТермодинамическая система тело или совокупность тел , являющиеся объектамиизучения тела вне границ термодинамической системы называются окружающей иливнешней средойСистема , изолированная от окружающей среды являются замкнутой .Рабочее телохарактеризуется несколькими физическими величинами – температурой t , давлениеP , плотность ρ,массой вещества m – все это свойства системы.Состоянием называется совокупность свойств системы .Свойства системы являютсяфункциями состояния системы.Техническая термодинамика рассматривает лишь равновесные состояния ,условиямиих являются термическое и механическое равновесие системы .Например , при P=Po и T=To – термодинамическая система находится в состоянииравновесия с окружающей средойСвойства термодинамической системы могут быть интенсивными и экстенсивными .Интенсивные свойства - не зависят от массы , количества вещества в системе(давление, температура , электрический потенциал) параметры зависящие от массыназываются экстенсивными параметрами (объем ,энергия системы и др.)Термодинамический процесс – это переход тела и системы из одного состояния вдругое , это совокупность последовательных состояний через которые проходиттермодинамическая система при её взаимодействии с окружающей средой7.Термодинамическая система называет закрытой , если её контрольная поверхностьне допускает обмена веществом ,но обменивается теплом и работой.Термодинамическая система которая может обмениваться веществом ,теплом иработой с окружающей средой называется открытой .Процесс ,в результате которого тело в возвращается в исходное состояние называетсякруговым процессом или циклом.Равновесным процессом называется процесс , в котором термодинамическая системапроходит ряд бесконечно близких состояний , каждое из которых являютсяравновесным ; т.е с бесконечно малой скоростью изменения состояния.Равновесный процесс , как последовательность равновесных состояний может бытьпредставлена графически :Все реальные термодинамические процессы являются неравновесными и проходят сконечной скоростью .3.Параметры состояния термодинамической системыПараметром состояния является абсолютное давление P –параметр состоянияопределяемый силой ,действующей на единицу площади поверхности по нормали кней.Единицы измерения1 Па = 11 бар = 10⁵1 КПа=1 бар = 750 мм.рт.ст = 10200мм вод.ст1 МПа=10⁶ЕслиЕсли– манометрическое давление ,измеренное манометром– барометрическое давление , измеренное барометром, то- это давление ,измеряется вакуумметром .В этом случае8Абсолютная температура ТХарактеризует степень нагретости тела являющейся параметром состояния , которыйопределяет направление самопроизвольного перехода теплоты .

Единицейтермодинамической температуры является градус Кельвина (°К). В качестве репернойточки термодинамической температурной шкалы ,выбрана тройная точка воды(см.ниже) ,температура t в которой по эмпирической шкале Цельсия равна 0,01°С и ейприсвоено значение термодинамической температуры 273,16 °КУдельный объем VѴ-ρ=- объем единицы массы-плотность веществаG-общая массаѴ-общий объем4.Обратимые и необратимые процессыОпределение 1Процесс называется обратимым ,когда он может быть проведен в противоположномнаправлении ,и в результате все изменения происходящие в любой части прямогопроцесса , точно обращаются в соответствующей части обратимого процесса .Определение 2Обратимый процесс- это процесс ,в результате проведения которого в прямом иобратном направлениях система или рабочее тело , а так же окружающая средаприходит в начальное состояние ,процессы неудовлетворяющие этому условия –необратимые9Все реальные процессы необратимые .Пример свободное качание маятника ,затухающие под действием сил трения может служить простейшим примеромнеобратимого процессаК основным необратимым термодинамическим процессам относятся :-самопроизвольный переход тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому-неупругий удар и трение(внешнее и внутреннее)-переход газа и ли жидкости из среды высокого давления в среду низкого давлениябез выполнения механического эффекта (расширение в пустоту , дросселирование) ;-самопроизвольное смешение (диффузия) различных газов и жидкостей .Понятие обратимости может служить критерием совершенства реальных процессов.5.Энергия системы ,работа и теплотаЭнергия как научное понятие служит мерой количественной оценки различнойформы движения материи : механической , термической , химической , ядерной,электромагнитной ,акустической и т.пЭнергия Э всегда является функцией состояния и ,следовательно , представляет собойсвойства тела.