В.Г. Шахов - Термодинамика и теплопередача 2022

В.Г. Шахов - Термодинамика и теплопередача

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА»
(САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
В.Г. ШАХОВ
ТЕРМОДИНАМИКА
И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Рекомендовано редакционно-издательским советом федерального
государственного автономного образовательного учреждения
высшего образования «Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С.П. Королева» в качестве учебного
пособия для обучающихся по основным образовательным программам
высшего образования по направлениям подготовки 15.03.03 Прикладная
механика, 24.03.01 Ракетные комплексы и космонавтика и по
специальностям 24.05.01 Проектирование, производство и эксплуатация
ракетных и ракетно-космических комплексов, 24.05.07 Самолето- и
вертолетостроение
САМАРА
Издательство Самарского университета
2022
УДК 536.7: 621.016(075)
ББК 22.317я7
Ш 32
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. В. Б и р ю к,
д-р физ.-мат. наук, д-р техн. наук, проф. В. Т. В о л о в
Шахов, Валентин Гаврилович
Ш 32 Термодинамика и теплопередача: учебное пособие / В.Г. Шахов. –
Самара: Издательство Самарского университета, 2022. – 164 с.: ил.
ISBN 978-5-7883-1722-9
В данном пособии излагаются основы термодинамики и теплопередачи.
В первой части изложены законы термодинамики и их приложения
к анализу циклов двигателей внутреннего сгорания, воздушнореактивных двигателей и жидкостного ракетного двигателя.
Во второй части изложены физические основы теплообмена. Рассмотрены элементарные способы передачи тепла.
Предназначено для обучающихся по направлениям подготовки
15.03.03 Прикладная механика, 24.03.01 Ракетные комплексы и космонавтика и по специальностям 24.05.01 Проектирование, производство и
эксплуатация ракетных и ракетно-космических комплексов, 24.05.07 Самолето- и вертолетостроение.
Подготовлено на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов.
УДК 536.7: 621.016(075)
ББК 22.317я7
ISBN 978-5-7883-1722-9 © Самарский университет, 2022
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………………………… 5
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………… 7
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА …………………………………. 9
2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАБОЧЕЕ ТЕЛО …………………………… 14
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ……………………………… 15
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ ………………………………………. 16
5. ПАРАМЕТРЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ …………… 17
6. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ……………………………………………... 20
7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
СОВЕРШЕННОГО ГАЗА …………………………………………………. 24
8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ …………………... 25
9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ …………………………………………………… 30
10. ВНУТРЕННЯЯ И ВНЕШНЯЯ ЭНЕРГИИ ……………………………… 33
11. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ……………………………….. 36
12. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ……………………………………………………….. 40
13. ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ …………………………………………. 45
14. ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ПОЛИТРОПНЫХ ПРОЦЕССОВ ……………… 48
15. ЦИКЛ КАРНО ……………………………………………………………. 52
16. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ……………………………….. 56
17. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ ВТОРОГО ЗАКОНА
ТЕРМОДИНАМИКИ ……………………………………………………. 59
18. ЭНТРОПИЯ ………………………………………………………………. 63
19. ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
T s  КООРДИНАТАХ …………. 65
20. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СРЕД ……………………………………. 67
21. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ НЕОБРАТИМЫХ
ПРОЦЕССОВ ……………………………………………………………. 71
4
22. ЦИКЛ ОТТО ……………………………………………………………… 76
23. ЦИКЛ ДИЗЕЛЯ …………………………………………………………… 80
24. ЦИКЛ ТРИНКЛЕРА ……………………………………………………… 83
25. ЦИКЛЫ ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ……………………………………………………………. 85
26. ЦИКЛ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО
ДВИГАТЕЛЯ ……………………………………………………………… 88
27. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ …………………………. 91
28. ЦИКЛ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ………………... 97
29. ВИДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА ……………………………………………... 99
30. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ………………………………………………… 102
31. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ………………………. 105
32. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ …. 107
33. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ……………………………………………….. 112
34. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЧЕРЕЗ ОДНОСЛОЙНУЮ ПЛОСКУЮ
СТЕНКУ (ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ I-ГО РОДА) …………………….. 115
35. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЧЕРЕЗ ОДНОСЛОЙНУЮ ПЛОСКУЮ
СТЕНКУ (ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ III-ГО РОДА) …………………... 118
36. СЛУЧАЙ ПЛОСКОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОЙ
СТЕНКИ …………………………………………………………………... 121
37. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЧЕРЕЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ СТЕНКУ ….. 126
38. КРИТИЧЕСКИЙ ДИАМЕТР ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ТРУБОПРОВОДА ………………………………………………………… 132
39. ШАРОВАЯ СТЕНКА …………………………………………………..… 136
40. КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ………………………………………... 139
41. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН …………………………………………… 142
42. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗМЕРНОСТЕЙ ………………………………… 146
43. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ………………………………………… 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………. 159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………. 160
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное учебное пособие по термодинамике и теплопередаче
подготовлено в соответствии с утвержденной учебной программой
на основе лекций, прочитанных автором студентам различных специальностей.
Термодинамика изучает фундаментальные законы природы о
превращениях энергии в различных процессах. Знание основных
законов и положений термодинамики необходимы для специалистов
практически всех направлений машиностроения. Термодинамика
составляет теоретическую основу таких специальных дисциплин,
как механика жидкости и газа, аэродинамика летательных аппаратов
и других.
Термодинамика относится к тем областям науки, общее изложение которых практически было завершено к началу XIX века. Но её
развитие продолжается из-за общего развития смежных разделов
науки, использующих результаты термодинамики.
Термодинамика является единственной общей физической теорией, которая, по словам А. Эйнштейна, «в рамках применимости
своих основных положений никогда не будут опровергнуты».
Автор солидарен со справедливостью двух положений, высказанных Дж. Феном: «1. Каждый широко образованный человек должен иметь некоторое понятие о законах термодинамики. 2. Любой
человек, даже не имеющий никакой или почти никакой подготовки в
области математики и естественных наук, может, затратив сравнительно немного усилий, понять эти законы».
В первой части пособия рассматриваются основные законы термодинамики, термодинамические процессы, дифференциальные
уравнения термодинамики. Рассматриваются идеальный цикл Карно, следствия из его теоремы, как для обратимых, так и необрати-
6
мых процессов. Рассматриваются циклы двигателей внутреннего
сгорания, воздушно-реактивных двигателей и жидкостного ракетного двигателя.
Во второй части излагаются законы теплопроводности при стационарном и нестационарном режимах, стационарные задачи теплопроводности через плоские, цилиндрические и шаровые стенки при
различных граничных условиях, основы теории подобия конвективного теплообмена.Показать/скрыть дополнительное описание