WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 35 |
Министерство образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В. А. Барилович, Ю. А. Смирнов ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕОРИИ ТЕПЛО - И МАССООБМЕНА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Под редакцией Заслуженного энергетика России д.т.н., проф. Бариловича В.А.

Санкт-Петербург 2010 2 Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена: курс лекций, / В.А. Барилович, Ю.А. Смирнов. СПбГПУ, 2010.

Курс лекций содержит основные законы и положения технической термодинамики и теории тепло- и массообмена в природе применительно к задачам энергомашиностроения и теплоэнергетики.

Он соответствует программе дисциплин в плане бакалаврской и инженерной подготовки студентов энергомашиностроительного факультета. Ряд разделов курса могут быть использованы студентами электромеханического, механико-машиностроительного факультетов и факультета экономики и менеджмента.

Илл. 289, табл.3, библ. 36 назв.

Рецензенты: зав. кафедрой " Промышленная теплоэнергетика" СПбГПУ академик ИАСПб д.т.н., проф. Боровков В.М.;

зав. кафедрой " Промышленная теплоэнергетика" СПбГТУРП д.т.н., проф. Бельский А.П.

© Барилович В.А., Смирнов Ю.А, 2010 3 Введение Дисциплины техническая термодинамика и теория тепло - и массообмена формируют теоретическую базу для освоения дисциплин специального цикла по направлениям "Энергомашиностроение" и "Теплоэнергетика".

Предлагаемый курс лекций читается авторами студентам Энергомашиностроительного факультета СПбГПУ в объеме 128 часов и соответствует утвержденной программе в плане бакалаврской и инженерной подготовки студентов.

В первой части рассматриваются основные понятия термодинамики, приложение первого закона термодинамики к закрытым, открытым термодинамическим системам и системам с переменной массой. Изучаются равновесные состояния и квазиравновесные процессы в макроскопических системах. Значительное внимание уделяется второму закону термодинамики и его применению к необратимым процессам, вскрываются причины необратимости и ее влияние на потерю работоспособности (эксергии) системы.

Подробно рассматриваются газовые циклы и реактивные двигатели. Уделяется внимание условиям равновесия в однородной и двухфазной системах, фазовым переходам при плоской и искривленной границах раздела фаз. Приводятся основные положения теории образования новой фазы. Рассматриваются свойства реальных газов и паров, вопросы дросселирования реальных газов и паров, процессы, протекающие в паре и влажном воздухе. Представлен достаточно подробный материал по паровым и комбинированным циклам теплоэнергетических установок, рассматриваются способы повышения их эффективности, проведен анализ циклов паротурбинной и газотурбинной установок с учетом необратимых потерь с помощью энтропийного и эксергетического методов.

Вопросы непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию изложены в конспективной форме на основе упрощенных тепловых схем без рассмотрения состояния плазмы и процессов в ней. Даются основы термоэлектрического генератора и топливного элемента. Рассматриваются идеальные циклы холодильных машин, тепловых насосов и методы ожижения газов. В разделе "Основы химической термодинамики" излагаются законы и положения, касающиеся процессов превращения одних веществ в другие. Даны основные понятия неравновесной термодинамики. В приложении I приводятся программы расчета на ЭВМ газотурбинной установки с регенерацией теплоты и паротурбинной установки с оптимизацией параметров рабочего тела на примере геотермальной тепловой электрической станции. Приводится список литературы для более подробного изучения законов, методов и истории развития термодинамики.

Вторая часть курса содержит основные законы и положения теории тепло- и массообмена в природе и включает такие разделы как стационарная и нестационарная теплопроводность, конвективный теплообмен в однородных средах, теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества, массоперенос в двухкомпонентных средах, лучистый теплообмен, основы расчета теплообменных аппаратов рекуперативного типа.

Основные явления тепло- и массопереноса, имеющие место в природе, рассмотрены достаточно подробно на основе упрощенных физических моделей с получением расчетных формул. Такой академический подход, на наш взгляд, способствует развитию у студента творческого мышления: он видит, как создается физическая модель, как она упрощается путем введения обоснованных допущений для получения аналитического решения.

Так как в настоящее время трудно представить решение научных и инженерных задач без использования ЭВМ, то в разделе "Численные методы решения задач теплопроводности" показывается, как создаются уравнения в конечно-разностной форме для различных “узлов“ изучаемого тела. Рассматриваются вопросы устойчивости разностных схем. В приложении II приводятся программы расчета двумерного температурного поля итерационным и матричным методами, а также текст программы расчета теплообменного аппарата для выполнения курсовой работы по методике [27].

Список литературы, приведенный в конце лекций, позволяет студенту более глубоко изучить интересующие его вопросы, которые в ряде случаев изложены в конспективной форме.

Часть I. Техническая термодинамика 1. Основные понятия термодинамики Термодинамика - это наука, изучающая законы превращения энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами. Термодинамика - дедуктивная наука: она базируется на основных законах природы (первом и втором началах термодинамики) и носит феноменологический характер, привлекая для своих исследований опытные данные.

Краткий исторический очерк развития термодинамики Термодинамика как наука возникла в начале XIX века. Основные задачи, которые она должна была решать - это установление количественной связи между теплотой и работой и повышение тепловой эффективности паровых машин, которые стали широко использоваться в промышленности. В 1824 году французский инженер Сади Карно опубликовал трактат “ Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу“ [11]. В этом научном труде он впервые доказывает, что “движущая сила огня“ (работа) зависит от величины температуры “горячего” и “холодного “ источников теплоты, и что более эффективными являются паровые машины высокого давления, в которых по его словам “...большее падение “теплорода” (под теплородом понимали все проникающее вещество)”. Еще тогда он пишет о причинах потери движущей силы: “...от бесполезного восстановления равновесия теплорода “.

Таким образом, в работе Карно были заложены основные положения первого и второго законов термодинамики.

В 1842 году Роберт Майер устанавливает связь между теплотой и работой, определив R кгм механический эквивалент теплоты I = = 423,8. Джемс Джоуль в 1843 году, c - cv ккал p проведя уникальный эксперимент, находит тепловой эквивалент работы Q 1 ккал A = = величина которого до настоящего времени остается практически L 427 кгм неизменной. Работы Майера и Джоуля устанавливают частный случай первого начала термодинамики - закона отражающего количественную сторону сохранения и превращения энергии.

Рудольф Клаузиус в 1854 году, рассматривая обратимый круговой процесс, вводит в термодинамику новую функцию состояния - энтропию S и тем самым устанавливает dQ второй закон термодинамики для обратимых процессов dS =. Позднее Макс Планк в T своей докторской диссертации показывает, что энтропия может быть использована при анализе необратимых процессов (с чем был не согласен Роберт Кирхгоф) [14]. В общем dQ случае второе начало имеет вид dS и характеризует качественную сторону в T процессах превращения энергии.

Виллиам Томсон (лорд Кельвин) вводит понятие абсолютной (термодинамической) температуры, которая является термодинамическим потенциалом.

Джозайя Виллард Гиббс создает новый метод термодинамических исследований - метод термодинамических потенциалов, устанавливает условия термодинамического равновесия. Развивает теорию фазовых переходов (правило фаз Гиббса).

В 1906 году Вальтер Герман Нернст (1864-1941) на основании опытных данных открывает третий закон термодинамики (теорема Нернста). Согласно этой теореме при температурах, стремящихся к абсолютному нулю, равновесные изотермические процессы протекают без изменения энтропии, то есть lim ST 0 = 0. В этом случае энтропия перестает быть функцией состояния и стремится к некоторой постоянной величине, не зависящей от параметров состояния.

В работах Д.И.Менделеева впервые используется “критическая температура”, при которой коэффициент поверхностного натяжения равен нулю.

В.А. Михельсон и Б.Б. Голицын внесли значительный вклад в термодинамику излучения.

Большой вклад в развитие термодинамики внесли также русские ученые: Д.П.

Коновалов и Н.С. Курнаков (термодинамические методоы в физической химии), Н.Н.

Боголюбов и М.А. Леонтович (статистическая термодинамика, неравновесные состояния), Л.Д. Ландау (теория сверхтекучести), В.К. Семенченко (термодинамическая теория растворов).

Термодинамическая система Под термодинамической системой понимают совокупность макротел, находящихся между собой и окружающей средой в тепловом и механическом взаимодействии.

Термодинамическая система (ТС) может быть закрытой (с подвижной или неподвижной границами) и открытой, когда через нее проходит поток массы. Если ТС не обменивается теплотой с окружающей средой, то такая система называется адиабатической. ТС может быть гомогенной и гетерогенной. В гомогенной системе свойства вещества остаются неизменными во всех точках или плавно изменяются, например, в поле гравитационных или иных массовых сил. Если ТС состоит из подсистем с различными физическими свойствами, то такая система называется гетерогенной. В этом случае считают, что физические свойства на границе подсистем изменяются скачком. В действительности изменение свойств происходит на длине свободного пробега молекулы.

Термодинамический метод исследования Термодинамика рассматривает системы, состоящие из большого, но конечного числа частиц, она не изучает процессы на молекулярном уровне и оперирует макровеличинами - термодинамическими параметрами.

Термодинамический процесс Совокупность последовательных состояний, проходящих термодинамической системой, называется термодинамическим процессом. Если ТС проходит практически равновесные состояния, то такой процесс называется квазистатическим. В пределе, когда процесс протекает бесконечно медленно, то имеем равновесный или обратимый процесс. Вообще под обратимым понимают такой процесс, когда при совершении прямого и обратного процесса ТС приходит в исходное состояние, а в окружающей среде не происходит ни каких изменений. В диаграммах состояния можно изобразить только квазистатические или равновесные процессы. Под квазистатическим процессом понимают такой процесс, когда скорость процесса намного меньше скорости релаксации da a <<, (1.1) d r где a - любой термодинамический параметр ( p, T, v) ; - время; - время релаксации r - время, за которое во всех точках ТС установится термодинамическое равновесие, то есть будем иметь одинаковые физические свойства ( для газов 10-16 секунд).

r Параметры термодинамической системы - это макровеличины, характеризующие физическое состояние термодинамической системы. К ним относятся температура T, давление - p, объем - V ( термические параметры).

Температура является одним из основных термических параметров. Температура есть мера нагретости тела. Температура тела, измеренная термометром, называется эмпирической (t). К понятию абсолютной температуры (T ) приводит кинетическая теория газов. Между средней кинетической энергией поступательного движения молекул и температурой существует связь 2 mw = kT, (1.2) 3 Ni wi где m - масса молекулы; w = - средняя скорость поступательного Ni R0 Дж движения молекул; k = = 1,38 10 - 23 - постоянная Больцмана (универсальная N0 К Дж газовая постоянная на одну молекулу газа) ; R0 = 8314 - универсальная газовая кмоль К постоянная; N0 = 6,0228 10 26 - число Авогадро (число молекул в одном кмоль киломоле). Из (1.2) следует, что T является статистической величиной, характеризующей состояние большого числа молекул. Между абсолютной и эмпирической температурой, измеренной в градусах Цельсия, существует зависимость T =t + 273,16, K (1.3) Давление, как и температура, - статистическая величина. Из курса молекулярной физики известно, что давление газа на стенки сосуда можно рассчитать по формуле mw p = n, H/м2 (1.4) где n = N0/Vµ - число молекул, заключенных в объеме одного киломоля ;

Vµ = 22,4 м3/ кмоль - объем одного киломоля при нормальных условиях ( pн = мм. рт. ст. = 1,01310 5 Па, tн = 0 С ) ; - коэффициент сжимаемости.

С учетом (1.2) перепишем (1.4) в виде N0 R0 R0 T p = T =. (1.5) Vµ N0 Vµ Для идеального газа, молекулы которого представляются в виде материальных точек, имеющих массу и не имеющих объема, а взаимодействие осуществляется только за счет упругих соударений ( = 1), можно написать pVµ = R0T. (1.6) Выражение (1.6) является термическим уравнением состояния идеального газа для одного киломоля. Для М киломолей pV = MR0T. (1.7) Уравнение состояния в форме (1.7) носит название Клапейрона-Менделеева.

Так как масса газа G = Mµ, (1.8) где µ - молекулярная масса газа, кг/ кмоль, а R = R0 /µ, то (1.7) можно переписать в форме Клапейрона pV = GRT. (1.9) Разделив уравнение (1.9) на массу газа, получим pv = RT, где v = V/G - удельный объем газа, м3/кг. Удельный объем газа связан с плотностью соотношением = 1/v, тогда p = RT. (1.10) Таким образом, чем выше плотность и температура идеального газа, тем больше давление. Давление, входящее в уравнение состояния, называется абсолютным и измеряется в Паскалях (Па=Н/м2). Если давление газа в сосуде выше давления окружающей среды рос (барометрического давления), то абсолютное давление р=рман + рос, (1.11) где рман=ризб - давление измеренное манометром (манометр измеряет избыточное давление между давлением в сосуде и окружающей средой).

В случае, когда давление газа в сосуде меньше давления окружающей среды, то используется вакууметр, тогда р=рос - рвак. (1.12) Сказанное может быть представлено в графическом виде (см. рис.1.1).

р рман ризб = р рвак рос рбар = р Рис. 1.Удельный объем так же как Т и р, характеризует физичское состояние тела N0 k T RT v = =. (1.13) p µ p Термодинамические параметры (ТП) могут быть экстенсивными и интенсивными.

К экстенсивным параметрам относятся внутренняя энергия газа U, энтальпия I = U + pV, энтропия S. Эти параметры обладают свойствами аддитивности (их можно складывать). Интенсивными параметрами являются p, T, удельный объем v - они не обладают свойствами аддитивности.

Теплота и работа и их изображение в диаграммах состояния Теплота и работа - это две формы энергообмена, которые проявляют себя на границе раздела ТС при передаче энергии от одной системы к другой. Теплота и работа являются функциями процесса, то есть чтобы их определить необходимо знать уравнение процесса, дифференциалы от этих функций являются неполными.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 35 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.