Изложены основные положении термодинамики, ее математический аппарат, методы термодинамического анализа, описаны термодинамические свойства веществ. Значительное внимание уделено равновесию термодинамических систем и фазовых переходов, техническим приложениям термодинамики. Традиционное наложение основ термодинамики равновесных состояний и процессов органически сочетается с изложением термодинамики необратимых процессов.
ГЛАВА I ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
§ 1.1. ТЕРМОДИНАМИКА - НАУКА О ПРЕВРАЩЕНИИ ЭНЕРГИИ ТЕЛ
Термодинамика изучает закономерности превращения энергии в результате взаимодействия тел и силовых полей. Отличительной особенностью термодинамики является возможность рассмотрения всех без исключения разнообразных видов энергии, которые могут проявляться при взаимодействии тел и полей, а также всех превращений различных видов энергии. При этом каждое из тел и силовых полей или их совокупность в термодинамике считается макроскопической системой, обладающей присущей ей специфической по форме энергией.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.
Глава I. Пересе начало термодинамики.
§ 1.1. Термодинамика - наука о превращении энергии тел.
§ 1.2. Основные понятия.
§ 1.3. Нулевое начало термодинамики.
§ 1.4. Работа и теплота процесса.
§ 1.5. Обратимые и необратимые процессы.
§ 1.6. Формулировка первого начала термодинамики.
§ 1.7. Внутренняя энергия и энтальпия.
§ 1.8. Аналитическое выражение первого начала термодинамики.
§ 1.9. Теплоемкость.
Глава II. Второе н третье начала термодинамики.
§ 2.1. Второе начало термодинамики.
§ 2.2. Превращение теплоты в работу в тепловом двигателе.
§ 2.3. Термодинамическая температура.
§ 2.4. Энтропия.
§ 2.5. Аналитическое выражение второго начала термодинамики.
§ 2.6. Третье начало термодинамики.
§ 2.7. Статистическое толкование второго и третьего начал термодинамики.
§ 2.8. Термодинамические потенциалы.
§ 2.9. Дифференциальные уравнения термодинамики в частных производных.
§ 2.10. Общее выражение для термического КПД обратимых тепловых двигателей и прямых преобразователей энергии.
§ 2.11. Максимальная полезная внешняя работа.
§ 2.12. Термодинамическое описание необратимых процессов. Основные соотношения термодинамики необратимых процессов.
§ 2.13. Приложения термодинамики необратимых процессов (термоэлектрические явления, движение и перенос теплоты в жидкости, термомеханические явления).
Глава III. Термодинамическое равновесие.
§ 3.1. Общее условие термодинамического равновесии термодинамических систем.
§ 3.2. Условия устойчивости термодинамического равновесия.
§ 3.3. Принцип Ле Шателье-Брауна.
§ 3.4. Условия равновесия фаз.
§ 3.5. Фазовая диаграмма.
§ 3.6. Уравнения в частных производных для двухфазной системы. Термодинамические диаграммы.
§ 3.7. Фазовые переходы первого и второго рода.
§ 3.8. Критическая точка.
Глава IV. Основные термодинамические процессы.
§ 4.1. Методы термодинамического анализа.
§ 4.2. Адиабатический процесс.
§ 4.3. Изотермический, изобарический, изохорнческий и политропический процессы.
§ 4.4. Течение газов и жидкостей.
Глава V. Термодинамические свойства твердых, жидких и газообразных тел.
§ 5.1. Особенности структуры реальных тел.
§ 5.2. Испарение жидкости и конденсация паров.
§ 5.3. Плавление кристалла и кристаллизация жидкости
§ 5.4. Термодинамическое подобие.
Глава VI. Термодинамика газов и газоподобных систем.
§ 6.1. Идеальные и реальные газы.
§ 6.2. Насыщенный и влажный пар жидкости.
§ 6.3. Газ валентных электронов в металле.
§ 6.4. Фононный газ в кристалле.
§ 6.5. Фотонный газ.
Глава VII. Термодинамика сложных систем.
§ 7.1. Энергия Гиббса систем с переменной массой.
§ 7.2. Правило фаз.
§ 7.3. Химические реакции.
§ 7.4. Растворы.
Глава VIII. Термодинамический анализ рабочих процессов преобразования энергии (техническая термодинамика).
§ 8.1. Техническая термодинамика - научная база современной энергетики.
§ 8.2. Термический и эффективный КПД тепловых двигателей. Оптимизация рабочего цикла.
§ 8.3. Циклы поршневых тепловых двигателей и машин
§ 8.4. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей.
§ 8.5, Циклы паросиловых установок.
§ 8.6. Бинарные циклы.
§ 8.7. Циклы парогазовых установок.
§ 8.8. Цикл ядерной энергетической установки.
§ 8.9. Циклы холодильных машин.
§ 8.10. Трансформаторы теплоты (термотрансформаторы)
§ 8.11. Электроэнергетические преобразователи энергии (электрохимические генераторы, фотоэлектрические преобразователи).
§ 8.12. Электроэнергетические преобразователи циклического действия.
Предметный указатель.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Термодинамика, Новиков И.И., 1984 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
1 ДК 536.7(07) + 536.24 Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев), профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова") Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 319 с. ISBN 5-7422-0098-6 Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников. Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”. I8ВN 5-7422-0098-6 Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999 2 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие........................................................................ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА...................... 1.1. Предмет и метод технической термодинамики....... 1.2. Основные понятия термодинамики........................ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры........................................................... 1.2.2. Термодинамическое равновесие и равновесный тер- модинамический процесс.................................. 1.2.3. Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний………………………………………………. 1.2.4. Смеси идеальных газов........................................ 1.2.5. Энергия, работа, теплота...................................... 1.2.6. Теплоемкость......................................................... 1.3. Первое начало термодинамики.................................. 1.3.1. Уравнение первого начала................................... 1.3.2. Внутренняя энергия как функция состояния......................................................................... 1.3.3. Энтальпия и ее свойства...................................... 1.3.4. Уравнение первого начала для идеального газа......................................................................................... 1.4. Анализ процессов с идеальным газом....................... 1.4.1. Изобарный процесс.............................................. 1.4.2. Изохорный процесс............................................... 1.4.3. Изотермический процесс...................................... 1.4.4. Адиабатный процесс............................................. 1.4.5. Политропные процессы........................................ 1.4.6. Сжатие газа в поршневом компрессоре.............. 1.5. Второе начало термодинамики................................... 1.5.1. Обратимые и необратимые процессы................. 1.5.2. Циклы и их КПД.................................................... 1.5.3. Формулировки второго начала............................ 1.5.4. Цикл Карно. Теорема Карно................................ 3 1.5.5. Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати- мых процессах................................................................. 1.5.6. Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в процессах идеального газа.................................................................................... 1.5.7. Термодинамическая шкала температур.............. 1.6. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания................................................................................. 1.6.1. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто) 1.6.2. Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) ........................................................................................................... 1.6.3. Сравнение эффективности циклов ДВС............. 1.7. Циклы газотурбинных установок.............................. 1.7.1. Схема и цикл с изобарным подводом теплоты.. 1.7.2. Термический КПД цикла Брайтона................... 1.7.3. Регенеративный цикл ГТУ.............................. 1.7.4. Эффективность реальных циклов................... 1.8. Термодинамика реальных рабочих тел.................... 1.8.1. Уравнения состояния реальных газов............... 1.8.2. Изменение агрегатного состояния вещества.... 1.8.3. Диаграммы и таблицы состояний..................... 1.9. Циклы паросиловых установок................................. 1.9.1. Паровой цикл Карно.......................................... 1.9.2. Цикл Ренкина..................................................... 1.10. Циклы холодильных машин и тепловых насосов 1.10.1.Обратный цикл Карно.................................... 1.10.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием................. 1.10.3. Цикл теплового насоса................................... 1.11. Влажный воздух.......................................................... 1.11.1 Основные понятия и определения................... 1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха.................. 2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА......................................................... 4 2.1. Общие представления о теплопередаче................... 2.2. Теплопроводность........................................................ 2.2.1. Основные понятия и определения............ 2.2.2. Гипотеза Био-Фурье.................................... 2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности. ………………………………………………………… 2.2.4. Условия однозначности................................. 2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности...... 2.3. Стационарная теплопроводность.............................. 2.3.1. Теплопроводность пластин и оболочек......... 2.3.2. Теплопроводность оребренных поверхностей. 2.4. Нестационарная теплопроводность.......................... 2.4.1. Теплопроводность термически тонких тел....... 2.4.2. Теплопроводность полуограниченного тела и стержня....................................................... 2.4.3. Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара. 2.4.4. Нагрев и охлаждение тел конечных размеров…….. 2.4.5. Регулярный тепловой режим......................... 2.5. Приближенные методы теории теплопроводности.. 2.5.1. Электротепловая аналогия............................. 2.5.2. Графический метод........................................ 2.5.3. Метод конечных разностей.......................... 2.6. Физические основы конвективного теплообмена.. 2.6.1. Основные понятия и определения................. 2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.............................................................. 2.7. Основы теории подобия............................................... 2.7.1. Подобие физических явлений....................... 2.7.2. Теоремы подобия............................................. 2.7.3. Уравнения подобия......................................... 2.7.4. Правила моделирования.................................. 2.8. Конвективный теплообмен в однофазной среде..... 2.8.1. Режимы течения жидкостей и газов............... 5 2.8.2. Пограничный слой............................................ 2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на плоской поверхности................................................. 2.8.4. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности............................................. 2.8.5. Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах............................... 2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона......................................... 2.8.7. Теплообмен при ламинарном течении в трубах ……………………………………………………….. 2.8.8. Теплообмен при турбулентном течении в трубах... 2.8.9. Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков.......................................................................... 2.8.10. Теплообмен при свободной конвекции........ 2.8.11. Теплообмен в псевдоожиженных средах....... 2.9. Конвективный теплообмен при кипении и конденсации........................................................................... 2.9.1. Теплообмен при кипении................................ 2.9.2. Теплообмен при конденсации......................... 2.9.3. Тепловые трубы................................................ 2.10. Теплообмен излучением............................................ 2.10.1. Физические основы излучения...................... 2.10.2. Расчет теплообмена излучением................... 2.10.3. Солнечное излучение..................................... 2.10.4. Сложный теплообмен..................................... 2.11. Теплообменники.......................................................... 2.11.1 Классификация и назначение......................... 2.11.2. Основы теплового расчета............................ 2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные коэффициенты теплопередачи............................. 2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников... Список литературы............................................................. 6 ПРЕДИСЛОВИЕ “Техническая термодинамика и теплопередача” - один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема. Для инженеров-транспортников главное - уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам - кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину - за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность - канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε - метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического 7 университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян. С. Сапожников Э. Китанин 8 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика - наука о преобразованиях энергии - фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико- химические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую термодинамическую систему. Эта система должна быть: достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.); замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц. Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом. 9 Таким образом, предметом технической термодинамики являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия. В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название начал термодинамики. Первое начало выражает закон сохранения энергии - всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой. Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода. Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам. Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д. 10 Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что - окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему - включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними. Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют
- Добавлен пользователем Сергей Васильевич 2-й 09.08.2018 11:45
- Отредактирован 09.08.2018 15:43
Пер. с англ. — М.—Л.: Гостехиздат, 1950. — 592 с.: ил.Книга содержит экспериментальные основы термодинамики, теории теплоты и отчасти теории строения вещества. Помимо основ общей термодинамики, в книге рассматриваются вопросы кинетической теории газов, теории теплоёмкостей, вопросы фазовых переходов и равновесий, термодинамика излучения, основы теплопередачи, элементы теории уравнений состояния и пр.Особенностью книги является индуктивный метод изложения: теоретическим обобщениям предшествует описание экспериментов.Книга может быть полезна широкому кругу научных работников, занимающихся исследованиями в области теплотехники и теплофизики, а также преподавателям, аспирантам и студентам соответствующих специальностей.Содержание под спойлером.
Предисловие редактора.
Температура.
Измерение температуры.
Стоградусная температурная шкала.
Газовые термометры.
Термометр постоянного давления.
Термометр постоянного объёма.
Некоторые особенности газовых термометров.
Свойства газов и применение их в термометрии. Закон Бойля.
Реальные газы.
Теория поправок к показаниям газового термометра.
Сравнение температурных шкал различных газов.
Поправки к показаниям газовых термометров для приведения к термодинамической шкале.
Постоянные точки.
Точка плавления льда.
Точка кипения воды.
Точка кипения серы.
Точки кипения нафталина и бензофеиона.
Точки плавления.
Точки плавления в области высоких температур.
Таблицы основных постоянных точек.
Платиновые термометры сопротивления.
Платиновые термометры сопротивления для высоких температур.
Устройство платинового термометра сопротивления.
Измерения сопротивлений при применении платиновых термометров.
Тепловой эффект токов в термометре сопротивления.
Термоэлектрический эффект.
Мостики для работы с платиновыми термометрами сопротивления.
Термопара.
Потенциометрическая схема для измерений с термопарой.
Термопары для высоких температур.
Ртутно-стеклянные термометры.
Закон Шарля.
Численное значение постоянной а.
Абсолютная шкала температур.
Газовая постоянная.
Количество тепла.
Определение единицы теплоты.
Теплоёмкость и удельная теплота.
Метод смешения.
Эволюция представлений о природе теплоты. Опыты Румфорда.
Опыт Дэви.
Опыты Джоуля.
Точное определение калории.
Тепловые потери в калориметрии.
Механический эквивалент тепла. Опыт Роуланда.
Опыт Рейнольдса и Мурби.
Опыты Лэби и Геркуса.
Электрические методы определения механического эквивалента теплоты. Опыты Гриффитса.
Опыты Шустера и Ганнона.
Опыты Каллендера и Барнеса.
Опыты Баусфильдов.
Опыты Егера и Штейнвера.
Выводы.
Теплоёмкость воды.
Первый закон термодинамики.
Кинетическая теория газов.
Основные законы, которым подчиняются газы при низких давлениях.
Модель идеального газа.
Давление газа.
Закон Авогадро.
Закон Бойля и закон Дальтона.
Некоторые следствия.
Определение числа Авогадро.
Закон распределения скоростей Максвелла.
Средняя скорость.
Наиболее вероятная скорость.
Различные выражения закона Максвелла.
Графическое представление закона Максвелла.
Экспериментальная проверка закона Максвелла.
Средний свободный пробег молекулы.
Средний свободный пробег и число столкновений.
Вероятность пробега данной длины.
Удары о твёрдую стенку. Закон косинусов Кнудсена.
Закон Максвелла и свойства газов при очень низких давлениях. Постоянный поток через узкие трубки.
Теория потока.
Опыты Кнудсена.
Истечение газа через малые отверстия.
Абсолютный манометр Кнудсена.
Термомолекулярное давление.
Термодиффузия.
Уравнения состояния газов.
Отклонения от законов идеального газа.
Опыты Эндрьюса.
Уравнение Ван-дер-Ваальса.
Свойства уравнения Ван-дер-Ваальса.
Закон соответственных состояний.
Другие уравнения состояния.
Уравнения состояния и второй вириальный коэффициент.
Температура Бойля.
Экспериментальные исследования сжимаемости.
Сжимаемость жидкостей.
Явления в критической области.
Свойства веществ вблизи критической точки.
Получение и измерение низких температур.
Введение.
Каскадный метод или процесс Пикте.
Метод Линде. Эффект Джоуля-Томсона.
Сжижение газов по методу Клода.
Сжижение гелия.
Международная шкала и газовая шкала от 0 до — 190° С.
Измерение температуры до — 190° С.
Измерение температур между 14 и 80° К.
Температуры между 5 и 14° К.
Температуры ниже 5° К.
Криостаты.
Затвердевание гелия.
Два состояния жидкого гелия.
Кривые плавления гелия и водорода при высоких давлениях.
Охлаждение методом адиабатического размагничивания. Теория метода.
Соотношение между Т* и термодинамической температурой.
Теплоёмкости газов.
Понятие теплоёмкости.
Разность между теплоёмкостями при постоянном давлении и при постоянном объёме. Идеальные газы.
Разность между теплоёмкостями при постоянном давлении и при постоянном объёме. Реальные газы.
Экспериментальные определения теплоёмкости при постоянном объёме. Паровой калориметр Жоли.
Опыты Эйкена.
Метод взрыва.
Экспериментальные определения теплоёмкости при постоянном давлении.
Опыты Реньо.
Опыты Гольборна и Геннинга.
Метод постоянного потока.
Опыты Блэкетта, Генри и Райдила.
Адиабатические процессы.
Адиабатические процессы в идеальных газах.
Адиабатические процессы в реальных газах.
Экспериментальные исследования адиабатических процессов.
Определение теплоёмкости при помощи измерения скорости звука.
Скорость звука в атмосфере.
Скорость звука в трубах.
Экспериментальные методы определения скорости звука в трубах.
Методы пылевых фигур.
Метод Партингтона и Шиллинга.
Метод Диксона.
Обсуждение результатов.
Степени свободы.
Равномерное распределение энергии по степеням свободы.
Экспериментальные значения C v и k.
Теплоёмкость водорода при низких температурах.
Квантовая теория теплоёмкости. Вращение.
Квантовая теория теплоёмкости. Внутренние колебания.
Теплоёмкости твёрдых тел и жидкостей.
Общий обзор экспериментальных методов.
Калориметр Нернста.
Адиабатический вакуумный калориметр Симона и Ланге.
Другие методы.
Теплоёмкости при постоянном давлении и постоянном объёме.
Закон Дюлонга и Пти.
Общие выводы.
Эксперименты при высоких температурах.
Теплоёмкости жидкостей.
Испарение.
Основные пон ятия.
Измерение давления насыщения неметаллов. Прямые или статические методы.
Измерение давления насыщения неметаллов. Метод точки кипения.
Методы определения давления паров металлов.
Метод Кнудсена.
Метод Лэнгмюра.
Коэффициент конденсации.
Результаты экспериментальных определений давления насыщенных паров.
Формула Кирхгофа.
Другие формулы.
Универсальное уравнение.
Химическая константа.
Классификация методов, применяемых для измерения скрытой теплоты испарения.
Методы, в которых необходимая для испарения теплота измеряется непосредственно.
Опыты Геннинга.
Определение скрытой теплоты испарения при низких температурах.
Опыты Дитеричи.
Конденсационный метод Бертло.
Опыты Обери и Гриффитса.
Паровой калориметр Жоли.
Правило Трутона.
Определение плотности насыщенного пара.
Соответствие между теоретическими и экспериментальными значениями химической константы.
О применимости газовых законов к парам.
Деление изотопов.
Адсорбция.
Элементарная кинетическая теория.
Плавление.
Введение.
Определение скрытой теплоты плавления льда методом смешения.
Ледяной калориметр Бунзена.
Определение скрытой теплоты плавления льда электрическим методом.
Определение скрытой теплоты плавления металлов.
Определение скрытой теплоты плавления при низких температурах.
Зависимость между скрытой теплотой плавления и точкой плавления.
Тепловое расширение.
Введение.
Определение линейного расширения твёрдых тел методом компаратора.
Оптические методы определения линейного расширения твёрдых тел. Метод Физо.
Метод зеркала и шкалы.
Закон Грюнейзена.
Анизотропные тела.
Расширение жидкостей и газов.
Весовой термометр.
Абсолютное расширение жидкостей.
Расширение воды.
Передача тепла теплопроводностью и конвекцией.
Введение.
Понятие теплопроводности.
Термическое сопротивление.
Практические методы определения коэффициентов теплопроводности.
Метод Геркуса и Лэби.
Метод нагретой проволоки.
Элементарная теория теплопроводности в газах.
Вязкость газов.
Отношение коэффициентов теплопроводности и вязкости.
Диаметр молекулы и средний свободный пробег.
Теплопроводность газов при очень низких давлениях.
Теплопроводность жидкостей.
Прямые методы определения теплопроводности металлов.
Электрические методы.
Опыты Егера и Диссельхорста.
Опыты Мейснера.
Высокие температуры.
Теория.
Экспериментальные результаты.
Затруднения теории.
Теплопроводность твёрдых неметаллических тел.
Теплопроводность кристаллов при низких температурах.
Теория передачи тепла в кристаллических телах.
Конвекция.
Естественная конвекция.
Практические применения формулы.
Вынужденная конвекция.
Второй закон термодинамики.
Введение.
Обратимые процессы.
Цикл Карно.
Второй закон термодинамики.
Коэффициент полезного действия обратимой тепловой машины.
Термодинамическая шкала температур.
Сравнение термодинамической и газовой шкал температур.
Энтропия.
Изменение энтропии в цикле Карно.
Изменение энтропии в любом обратимом цикле.
Аналитическая формулировка.
Дифференциальные уравнения термодинамики.
Введение.
Четыре термодинамических соотношения Максвелла.
Теплоёмкости.
Эффект Джоуля-Томсона.
Теория эффекта Джоуля-Томсона.
Теплосодержание.
Уравнение состояния, основанное на измерениях эффекта Джоуля-Томсона.
Поправки к газовому термометру для приведения показаний к абсолютной шкале.
Силовые циклы.
Введение.
Рабочее вещество.
Поршневые паровые машины.
Цикл Рэнкина.
TS-диаграмма.
Цикл Рэнкина для перегретого пара.
Определение коэффициента полезного действия цикла Рэнкина.
Таблицы водяного пара.
Расчёты.
IS-диаграмма.
Определение эффективности реальной паровой машины.
Машины многократного расширения.
Паровые турбины.
Реактивная турбина.
Работа, получаемая от турбины.
Истечение пара из сопла.
Двигатели внутреннего сгорания.
Цикл Отто.
Цикл Дизеля.
Тепловые потери.
Холодильные машины.
Рабочее вещество в холодильных машинах.
Цикл реальной холодильной машины.
/S-диаграмма.
Численные примеры.
Холодильник «Электролюкс».
Принцип увеличения энтропии.
Энтропия идеального газа.
Энтропия смеси двух идеальных газов.
Изменение энтропии в случае взаимной диффузии двух идеальных газов.
Принцип увеличения энтропии.
Равновесие физической или химической системы.
Общие законы, управляющие процессами в физической или химической системе.
Изменения в термически изолированной системе.
Изотермические процессы. Свободная энергия.
Изотермические процессы при постоянном давлении. Термодинамический потейциал.
Условия равновесия.
Равновесие в термически изолированной системе.
Изотермическое равновесие.
Изотермическое равновесие при постоянном давлении.
Зависимость между различными термодинамическими функциями.
Равновесие между двумя состояниями одного и того же вещества.
Теплоёмкость насыщенного пара.
Правило фаз.
Переходы высших порядков.
Химическое равновесие газовой системы.
Общие соотношения.
Равновесие газовой системы при постоянном давлении и постоянной температуре.
Теплота реакции.
Влияние изменения температуры на константу равновесия.
Влияние изменения давления на константу равновесия.
Принцип Ле -Шателье.
Условие равновесия, выраженное через парциальные давления.
Реакции при постоянных Т и р, в которых участвуют твёрдые тела или жидкости.
Условие равновесия.
Теплота реакции.
Влияние температуры на теплоту реакции.
Некоторые расчёты.
Активность.
Влияние давления на активность.
Применение понятия активности к вопросам равновесия.
Экспериментальное определение констант равновесия.
Сравнение значений, полученных различными методами.
Электродвижущая сила и определение константы равновесия.
Обратимые и необратимые элементы.
Электродвижущая сила обратимого элемента.
Количество электричества.
Правило знаков.
Концентрационные газовые элементы.
Применения метода.
Определение теплоты реакции.
Теплота реакции при постоянном давлении и постоянном объёме.
Тепловая теорема Нернста.
Теорема Нернста.
Подтверждение теоремы Нернста.
Химические константы.
Теорема Нернста и жидкости.
Гетерогенные ре акц ии.
Излучение.
Введение.
Приборы для обнаружения и измерения лучистой теплоты.
Болометры.
Термоэлектрические элементы.
Радиометры.
Теория лучистого теплообмена.
Излучение и поглощение.
Закон Кирхгофа.
Чёрное тело и излучение чёрного тела.
Принцип микроравновесия в области излучения.
Термодинамический вывод зависимости между полной плотностью излучения в замкнутом пространстве и температурой.
Полная лучеиспускательная способность абсолютно чёрного тела.
Экспериментальная проверка закона Стефана и определение постоянной Стефана.
Закон смещения Вина.
Формула Планка.
Экспериментальное подтверждение закона Вина и определение постоянной С 2 в формуле излучения Планка.
Температурная шкала при высоких температурах.
Оптические пирометры.
Пирометры полного излучения.
Сравнение пирометров полного излучения и оптических пирометров.
Излучательная способность и температура нечёрных тел.
Оптические пирометры и определение точек плавления в области высоких температур.
Температура Солнца.
Формула излучения Планка.
Введение.
Число независимых колебаний непрерывной среды.
Формула излучения Рэлея.
Квантовая теория.
Теория Дебая теплоёмкости твёрдых тел.
Основные положения.
Сравнение с экспериментальными данными.
Закон Т 3 Дебая.
Дальнейшее развитие теории.
Дебаевская максимальная частота и другие частоты.
Функция Дебая и энтропия твёрдых тел.
Теплоёмкости при высоких температурах.
Энергия осциллятора при абсолютном нуле.
Аномалии в теплоёмкостях твёрдых тел.
Теория теплоёмкости Блэкмена.
Уравнение состояния твёрдого тела.
Теорема вириала Клаузиуса.
Некоторые предпосылки теории твёрдого состояния.
Полная потенциальная энергия атомов в грамм-атоме вещества.
Атомные колебания.
Изменение частоты с объёмом.
Уравнение состояния твёрдого тела.
Экспериментальное определение.
Термическое расширение. Закон Грюнейзена.
Вывод уравнения состояния, данный Дебаем.
Термическое расширение анизотропных тел.
Скрытая теплота испарения при абсолютном нуле.
Энергия кристаллических солей.
Теория плавления.
Современные теории плавления и жидкостей.
Приложение.
Термодинамические соотношения и термодинамические свойства водяного пара.
Термодинамические соотношения.
Свойства водяного пара.
Таблицы водяного пара.
Приложения редактора.
Добавление к гл. XIV.
Библиография работ русских и советских учёных.
Предметный указатель.
Л.И.Лавров, О.Н.Круковский, А.В.Марков, Е.А.Томильцев
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ СИНТЕЗ
УДК 66.02 Ф 912
Рецензент:
Зав. кафедрой теоретических основ химического машиностроения Санкт-Петербургского государственного технологического института д-р техн. наук, проф.Н.А. Марцулевич
заочного обучения. – Методическое пособие. – СПб, СПбГТИ(ТУ), 2009.- ил. 42, библиогр. 5 назв. - 116 с.
ISBN 5–93808–039–8
Методическое пособие предназначено для студентов заочного обучения неэнергетических специальностей, в котором изложены основные законы энергетики в процессах идеального и реальных газов; рассмотрена работа машин, имеющих широкое применение в химической промышленности – компрессоров, холодильных установок; основы работы энергоблока тепловых электростанций.
Пособие соответствует рабочей программе «Техническая термодинамика и теплотехника» для студентов химико-технологических и механических специальностей.
Ф 2802000000–007 Без объявл.
Введение ………………………………………………………………………… 5
1. Термодинамическая система………………………………………………… 6
1.1. Закон сохранения энергии …………………………………………….. 8
1.2. Идеализации в термодинамике ……………………………………….. 12
2. Политропные процессы идеального газа ………………………………….. 16
2.1. Уравнение состояния и первый закон термодинамики …………….. 16
2.2. Уравнения политропных процессов ………………………………….. 25
2.3. Расчет энтропии и ее изменений в процессах идеального газа …….. 31
2.4. Анализ процессов по диаграммам р-v и Т-s ………………………….. 33
3. Циклы ………………………………………………………………………… 37
3.1. Цикл Карно …………………………………………………………….. 40
3.2. Выводы, вытекающие из цикла Карно ………………………………. 42
4. Второй закон термодинамики ……………………………………………… 46
4.1. Формулировки, смысл и математическое выражение ………………. 46
4.2. Изменение энтропии в частных случаях необратимых процессов … 53
5. Метод термодинамических функций ……………………………………… 58
6. Эксергетический метод анализа …………………………………………… 60
6.1. Расчет эксергии и ее изменения в процессах ……………………….. 60
6.2. Эксергетический КПД ………………………………………………… 64
7. Реальный газ ………………………………………………………………… 66
7.1. Параметры и термодинамические функции реальных газов ………. 66
7.2. Диаграммы реальных газов …………………………………………… 71
7.3. Расчеты процессов реальных газов …………………………………… 74
7.4. Фазовые превращения ………………………………………………… 78
7.4.1. Уравнения Клапейрона – Клаузиуса ………………………….. 80
7.4.2. Интегральные формы уравнения Клапейрона – Клаузиуса … 82
7.5. Полные диаграммы состояния …………………………………………...83
8. Сжатие газа в компрессоре …………………………………………………. 86
8.1. Одноступенчатый компрессор ………………………………………… 86
8.2. Особенности реального компрессора..………………………………… 93
8.3. Многоступенчатый компрессор ………………………………………. 97
9. Холодильные парокомпрессионные установки …………………………… 102
9.1. Основные виды холодильных циклов и расчетные формулы ……….. 103
10. Теоретический цикл энергоблока тепловой электростанции
(цикл Ренкина)……………………………………………………………… 111 Литература ……………………………………………………………………… 116
Введение
Термодинамика – наука об энергии и энергетических превращениях. В основах, как следует из названия, она рассматривает превращение теплоты в механическую энергию, в энергию движения, что представляет главное направление всей энергетики: работы двигателей, энергоблоков с превращением механической энергии в электрическую, а также других тепловых машин – холодильных, тепловых насосов, компрессоров и различных машин и аппаратов с затратами работы и использованием тепла – печей, реакторов. Теоретические основы процессов в этих машинах рассматривает
техническая термодинамика.
Однако, любые другие формы энергии и их взаимопревращения всегда имеют тепловую и механическую составляющие, поэтому различные виды энергетических превращений часто называют термодинамическими, то есть термины термодинамика и энергетика по сути дела являются равнозначными. Отсюда применение законов термодинамики в различных процессах вызвало образование ряда наук как широкого охвата: физическая термодинамика, химическая термодинамика, термодинамика биосистем, так и более узкого характера: термодинамика полимеров, термодинамика поверхностных явлений, термодинамика излучений, термодинамика горения и т.д.
Исходные базовые представления об энергетических превращениях и работе тепловых машин дают основы технической термодинамики, рассматриваемые в представленном кратком лекционном курсе.
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Тело или совокупность тел, являющиеся объектом термодинамического исследования, называют термодинамической системой. Таким образом, термодинамической системой может быть назван любой объект с определенными границами, которые могут быть представлены даже мысленно. В технической термодинамике исходной системой полагают рабочее тело (например, газ, находящийся в цилиндре с поршнем). В более широком плане это может быть машина, аппарат, реактор и т.п. Состояние системы отражается совокупностью численных показателей, называемыхпараметрами .
Материальные системы всегда располагают некоторым количеством вещества - массой и энергией , которая определенным образом распределяется, образуя энергетическое поле. Неравномерности распределения энергии вызывают потоки энергии и вещества. Поэтому термодинамическая система всегда находится под действием различных энергетических полей, вызывающих обмен энергией через границы системы. При обмене системы с окружающей средой или другой системой веществом и энергией происходит изменение всех или некоторых ее параметров, называемоетермодинамическим процессом. При этом две формы обмена энергией присутствуют всегда – этотеплота и работа механических деформационных сил, поскольку любая система находится под определенным давлением и при определенной температуре окружающей среды. В связи с этим простейшей термодинамической системой полагаюттермомеханическую систему, взаимодействие которой с окружающей средой заключается в обмене теплотой и работой.
Термодинамика, как наука о взаимопревращениях энергии из одних форм в другие, первостепенное внимание уделяет превращению теплоты в механическую работу, как основную форму энергии, используемую для движения транспорта, для выработки электроэнергии, для получения изделий,
Такими свойствами обладают газы и пары, которые и являются в термодинамике первоначальными объектами изучения. Их свойства и закономерности процессов лежат в основе разработки машин и аппаратов, в технике и разнообразных технологиях.
В химической промышленности такими машинами, например, являются холодильные установки, компрессоры, аппараты различных технологий. Во всех процессах, происходящих в них, наблюдаются взаимопревращения энергии. Анализ и расчеты энергетики для этой аппаратуры являются основой для их разработки и совершенствования.
В действительности системы могут быть значительно более сложными, находящимися в различных энергетических полях и взаимодействующих с ними.
Системы подразделяют на закрытые , обменивающиеся с окружающей средой только энергией в различных формах, иоткрытые , обменивающиеся со средой также и веществом.
Системы, не обменивающиеся теплотой, называются теплоизолированными илиадиабатными. При отсутствии любых видов взаимодействия системы называютизолированными .
Окружающую среду часто наделяют свойствами термостата, то есть ее
параметры остаются постоянными даже если параметры системы изменяются. Это физически возможно, если количество вещества в окружающей среде много больше, чем в системе и взаимодействие, существенное для системы, не существенно для окружающей среды. Если система совместно с окружающей средой не взаимодействует с другими системами и, следовательно, образуют изолированную систему, то ее называют гиперсистемой .
1.1. Закон сохранения энергии
Всеобщим законом энергетики, представляющим результаты огромного опыта, является закон, утверждающий, что энергия не исчезает и не появляется, а может только переходить из одного вида в другой в эквивалентных количествах, который получил название закона сохранения энергии. Этот всеобщий закон природы, по сути устанавливающий энергетические балансы, является применимым и справедливым для любых систем и дающий возможности проводить расчеты.
В зависимости от систем и условий, этот закон может выражаться различными уравнениями. Он может быть представлен как балансами одного вида энергии – тепловой баланс, баланс механической энергии и т.п., так и уравнениями с взаимопревращениями разных видов энергии.
В приложении к термодинамическим системам этот закон принято называть первым законом (или первым началом) термодинамики:
то есть дополняется кинетическая энергия движения всей системы как целого. Первый закон термодинамики как и закон сохранения энергии сформулирован в середине ХIХ века в результате работ Ю.Р. Майера,
Дж.Джоуля и Г. Гельмгольца.
В более широкой трактовке под работой А может подразумеваться работа различных форм энергии, действие различных энергетических полей,
параметров – потенциалом Р i и координатойХ i (или интенсивной и экстенсивной величинами).
Произведение потенциала на изменение координаты выражает данный вид энергетического воздействия, поэтому уравнение первого закона может быть представлено
δQ = dU + ∑Р i dХ I |
Внутренняя энергия, как сумма кинетической и потенциальной энергий всей совокупности частиц, составляющих систему, является функцией состояния, ее изменения не зависят от пути перехода, и ее величина представляет полный дифференциал.
Теплота и работы различного вида зависят от пути перехода рабочего тела из одного состояния в другое и поэтому являются функциями процесса, не обладая полным дифференциалом.
Эти особенности термодинамических величин процессов отражают в дифференциальных уравнениях для отличия от полных дифференциалов другим буквенным обозначением величин бесконечно малого изменения - «δ»:
δQ = dU + ∑ δAi (1.6)
В простой термомеханической системе под работой подразумевается работа деформационных сил, совершаемая под действием равномерно распределенного давления (работа расширения или сжатия), потенциалом для которой является давление р , а координатой объемV . Эту работу в технической термодинамике принято обозначатьL .
Для термомеханической системы первый закон термодинамики выразится:
Экстенсивные параметры и величины, пропорциональные количеству
