Техническая термодинамика
Покупка
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Автор:
Белоусов Виталий Витальевич
Год издания: 2003
Кол-во страниц: 70
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 754650.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Пособие предназначено для проведения практических занятий по курсу «Техническая термодинамика», содержит теоретические сведения по основным разделам курса, примеры решения задач и задания для самостоятельного решения. В приложениях приведен необходимый для решения задач справочный материал. Контрольные вопросы предназначены для проверки степени усвоения пройденного материала. Предназначено для студентов специальностей 110300, 330200, направлений 550500, 553500. Может быть использовано при изучении общих курсов «Теплофизика» и «Теплотехника».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 621.1.016.7 Б43 Р е ц е н з е н т доктор физико-математических наук, профессор Е.К. Найми Белоусов В.В. Б43 Техническая термодинамика: Учеб.-метод. Пособие. - М.: МИСиС, 2003.-70 с. Пособие нредназначено для проведения практических занятий по курсу «Техническая термодинамика»; содержит теоретические сведения по основным разделам курса, примеры решения задач и задания для самостоятельного решения. В приложениях приведен необходимый для решения задач справочный материал. Контрольные вопросы предназначены для проверки степени усвоения пройденного материала. Предназначено для студентов специальностей 110300, 330200, направлений 550500, 553500. Может быть использовано при изучении общих курсов «Теплофизика» и «Теплотехника». © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Термодинамика идеальных газов. Первый и второй законы термодинамики. Процессы изменения состояния 6 1.1. Основные зависимости и расчетные формулы 6 1.2. Примеры и решения задач 8 1.3. Задачи для самостоятельного решения 10 2. Водяной пар. Процессы изменения состояния водяного пара 14 2.1. Основные зависимости и расчетные формулы 14 2.2. Примеры решения задач 15 2.3. Задачи для самостоятельного решения 16 3. Термодинамика влажного воздуха 22 3.1. Основные зависимости и расчетные формулы 22 3.2. Примеры решения задач 23 3.3. Задачи для самостоятельного решения 24 4. Термодинамика потока газов. Истечение и дросселирование газов и паров 27 4.1. Основные зависимости и расчетные формулы 27 4.2. Примеры решения задач 28 4.3. Задачи для самостоятельного решения 31 5. Термодинамика процессов сжатия газов в компрессорах 36 5.1. Основные зависимости и расчетные формулы 36 5.2. Примеры решения задач 36 5.3. Задачи для самостоятельного решения 38 6. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок 42 6.1. Основные зависимости и расчетные формулы 42 6.2. Примеры решения задач 42 6.3. Задачи для самостоятельного решения 44 7. Термодинамические циклы паротурбинных установок 46 7.1. Основные зависимости и расчетные формулы 46 7.2. Примеры решения задач 46 7.3. Задачи для самостоятельного решения 47 8. Термодинамические циклы холодильных машин 50 8.1. Основные зависимости и расчетные формулы 50 8.2. Примеры решения задач 51 8.3. Задачи для самостоятельного решения 53 9. Контрольные вопросы 55 9.1. Термодинамика идеального газа 55 9.2. Термодинамика водяного пара 56 9.3. Термодинамика циклов двигателей и установок 57 3
Библиографический список 58 Приложение 1. Молекулярные массы, плотности и объемы киломолей при нормальных условиях, критические температуры и критические давления некоторых газов 59 Приложение 2. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначение 60 Приложение 3. Соотношения между единицами измерения давления 60 Приложение 4. Соотношение между единицами измерения энергии 60 Приложение 5. Энтальпия, энтропия и внутренняя энергия газов 61 Приложение 6. Средняя удельная теплоемкость газов при постоянном давлении, с^,кДж/(кг.К) 62 Приложение 7. Параметры насыщенного водяного пара (по температурам) 62 Приложение 8. Параметры насыщенного водяного пара (подавлениям) 64 Приложение 9. Параметры перегретого водяного пара (Единицы физических величин: р, бар; t, °С; v, м^/кг; h, кДж/кг; .,кДж/(кг.К)) 66 Приложение 10. Физические свойства сухого воздуха щмр= 1 бар 69 Приложение 11. Диаграмма влажного воздуха й - 1 / 70 4
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебно-методическое пособие создано на базе внутривузовского сборника задач для практических занятий* по курсу «Техническая термодинамика». В пособие добавлены теоретические разделы в начале каждой главы, внесены некоторые исправления в формулировки задач, дан уточненный набор приложений. Доработан библиографический список, а также представлены контрольные вопросы, которые, по мнению автора, должны помочь в усвоении материала курса. Цель пособия - научить студентов решать практические задачи, используя основные теоретические положения, излагаемые в курсе лекций. Методические основы решения задач прорабатываются на лекциях и в учебниках, входящих в библиографический список, приведенный в конце пособия. Каждый раздел пособия содержит основные теоретические сведения и расчетные формулы, примеры решения задач, а также задачи для самостоятельного решения, каждая из которых включает 14 вариантов исходных данных. Необходимый справочный материал приведен в приложениях. В пособии используется Международная система единиц - система СИ. В некоторых задачах исходные данные приводятся в единицах, используемых на практике, поэтому в таблицах приложений дан перевод этих единиц в единицы системы СИ. Для контроля усвоения материала курса на практических занятиях в конце пособия приведены контрольные вопросы. ' См.: БелоусовВ.В., Клевцов А.Г. Теплоэнергетика металлургического производства: Техническая термодинамика. Конвективный теплоперенос: Сб. задач. М.: МИСиС, 1987. 5
1. ТЕРМОДИНАМИКА ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ 1.1. Основные зависимости и расчетные формулы Молекулярные массы, плотности и другие свойства основных газов приведены в прил. 1,приставки для обозначения дольных единиц - в прил. 2, соотношение между единицами измерения давления и энергии - в прил. 3 и прил. 4, соответственно. Аналитическое выражение для Первого закона термодинамики имеет вид Ъq-du + Ышi^,q-^u + l, где/= [pdv, т.е. теплота, подведенная к термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы расширения. Первый закон термодинамики может быть записан и через изменение энтальпии: bq-dh-vdp, где - vdp внешняя работа. Согласно Второму закону термодинамики любой круговой процесс или любой процесс преобразования энергии протекает с потерями: ds>bq/T,bq<Tds, или для обратимого процесса ds = bq/T, bq = Tds. Объединенное выражение для Первого и Второго законов термодинамики уравнение Гиббса - имеет вид Tds>du+pdv 6
или для обратимого процесса Tds = du +pdv и Tds = dh- vdp. Уравнение состояния идеального газа, отнесенное к 1 кг массы газа имеет вид pv = RT, гдср- абсолютное давление, Па; v-удельный объем, м^кг; Т- абсолютная температура. К; R- удельная газовая постоянная, Дж/(кг-К); R = 8314/ц,, здесь [i, - относительная молекулярная масса газа. Основные расчетные формулы для термодинамических процессов идеального газа приведены в табл. 1.1. Значения энтальпии, энтропии и внутренней энергии некоторых газов приведены в прил. 5, средние удельные теплоемкости - в прил. 6. Таблица 1.1 Основные расчетные формулы для расчета термодинамических процессов идеального газа Процесс и условие его нрогекание Уравнения процесса Удельная работа, Дж/кг Удельная теплота, Дж/кг Изменение внутренней энергии, Изменение энтальпии, Изменение энтропии, Дж/(кг.К) Знак теплоемкости и показатель политропы Изохорный V = const Pi/Pi = Т2/Т1 l = 0,dv = 0 q = U2-Ui = = C,(T2-Ti) U2-Ui = q = = C,(T2 - Ti) h2-hi = = Cp{T2 - Ti) S2-Si = = C,ln(p2/pi) = = c^,ln(Г2/Гl) c^ = 5qJdT>0 n = ± a ) Изобарный p = const Изотермический T= const V2/V1 = T2/T1 1=P(V2-V{) = = R(T2-Ti) q = h2-hi = = Cp{T2 - Ti) U2-Ui = =(Cp-R)(T2-Ti) h2-hi = = Cp{T2 - Ti) S2-Si = = Cp\a(T2/Ti) = = c^,ln(v2/Vl) Cp = 5qp/dT>0 n = 0 V2/V1 =pi/p2 I = Rnn(v2/vi) = = PlVi]n(pi/p2) q = l; q = RTMpilp2) = = PlViln(V2/Vi) M2 - Ml = 0 Г2 - Г1 = 0 h2-hi=0 S2-Si = = RUpM) = = i?ln(V2/Vi) c = 5^j/rfr=±oo n=l Адиабатный (изоэнтропный) p / = const, q=Q,s = const A/pi=rvi/v/, T2m = (vM' l=Ui-U2 = = cX,Ti-T2) = =[k/(k-l)](Ti-T2) q = 0 ДМ = -1,М2-М1 = = [R/(k-\)lT2-T{) = = cXT2-Ti) h2-h = = Cp{T2 - Ti) S2-Si=0 c = 5qJdT=0 n = k 7
1.2. Примеры решения задач Пример 1. Определить плотность р кислорода Ог при давлении 10 бар и 70 бар, если его температура Г равна 473 К. Решение Определим величину удельной газовой постоянной кислорода: ^? = 8314/ц = 8314/32 = 260Дж/(кг-К) Считая кислород идеальным газом, из уравнения состояния pv^RT получим: р. =pl{R-T) = 10^(260-473) = 8,131 кг/м^ Р2 = 7-10^(260473) = 56,9кг/м1 Пример 2. Свинцовый шар падает с высоты 100 м. При ударе о твердую поверхность вся кинетическая энергия шара переходит в тепло, идущее на его нагрев. Определить, на сколько градусов нагреется шар, если теплоемкость свинца с, - 0,126 кДж/(кг-К). Решение Для условий данной задачи уравнение закона сохранения энергии имеет следующий вид: m-g-H-m-c,-AT. Из этого уравнения получим AT-g-H/c, =9,81-100/ /(0,126-10^) = 7,8 К. Пример 3. Определить изменение энтропии As в процессе испарения 1 кг воды при температуре 100 °С. Известно, что теплота парообразования г = 2257 кДж/кг. Решение Изменение энтропии определим по формуле As = г/Г,,, = 2257/(100 + 273) = 6,05 кДж/(кг-К). Пример 4. Определить изменение энтропии 1 кг кислорода в процессе его расширения. Начальные параметры газа: h = 400 °С, pi = 40 бар; конечные параметры: ^2 = 300 °С,р2 = 4 бар. 8
Решение Теплоемкость кислорода, для которого показатель адиабаты к ^1,4, вычислим по формуле с, = k-R/(k- 1) = 1,4-8314/(1,4 - 1)-32 = 0,945 кДж/(кг-К). Искомое изменение энтропии определим по формуле: As = c,MT2/Tj)-Rln(p2/pO - 0,9451n(573/673) - 8314/32-ln 4/40 = = 0,446 кДж/(кг-К) Пример 5. Диоксид углерода, находясь в сосуде объемом 0,8 м^ при давлении рг = 2,2 МПа и температуре h^ 20 °С, получает извне теплоту в количестве Q, = 4600 кДж. Определить температуру и давление газа в конце процесса нагрева. Решение Согласно первому закону термодинамики при v = const теплота Q^=U2-Ub отсюда удельная внутренняя энергия в конце процесса будет равна М2 = QJm + Ml, По таблице справочных данных прил. 5 находим значение удельной внутренней энергии щ при температуре ^i = 20 °С: М1=13,6кДж/кг. Затем вычисляем значение щ: щ = 4600-8314-293/(44-22-105-0,8) + 13,6 = 158,6 кДж/кг. Пользуясь данными прил. 5, определим искомую температуру t2, которая соответствует этому значению внутренней энергии и^ г2 = 219°С;Г2 = 492К. Конечное значение давления ;72 определяем по уравнению состояния идеального газа при условии v = const: Р2 -pvT2m - 2,2492/293 = 3,69 МПа. 9
1.3. Задачи для самостоятельного решения 1.1. Определите плотность р, кт/м' и удельный объем v, м'/кт газа J при давлении;?, бар и температуре Т, К. Исходные данные приводятся в табл. 1.2. Таблица 1.2 Вариант Р Т А Вариант Р Т А 1 1,0 300 со 8 2,4 350 С О 2 1,2 310 СОг 9 2,6 340 СОг 3 1,4 320 воздух 10 2,8 330 воздух 4 1,6 330 S02 11 3,0 320 S02 5 1,8 340 N02 12 3,2 310 N02 6 2,2 350 N2 13 3,4 300 N2 7 2,0 360 02 14 3,6 290 02 1.2. Определите грузоподъемность ( подъемную силу ) аэростата F, кН объемом V, м^ если он заполнен газом А при давлении р, бар и температуре Т, К. Исходные данные приводятся в табл. 1.3. Таблица 1.3 Вариант V Р т А Вариант V Р т А 1 1000 1,0 300 Н2 8 1500 1,2 295 Н2 2 1500 1,1 305 Н2 9 2000 1,0 290 Н2 3 2000 1,2 310 Н2 10 1000 1,1 290 Не 4 1000 1,2 290 Не 11 1500 1,2 295 Не 5 1500 1,0 295 Не 12 2000 1,0 300 Не 6 2000 1,1 300 Не 13 1000 1,1 305 Н2 7 1000 1,1 300 Н2 14 1500 1,2 310 Не 1.3. Объемная производительность компрессора для сжатия газа А при нормальных условиях (н.у.) равна Гк,м^час. Определите массовую производительность компрессора G, кг/час. Исходные данные приводятся в табл. 1.4. 10
Таблица 1.4 Вариант А v^ Вариант А v^ 1 2 3 воздух 500 8 N2 550 воздух 1500 9 N2 600 воздух 300 10 Не 20 4 ©2 200 11 Не 200 5 ©2 300 12 Не 400 6 ©2 400 13 ©2 50 7 N2 500 14 ©2 100 1.4. Определите плотность р, кг/м^ газа А при давлении р^, МПа ир2, МПа, если его температура равна Т, К. Исходные данные приводятся в табл. 1.5. Таблица 1.5 Вариант А Pi Р2 Т Вариант А Pi Р2 Т 1 N2 1,0 6,0 673 8 ©2 1,5 6,5 573 2 N2 1,0 6,0 573 9 ©2 2,0 7,0 573 3 N2 1,0 6,0 473 10 воздух 3,0 2,0 373 4 воздух 1,5 2,0 373 11 воздух 3,5 2,5 373 5 воздух 1,5 3,0 473 12 воздух 4,0 1,5 373 6 воздух 1,5 4,0 573 13 N2 1,5 6,0 473 7 ©2 1,0 6,0 573 14 N2 2,0 7,0 473 1.5. Масса пустого баллона для газа вместимостью 40 дм^ равна 64 кг. Определите массу баллона с газом т, кг ,если баллон наполнить газом А при температуре h, °С и давлении рь МПа. Как изменится давление газа (рг, МПа), если баллон внести в помещение с температурой t2, °С? Исходные данные в табл. 1.6. Таблица 1.6 Вариант ti Pi h А Вариант h Pi t2 A 1 15 10 30 O2 8 15 15 25 аргон 2 15 11 30 ©2 9 15 14 29 аргон 3 15 12 25 N2 10 15 13 30 гелий 4 20 13 25 N2 11 15 12 31 гелий 5 20 14 28 N2 12 20 11 30 гелий 6 20 15 28 аргон 13 20 10 29 ©2 7 20 16 29 аргон 14 20 9 25 ©2 11
1.6. Начальное состояние газа задано параметрами ^ь °С и Vb MVKF. Газ нагревают при постоянном давлении, в результате его удельный объем возрастает до Уг M'IKT. Как определить его конечную температуру? Исходные данные приводятся в табл. 1.7. Таблица 1.7 Вариант t, Vl V2 Вариант h Vl V2 1 200 1,9 5,7 8 125 0,9 6,5 2 200 1,8 5,5 9 150 1,0 6,4 3 100 1,1 7,0 10 175 1,1 6,3 4 30 0,5 6,9 11 200 1,2 6,2 5 50 0,6 6,8 12 225 1,3 6,1 6 75 0,7 6,7 13 250 1,4 6,0 7 100 0,8 6,6 14 275 1,5 5,9 1.7. В цилиндре с подвижным поршнем находится воздух при давлении ;?!, бар. Газ сжимают при постоянной температуре до избыточного давления рг, бар. Определите во сколько раз уменьшится объем воздуха в цилиндре. Барометрическое давление равно В, бар. Исходные данные приводятся в табл. 1.8. Таблица 1.8 Вариант Pi Р2 В Вариант Pi Р2 В 1 0,427 12 0,995 8 0,41 13 1,05 2 0,35 13 0,995 9 0,42 14 1,05 3 0,36 14 0,995 10 0,43 15 1,05 4 0,37 15 0,995 11 0,44 16 1,05 5 0,38 14 0,995 12 0,40 15 1,05 6 0,39 13 0,995 13 0,40 14 1,0 7 0,40 12 0,995 14 0,40 13 1,0 1.8. Мощность электростанции на выходных шинах составляет N, МВт. Определите массовый расход топлива В, кг/ч, которое сжигают в топках парогенераторов электростанции, если все виды потерь энергии на станции составляют 70 %. Известно, что теплота сгорания топлива равна Q,\ МДж/кг. Исходные данные приводятся в табл. 1.9. 12
Таблица 1.9 Вариант N а" Вариант N QI 1 10 30 8 17 27 2 12 30 9 16 27 3 14 30 10 15 26 4 16 28 11 14 26 5 11 28 12 13 26 6 13 28 13 12 28 7 15 27 14 11 29 1.9. Коэффициент полезного действия (КПД) нагревательной печи тепловой мощностью Ж, КВт, при электрообогреве равен 40 %. Другая печь такой же мощности отапливается природным газом, теплота сгорания которого равна Q^\ МДж/м1 Определите каким должен быть часовой расход топлива В, м^ч, если КПД такой печи не менее 30 %. Исходные данные приводятся в табл. 1.10. Таблица 1.10 Вариант N а" Вариант N а" 1 100 30 8 160 31 2 150 20 9 180 29 3 200 22 10 200 27 4 210 24 11 215 25 5 220 26 12 230 23 6 120 28 13 240 30 7 140 30 14 250 30 1.10. Средняя удельная теплоемкость алюминия в интервале температур от О °С до t, °С равна с„ кДж/(кг-К). Определите величину энтропии S, кДж/К слитка массой т, кг алюминия при температуре t °С, считая, что при О °С энтропия равна нулю. Исходные данные приводятся в табл. 1.11. Таблица 1.11 Вариант t с„ т Вариант t с„ т 1 300 0,955 100 8 350 0,967 110 2 200 0,938 50 9 250 0,946 120 3 250 0,946 60 10 300 0,955 130 4 300 0,955 70 11 350 0,967 140 5 350 0,967 80 12 250 0,946 120 6 250 0,946 90 13 300 0,955 100 7 300 0,955 100 14 350 0,967 80 13
Доступ онлайн
В корзину