Термодинамика и теплопередача

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 

 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 
 
 

 

 

УДК 536.24 + 536.7] (075.8) 
         Ш 264 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников, 
д-р техн. наук, профессор А.В. Чичиндаев 

Ш 264  

Шаров Ю.И. 
 
Термодинамика и теплопередача : учебник / Ю.И. Шаров. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. – 311 с. – 
(Серия «Учебники НГТУ»).

ISBN 978-5-7782-4024-7 

Учебник включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики и теплопередачи, приложения этих законов к 
процессам и системам. 
Учебник написан доступно и просто, предназначен для студентов направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Производство тепловой и электрической энергии» и для студентов направления 20.03.01 «Техносферная безопасность», профиль «Безопасность жизнедеятельности в техносфере». 

УДК 536.24 + 536.7] (075.8) 

ISBN 978-5-7782-4024-7 
 Шаров Ю.И., 2019 
 Новосибирский государственный 
технический университет, 2019         

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ТЕРМОДИНАМИКА ............................................. 9 
Предисловие .................................................................................................... 11 
Введение .......................................................................................................... 12 

Глава 1. Идеальные газы ............................................................................. 17 
   1.1. Уравнение Клапейрона ......................................................................... 17 
   1.2. Первый закон термодинамики ............................................................. 24 
   1.3. Смеси идеальных газов ........................................................................ 25 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 30 

Глава 2. Теплоемкости газов. Влажный воздух ...................................... 31 
   2.1. Теплоемкости газов .............................................................................. 31 
   2.2. Влажный воздух .................................................................................... 38 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 40 

Глава 3. Термодинамические поверхности идеального 
и реального газа ............................................................................................ 41 
   3.1. Термодинамические поверхности ....................................................... 41 
   3.2. Термодинамические диаграммы водяного пара ................................ 44 
   3.3. pv-диаграмма водяного пара ................................................................ 47 
   3.4. ts-диаграмма водяного пара ................................................................. 51 
   3.5. hs-диаграмма водяного пара ................................................................ 53 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 54 

Глава 4. Исследование термодинамических процессов ........................ 55 
   4.1. Политропный термодинамический процесс [3–5] ............................. 55 
   4.2. Энтропия идеального газа .................................................................... 62 
   4.3. Частные термодинамические процессы .............................................. 64 
   4.4. Первый закон термодинамики для потока газа [12] .......................... 75 

4.5. Истечение газов и паров [4] ................................................................. 77 
   4.6. Дросселирование газов и паров [4] ..................................................... 83 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 86 

Глава 5. Второй закон термодинамики [4, 5] ........................................... 87 
   5.1. Основные определения ......................................................................... 87 
   5.2. Цикл Карно ............................................................................................ 90 
   5.3. Энтропия как параметр состояния рабочего тела .............................. 92
   5.4. Изменение энтропии термодинамической системы  
          при необратимой теплопередаче ......................................................... 94 
   5.5. Интеграл Клаузиуса .............................................................................. 95 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 98 

Глава 6. Максимальная и теряемая работа [5] ....................................... 99 
   6.1. Максимальная работа ........................................................................... 99 
   6.2. Эксергия ............................................................................................... 101 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 104 

Глава 7. Циклы паротурбинных установок (ПТУ) .............................. 105 
   7.1. Цикл Ренкина ...................................................................................... 105 
   7.2. Цикл Ренкина на перегретом паре .................................................... 106 
   7.3. Влияние начального давления на КПД цикла Ренкина ................... 107 
   7.4. Цикл ПТУ на сверхкритических параметрах пара .......................... 108 
   7.5. Регенеративный цикл ПТУ ................................................................ 110 
   7.6. Теплофикационный цикл ПТУ .......................................................... 113 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 116 

Глава 8. Циклы тепловых двигателей .................................................... 117 
   8.1. Обобщенный цикл тепловых газовых двигателей ........................... 117 
   8.2. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты ..................................... 119 
   8.3. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты ..................................... 121 
   8.4. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (Тринклера) ............ 122 
   8.5. Принцип действия ДВС...................................................................... 123 
   8.6. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) ........................................... 128 
      Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты ......................................... 128 
      Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты .......................................... 130 
      Регенеративный цикл ГТУ ..................................................................... 131 
      Регенеративный цикл ГТУ с промежуточным  
      подводом теплоты и охлаждением ........................................................ 133 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
7 

   8.7. Комбинированная парогазовая установка (ПГУ) ............................ 135 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 136 

Глава 9. Циклы холодильных установок и компрессоров ................. 137 
   9.1. Цикл воздушной холодильной установки ........................................ 137 
   9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки ....................... 139 
   9.3. Абсорбционная холодильная установка ........................................... 141 
   9.4. Термодинамические процессы компрессоров .................................. 143 
      Реальные компрессоры ........................................................................... 145 
      Условия разделения на ступени ............................................................ 147 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 149 

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ............................................ 151 
Введение ........................................................................................................ 153 

Глава 1. Теплопроводность ....................................................................... 155 
   1.1. Температурное поле ........................................................................... 155 
   1.2. Градиент температуры ....................................................................... 156 
   1.3. Тепловой поток. Закон Фурье ............................................................ 157 
   1.4. Дифференциальное уравнение теплопроводности .......................... 159 
   1.5. Условия однозначности ...................................................................... 163 
   1.6. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку ................ 165 
   1.7. Теплопроводность через трехслойную плоскую стенку ................. 168 
   1.8. Теплопроводность через однослойную цилиндрическую стенку ....... 170 
   1.9. Теплопроводность через трехслойную цилиндрическую стенку ........ 174 
   1.10. Теплопроводность через сферическую стенку .............................. 175 
   1.11. Теплопроводность в однородной пластине при наличии  
            внутренних источников теплоты ..................................................... 177 
   1.12. Теплопроводность в однородном цилиндре ................................... 181 
   1.13. Тепловая изоляция. Критический диаметр изоляции .................... 183 
   1.14. Теплопроводность в стержне (ребре) .............................................. 187 
   1.15. Нестационарная теплопроводность ................................................ 192 
      Общие определения ................................................................................ 192 
      Охлаждение (нагревание) пластины ..................................................... 193 
      Охлаждение (нагревание) цилиндра ..................................................... 202 
      Регулярный режим охлаждения (нагревания тел) ............................... 204 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 210 

Глава 2. Конвективный теплообмен ....................................................... 211 
   2.1. Физические свойства жидкостей ....................................................... 211 
   2.2. Гидродинамический пограничный слой ........................................... 213 
   2.3. Математическое описание конвективной теплоотдачи .................. 215 
   2.4. Уравнения подобия ............................................................................. 227 
   2.5. Три теоремы подобия физических явлений ..................................... 228 
   2.6. Методы моделирования ..................................................................... 230 
   2.7. Обработка и обобщение экспериментальных данных .................... 232 
   2.8. Вынужденная конвекция в трубах и каналах ................................... 235 
   2.9. Теплообмен при поперечном обтекании труб и трубных пучков .... 240 
   2.10. Теплообмен при свободной конвекции .......................................... 247 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 251 

Глава 3. Теплообмен при фазовых превращениях ............................... 253 
   3.1. Теплообмен при кипении жидкостей ................................................ 253 
   3.2. Теплообмен при конденсации чистых паров ................................... 262 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 265 

Глава 4. Теплообмен излучением............................................................. 267 
   4.1. Основные понятия и определения ..................................................... 267 
   4.2. Основные законы лучистого теплообмена ....................................... 271 
   4.3. Лучистый теплообмен между параллельными поверхностями ...... 275 
   4.4. Особенности лучистого теплообмена в газах .................................. 278 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 284 

Глава 5. Теплообменные аппараты ......................................................... 285 
   5.1. Основные понятия и определения ..................................................... 285 
   5.2. Теплопередача через плоские стенки................................................ 286 
   5.3. Теплопередача через цилиндрические стенки ................................. 287 
   5.4. Теплопередача через сферическую стенку ....................................... 289 
   5.5. Интенсификация теплопередачи ....................................................... 291 
   5.6. Теплообменные аппараты .................................................................. 293 
   5.7. Гидравлический расчет теплообменников ....................................... 304 
   5.8. Теплоносители .................................................................................... 306 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 308 
Библиографический список ......................................................................... 309 

 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
9 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
×àñòü ïåðâàÿ 

 
 
ÒÅÐÌÎÄÈÍÀÌÈÊÀ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
11 

 

 
 
 
 
 
 
 

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ 

Настоящий учебник создан для студентов энергетических специальностей вузов. При его написании автор использовал свой опыт 
преподавания курсов «Теплотехника», «Техническая термодинамика», «Тепломассообмен» в Новосибирском государственном техническом университете. В настоящее время в большинстве отраслей 
требуется знание теоретических основ теплотехники при создании 
новых машин и модернизации старых установок. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

Предмет термодинамики. Слово «термодинамика» в переводе с 
греческого языка означает науку о силах, вызываемых тепловыми явлениями. Так определяли эту науку сто пятьдесят лет назад при ее зарождении. Сегодня под термодинамикой понимают науку об энергии. 
Но что такое энергия? Это понятие является философской категорией, определяющей способность материи к непрерывному изменению, взаимодействию в различных ее проявлениях, т. е. обозначает способ существования материи [1–4]. Энергия подразделяется 
на следующие виды: теплота, электрическая энергия, механическая 
энергия, лучистая энергия (радиация). Мы достаточно хорошо изучили отдельные проявления энергии, разобрались в трансформации 
одного вида энергии в другой и в процессах, сопровождающих эту 
трансформацию. Техническая термодинамика – это наука о взаимном преобразовании тепловой и механической энергии. 
Задачи курса «Термодинамика». Механическая энергия легко и 
полностью преобразуется в тепловую, а для преобразования тепловой энергии в механическую требуется так называемый тепловой 
двигатель. Это двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные (ГТУ) и паротурбинные (ПТУ) установки, реактивные и ракетные двигатели. 
Техническая термодинамика дает теоретические основы функционирования энергетических установок. Методы исследования и 
выводы технической термодинамики позволяют создавать эффективные и совершенные инженерные конструкции таких установок.  
На базе технической термодинамики развита прикладная инженерная 
наука «Теплотехника» – одна из фундаментальных основ всей современной цивилизации. Таким образом, техническая термодинамика и 
теплопередача являются теоретическими основами теплотехники. 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

 
13 

Термодинамика – это не только наука, закладывающая основы инженерной подготовки, но и мировоззренческая наука, развивающая у будущего инженера такие качества, как пытливость, любознательность. 
Метод технической термодинамики. Основной метод исследования объектов в термодинамике – феноменологический. Согласно 
этому методу объект рассматривается как феномен (явление). Если 
воздействовать на объект со стороны, то можно зарегистрировать 
его отклики на воздействия. Задача состоит в том, чтобы установить функциональную зависимость между воздействием и откликом. Она является феноменологической моделью термодинамического объекта.
Феноменологические исследования ряда однородных объектов и 
их обобщение в виде абстрактной модели явления (объекта) позволяют получить систему основных понятий технической термодинамики. К ним относятся: термодинамическая система, рабочее тело, 
идеальный и реальный газ, политропный термодинамический процесс, идеальный термодинамический цикл и т. п. 
Краткая история развития технической термодинамики. Начало 
термодинамики как науки было положено книгой французского инженера Саади Карно «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», изданной в 1824 году [5]. 
В этой книге содержались представления об основных понятиях 
термодинамики, таких как термодинамическая система, рабочее 
тело, параметры состояния, термодинамический процесс и цикл теплового двигателя. С. Карно высказал идею идеального цикла тепловой машины, а также мысли, которые позднее легли в основу первого 
и второго закона термодинамики и ряда важных положений. 
К 1824 году были созданы практически все основные типы тепловых машин, открыты способы трансформации тепловой и химической энергии в механическую и электрическую. В 1681 году механик Д. Папен изобрел паровой котел с предохранительным клапаном, а в 1698 году дал правильное термодинамическое описание 
процессов в цилиндре созданной им паровой атмосферной машины. 
В 1705–1712 годах англичанин Т. Ньюкомен построил ряд паровых 
поршневых насосов для откачки воды из шахт. Эти насосы длительное время успешно эксплуатировались в Англии. В 1766 году в Сибири русский инженер И.И. Ползунов построил первую универсальную паровую машину. 

×àñòü ïåðâàÿ. ÒÅÐÌÎÄÈÍÀÌÈÊÀ 

14 
 

Первую универсальную паровую поршневую машину построил в 
1769 году Д. Уатт, усовершенствовав насос Ньюкомена. В результате 
ряда усовершенствований (патенты 1782 и 1788 годов) паровая машина Уатта была доведена до современной конструкции. 
В 1801 году француз Ф. Лебон запатентовал поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с 
зажиганием от электрической искры и сгоранием внутри цилиндра. 
В 1816 году английский священник Р. Стирлинг получил патент на 
универсальную тепловую машину, способную работать на разных 
топливах как двигатель внешнего сгорания, холодильник и тепловой 
насос. 
В 1801 году англичанин Г. Дэви изобрел угольно-кислородный 
топливный элемент, в котором химическая энергия топлива должна 
быть преобразована в электрическую без трансформации в механическую. В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек открыл термоэлектрический эффект, т. е. возможность прямого преобразования тепловой 
энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев разнородных проводников. 
В 1834 году Б. Клапейрон издал «Мемуары о движущей силе теплоты», которые стали дальнейшим развитием труда С. Карно. Работа 
Б. Клапейрона представляла собой математическое изложение идеи 
основателя термодинамики, а также включала графический метод 
исследования работы тепловых машин. 
Дальнейшее развитие технической термодинамики проходило в 
направлении формирования понятия «энергия» (1845–1847, Р. Майер, 
Д. Джоуль, Г. Гельмгольц) и разработки первого закона термодинамики, который был окончательно сформулирован в 1853 году В. Томсоном. 
В 1855–1857 годах немец Р. Клаузиус развил представления о 
термодинамических циклах тепловых машин, обосновав понятия обратимых и необратимых процессов и циклов, и ввел «энтропию» как 
параметр состояния. Все это послужило обоснованием второго закона термодинамики, который установил ограничения на трансформацию теплоты в механическую работу. 
Теплота не является функцией состояния рабочего тела, и это делает ее определение в совершаемом процессе затруднительным. Однако Р. Клаузиус нашел, что для теплоты процесса интегрирующим 
множителем является 1/T . Поэтому величина 
/
dQ T   уже есть функция состояния рабочего тела, а ее изменение в круговом процессе