Основы технической термодинамики

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ю.В. ОВЧИННИКОВ

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ 

ТЕРМОДИНАМИКИ

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.1.016.7(075.8)

О-355

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Г.В. Ноздренко,

д-р техн. наук Л.А. Огуречников

Овчинников Ю.В.

О-355
Основы технической термодинамики : учебник / Ю.В. Овчинников. –

Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. – 292 с. (серия «Учебники НГТУ»)

ISBN 978-5-7782-1303-6

Учебник включает в себя основные понятия и законы технической термо
динамики, приложения этих законов к термодинамическим процессам и системам. Хорошо представлены материалы двух основных методов инженерных 
расчетов – аналитического и метода термодинамических диаграмм.

Рассмотрены термодинамические основы химических реакций с введением 

«свободной» энергии и энтальпии, что закладывает основы многих технических процессов в промышленной теплоэнергетике: в топливных элементах, в 
электрохимических генераторах, в различного рода преобразованиях энергии, 
не связанных с работой изменения объема рабочего тела.

Учебник написан на высоком научном и методическом уровне, доступно и 

просто,  предназначен для студентов-теплоэнергетиков.

УДК 621.1.016.7(075.8)

ISBN 978-5-7782-1303-6
© Овчинников Ю.В., 2010
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................................................................................11

Введение...................................................................................................................13

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ

ТЕРМОДИНАМИКИ ............................................................................21

1.1. Термодинамическая система .....................................................................21

1.2. Источник и приемник теплоты..................................................................22

1.3. Рабочее тело ................................................................................................23

1.4. Теплота ........................................................................................................23

1.5. Механическая работа .................................................................................23

1.6. Нулевое начало термодинамики (закон теплового равновесия)............23

1.7. Первое начало термодинамики .................................................................24

1.8. Второе начало термодинамики..................................................................24

1.9. Третье начало термодинамики ..................................................................25

ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ПОНЯТИЙ

И ЗАКОНОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ .....................27

2.1. Состояние рабочего тела, параметры состояния, свойства

параметров состояния ................................................................................27

2.2. Уравнение состояния рабочего тела, идеальный и реальный газ,

термодинамическая поверхность, термодинамический процесс...........33

ОГЛАВЛЕНИЕ
6

ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ИДЕАЛЬНОГО

И РЕАЛЬНОГО ГАЗА. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ,

ВОДЯНОЙ ПАР....................................................................................39

ГЛАВА 4. ПЕРВЫЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ .......................47

4.1. Механическая работа .................................................................................47

4.2. Теплота ........................................................................................................49

4.3. Теплоемкость, свойства теплоемкости.....................................................51

4.4. Соотношение между теплотой и работой. Внутренняя энергия............53

4.5. Первый закон термодинамики для изолированной (закрытой)

термодинамической системы ....................................................................54

4.6. Первый закон термодинамики для открытой термодинамической

системы........................................................................................................56

4.7. Некоторые частные случаи открытых термодинамических систем......61

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ......65

5.1. Политропный термодинамический процесс ............................................66

5.2. Частные термодинамические процессы ...................................................70

ГЛАВА 6. СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ, ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ ..................81

6.1. Следствия из закона Дальтона...................................................................81

6.2. Способы задания газовой смеси................................................................84

6.3. Смешение газообразных и жидких тел......................................................86

6.4. Влажный воздух..........................................................................................91

6.5. h – d-диаграмма влажного воздуха ...........................................................94

ГЛАВА 7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ВОДЯНОГО ПАРА,

ПРОЦЕССЫ В ДИАГРАММАХ..........................................................99

7.1. t – s-диаграмма водяного пара.................................................................100

7.2. h – s-диаграмма водяного пара................................................................103

ОГЛАВЛЕНИЕ
7

7.3. p – s-диаграмма воды и водяного пара ...................................................107

7.4. p – h-диаграмма реального газа...............................................................109

ГЛАВА 8. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ......................111

8.1. Общие свойства циклов ...........................................................................111

8.2. Анализ циклов Р. Клаузиуса....................................................................117

8.3. Цикл Карно................................................................................................119

8.4. Энтропия как параметр состояния рабочего тела .................................121

8.5. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы

при наличии необратимой теплопередачи. Потеря работы..................123

8.6. Интеграл Клаузиуса..................................................................................124

8.7. Формулировки второго закона термодинамики ....................................127

ГЛАВА 9. МАКСИМАЛЬНАЯ И ТЕРЯЕМАЯ РАБОТА .................................129

9.1. Максимальная работа, свободная энергия и свободная энтальпия .....129

9.2. Эксергия и потеря работы вследствие необратимости реальных

процессов...................................................................................................131

9.3. Баланс энергии и эксергии парового котла............................................134

ГЛАВА 10. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ.............141

10.1. Основные понятия и уравнения газодинамики ...................................141

10.2. Скорость звука и критические параметры ...........................................143

10.3. Скачки уплотнения.................................................................................148

10.4. Течение газа через сопла и диффузоры................................................153

10.5. Влияние трения на истечение................................................................158

10.6. Течение в длинных трубах.....................................................................161

10.7. Дросселирование газов и паров.............................................................163

ГЛАВА 11. ЦИКЛЫ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК....................167

11.1. Цикл Ренкина на насыщенном паре......................................................168

ОГЛАВЛЕНИЕ
8

11.2. Эквивалентный цикл Карно...................................................................169

11.3. Цикл Ренкина на перегретом паре ........................................................170

11.4 Влияние начального давления на эффективность цикла Ренкина

на перегретом паре ..................................................................................172

11.5. Влияние давления в конденсаторе на эффективность

цикла Ренкина .........................................................................................173

11.6. Цикл на сверхкритических параметрах пара .......................................175

11.7. Регенеративный цикл .............................................................................178

11.8. Теплофикационный цикл.......................................................................181

11.9. Энергетическая и эксергетическая эффективность

пароэнергетических установок..............................................................183

ГЛАВА 12. ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .......................187

12.1. Обобщенный теоретический цикл тепловых газовых двигателей ....188

12.2. Цикл ДВС со сжиганием при V = const ................................................190

12.3. Цикл со сжиганием при Р = const .........................................................191

12.4. Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера...............192

12.5. Теоретические циклы газотурбинных двигателей ..............................193

12.6. Сравнение теоретических циклов газовых двигателей.......................200

12.7. Теоретический цикл тепловой машины Стирлинга ............................202

ГЛАВА 13. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЦИКЛЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК ...................................................................................209

13.1. Бинарный паротурбинный цикл............................................................209

13.2. Теплофикационные циклы.....................................................................212

13.3. Комбинированный парогазовый цикл..................................................217

13.4. Комбинированный цикл МГД и ПЭУ...................................................219

13.5. Цикл СПГГ и газовой турбины .............................................................221

ОГЛАВЛЕНИЕ
9

ГЛАВА 14. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПРИМИРОВАНИЯ

ГАЗОВ................................................................................................225

14.1. Термодинамический анализ компримирования газов.........................225

14.2. Многоступенчатое компримирование..................................................230

ГЛАВА 15. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

И ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ...................................................233

15.1. Цикл воздушной компрессорной холодильной установки.................233

15.2. Цикл воздушного компрессорного термотрансформатора

(теплового насоса) ..................................................................................236

15.3. Цикл парокомпрессорной холодильной установки.............................238

15.4. Парокомпрессорная теплонасосная отопительная установка............239

15.5. Пароэжекторная холодильная установка .............................................240

15.6. Пароэжекторная термотрансформаторная установка.........................243

15.7. Абсорбционная холодильная установка...............................................244

15.8. Установка с вихревой трубой................................................................246

ГЛАВА 16. ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.......................249

16.1. Основные понятия химической термодинамики.................................249

16.2. Основные законы химической термодинамики...................................253

16.3. Максимальная работа химических реакций.........................................263

16.4. Зависимость скорости реакции от температуры .................................273

16.5. Тепловой закон Нернста ........................................................................277

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Понятие о термодинамике необратимых процессов..........280

ПРИЛОЖЕНИЕ II. Синергетика и новые способы преобразования энергии.

Самоорганизующиеся системы и их роль в эффективном

производстве энергии...........................................................284

ОГЛАВЛЕНИЕ
10

ПРИЛОЖЕНИЕ III. Первый закон термодинамики и метод согласования

балансовых уравнений для повышения точности

исходной информации при математическом

моделировании функционирующих энергоблоков .........287

Библиографический список..................................................................................291

ОГЛАВЛЕНИЕ
11

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник «Основы технической термодинамики» предназначен для студен
тов Новосибирского государственного технического университета и в первую 
очередь для теплоэнергетиков. Учебник написан в соответствии с Государственным стандартом высшего образования по направлениям 140100 – теплоэнергетика и 220301 – автоматика теплоэнергетики, но может быть использован и студентами электроэнергетического направления при изучении курса 
«Общая энергетика».

В течение последних двадцати лет новые учебники по технической термо
динамике в РФ не издавались, а ставшие классическими учебники 
М.П. Вукаловича и И.И. Новикова, В.А. Кириллина, В.В. Сычева, А.Е. Шейндлина, 
А.С. Ястржембского 
и 
более 
ранние 
учебники 
И.П. Базарова, 

А. Зоммерфельда, А.Б. Млоджевского несколько устарели и не отвечают тем 
методическим подходам, которые используются в современном преподавании 
этой дисциплины.

В настоящем учебнике использован опыт преподавания автором техниче
ской термодинамики на протяжении сорока лет, а также работа за рубежом, 
где он познакомился с методикой преподавания этой дисциплины в нескольких крупных учебных заведениях разных стран.

В НГТУ многие годы выполняются научные исследования сложных тепло
энергетических систем, результаты которых признаны в России и за рубежом. 
Сложилась научная школа, которая в своих исследованиях использует развитые в ней современные термодинамические методы решения технических оптимизационных задач на самом современном уровне. Принадлежа к этой школе, автор и при работе над учебником стремился подготовить студентов к 
восприятию последующего материала в специальных курсах; изложить сложные понятия по возможности просто, чтобы ими было легко пользоваться при 

ПРЕДИСЛОВИЕ
12

самостоятельном изучении разделов учебника. Автор имел в виду те сложности, которые испытывают при изучении дисциплин студенты системы дистанционного образования.

Желаю читателям успешного изучения увлекательной науки об энергии –

термодинамики.

Ю.В. Овчинников 

ВВЕДЕНИЕ
13

ВВЕДЕНИЕ

Предмет технической термодинамики

Перевод слова «термодинамика» с греческого языка означает науку о си
лах, 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? Понятие «энергия» является философской категори
ей, определяющей способность материи к непрерывному изменению, взаимодействию в различных ее проявлениях, т.е. обозначает способ существования 
материи. К сожалению, сегодня мы больше ничего по этому поводу сказать не 
можем. Энергию мы наблюдаем только в конкретных проявлениях, которые 
называем видами энергии: теплота, электрическая энергия, механическая энергия, лучистая энергия или радиация и т.п. Мы достаточно хорошо изучили отдельные проявления энергии, разобрались в трансформации одного вида энергии в другой и в процессах в веществе, сопровождающих эту трансформацию. 
Благодаря этому мы можем судить о некоторых общих свойствах энергии, но, 
несмотря на это, все еще очень далеки от понимания природы энергии.

Техническая термодинамика – это наука о проявлениях энергии в технике: 

в установках, аппаратах, машинах, технологических процессах, т.е. в искусственной среде, созданной интеллектом человека. Таким образом, техническая 
термодинамика – это наука, сопряженная с практической деятельностью людей, и ее развитие неразрывно связано с техническим прогрессом.

Задачи курса «Техническая термодинамика»

В практической деятельности людей большое значение имеют процессы 

трансформации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию. 
Установки, в которых осуществляется этот процесс, называются энергетическими. Это тепловые электрические станции разных типов, двигатели 

ВВЕДЕНИЕ
14

внутреннего сгорания, газовые турбины и различные технологические установки.

Техническая термодинамика дает теоретические основы функционирова
ния 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 является базовой, фундаментальной дисциплиной в системе образования специалиста-теплоэнергетика. Термодинамика – это не только наука, закладывающая основы инженерной подготовки, но и мировоззренческая наука, 
развивающая у будущего инженера такие качества, как пытливость, любознательность, интеллект.

Задача курса «Техническая термодинамика» заключается не только в пере
даче слушателю некоторой суммы знаний, необходимых в последующей практической деятельности, но и в воспитании любви к знаниям в широком интеллектуальном смысле.

Метод технической термодинамики

Основной метод исследования объектов в термодинамике – феноменологи
ческий. Согласно этому методу объект рассматривается как феномен (явление). Если воздействовать на объект со стороны, то можно зарегистрировать 
его отклики на воздействия. Что происходит при этом внутри объекта – не 
рассматривается. Задача состоит в том, чтобы установить функциональную 
зависимость между воздействием и откликом. Это соотношение является феноменологической моделью термодинамического объекта.

При использовании феноменологического метода объект мысленно окру
жается оболочкой, так называемой контрольной поверхностью, через которую 
проходят все входящие потоки энергии и вещества (воздействия) и все выходящие потоки (отклики), как это показано на рис. В.1.

Все измерения выполняются одновременно на контрольной поверхности. 

Результаты такого исследования турбогенератора могут быть представлены в 
виде феноменологической модели (рис. В.2).

Феноменологическое исследование ряда однородных объектов и обобще
ние этих исследований в виде предельно абстрактной модели явления  (объекта) позволяют получить систему основных понятий технической термодинамики. К ним относятся: термодинамическая система, рабочее тело, идеальный 

ВВЕДЕНИЕ
15

°

°

>

~

°

D, h, p0, t0

А

Nэл

В

Контрольная

поверхность

DK, hK, p0
C

А

и реальный газ, политропный термодинамический процесс, идеальный термодинамический цикл и т.п.

Рис. В.1. Схема феноменологического исследования работы турбогенератора:

А, В, С – точки измерений на контрольной поверхности, соответственно:
А – поток энергии и вещества с паром, входящим в турбину, В – поток

электроэнергии на клеммах электрогенератора, С – поток энергии

и вещества, исходящий из турбины в конденсатор

Рис. В.2. Энергетическая характеристика турбогенератора

Феноменологический метод исследования представляет собой мощный ин
струмент в познании мира, именно благодаря тому, что не рассматривает механизм внутренних процессов в объекте. Он базируется на основных фундаментальных законах природы, на том, что твердо установлено наукой и не 

Q, МВт

Qmax

Q0

0
Nmax
N, МВт

ВВЕДЕНИЕ
16

подлежит ревизии, в то время как механизм внутренних процессов является 
сиюминутным, основанным на текущих представлениях, и может быть пересмотрен и даже отброшен и заменен другим по мере развития наших знаний.

Вместе с тем техническая термодинамика не отказывается и от использова
ния современных представлений о механизме феноменальных объектов, когда 
они приводят к выводам феноменологических исследований.

Краткая история развития технической термодинамики

Начало термодинамики как науки было положено книгой французского 

инженера Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», изданной в 1824 году.

В этой книге содержались представления об основных понятиях термоди
намики, таких как  термодинамическая система, рабочее тело, параметры состояния, термодинамический процесс и цикл теплового двигателя. Сади Карно 
высказал идею идеального цикла тепловой машины, а также мысли, которые 
позднее легли в основу первого и второго закона термодинамики и ряда важных положений.

Эти представления были развиты не на пустом месте. К 1824 году созданы 

практически все основные типы тепловых машин, открыты способы трансформации тепловой и химической энергии в механическую и электрическую, 
хотя понятие об энергии было еще весьма смутным и заменялось представлением о силах. 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 пароатмосферной машины. В 
1705–1712 годах англичанин Т. Ньюкомен построил ряд паропоршневых насосов для откачки воды из шахт. Эти насосы успешно эксплуатировались в Англии (последний из них демонтирован в 1934 году). В 1766 году в Сибири русский инженер И.И. Ползунов построил первую универсальную паровую 
машину, правда, она оставалась еще пароатмосферной (т.е. силовой ход поршня осуществлялся под действием атмосферного давления).

Первую универсальную паропоршневую 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, рабо
тающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием от 
электрической искры и сгоранием внутри цилиндра (ДВС). В 1816 году анг