Техническая термодинамика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
Ю.И. ШАРОВ, О.К. ГРИГОРЬЕВА 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКАЯ  
ТЕРМОДИНАМИКА 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 621.1.016.7(07) 
          Ш 264 
 
 
 
 
 
 
Рецензент:  
д-р техн. наук, процессор П.А. Щинников 
канд. техн. наук, доцент А.А. Францева 
 
 
 
 
Шаров Ю.И. 
Ш 264  Техническая термодинамика: учебно-методическое пособие / 
Ю.И. Шаров, О.К. Григорьева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2019. – 40 с. 

ISBN 978-5-7782-3761-2 

 
Работа подготовлена кафедрой тепловых электрических станций  
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия для студентов-заочников 
направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль  
«Производство тепловой и электрической энергии» 
 
 
 
 
 
УДК 621.1.016.7(07) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782- 3761-2  
 
 
 
 
 
© Шаров Ю.И., Григорьева О.К., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 

Студент-заочник, руководствуясь программой курса и методическими указаниями, самостоятельно изучает материалы учебника и 
учебных пособий и выполняет письменные контрольные роботы. 
В период экзаменационной сессии по наиболее сложным вопросам 
преподаватели читают лекции. 
Курс «Техническая термодинамика» является базовым для студентов направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Необходимо разобраться в основных понятиях и определениях, понять ход 
математических выводов той или иной формулы, разобраться в физической сущности процесса. 
При изучении теоретического материала и при решении задач 
необходимо обращать особое внимание на размерности величин, подставляемых в формулы. Следует помнить, что проверка размерностей в 
математических выкладках помогает выявить возможные ошибки, а 
размерность всякой величины отражает ее физический смысл. 
При решении задач студенты должны научиться пользоваться 
справочной литературой: таблицами теплофизических свойств веществ, термодинамических свойств воды и водяного пара; различными 
диаграммами, например, 
pv , 
Ts  и hs -диаграммами водяного пара, 
которые широко применяются в расчетах процессов в паровых котлах 
и турбинах. 
Для лучшего усвоения материала курса рекомендуется составлять 
конспект по каждой теме. 
 
 
 
 
 
 
 

 

ПРОГРАММА КУРСА 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Предмет технической термодинамики и ее задачи. Термодинамическая система. Рабочее тело. Теплота и работа как формы взаимодействия рабочего тела с окружающей средой. Параметры состояния рабочего тела: v  – удельный объем, м3/кг; p  – абсолютное давление, Па; 
T  – абсолютная температура, К; u  – внутренняя энергия, Дж/кг; h – 
энтальпия, Дж/кг; s  – энтропия, Дж/(кг ꞏ К). Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы. Обратимый и необратимый процессы. Изображение обратимых и необратимых процессов в 
термодинамических диаграммах pv , Ts , hs . 
Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа Клапейрона. 
Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей: массовый, 
объемный и мольный. Определение кажущейся молекулярной массы 
смеси и ее газовой постоянной. Парциальные давления и объемы компонентов смеси. 

2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ 

Сущность первого закона термодинамики. Внутренняя энергия рабочего тела. Работа газа. Изображение процессов в pv -диаграмме. 
Площадь под процессом в pv -диаграмме представляет собой работу 
1 кг газа (физический смысл pv -диаграммы). Теплота. Аналитическое 
выражение первого закона термодинамики. Энтальпия. Теплоемкости 
газов: массовая, объемная и мольная, их взаимосвязь. Средняя и истинная теплоемкости. Изобарная и изохорная массовые теплоемкости 
газа 
p
с  и vс , их взаимосвязь по уравнению Майера 
p
v
с
c
R


 и через 

показатель адиабаты 
/
p
v
k
с
c

. 

Энтропия идеального газа. Вычисление изменения энтропии в термодинамических процессах. Ts -диаграмма (тепловая), так как площадь 
под процессом в ней представляет собой теплоту. 
Дифференциальные уравнения термодинамики. 

3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ 

Круговые процессы (циклы). Прямой цикл, совершающийся по часовой стрелке (цикл теплового двигателя). Термический КПД прямого 
цикла. Обратный цикл, совершающийся против часовой стрелки (цикл 
холодильной установки или теплового насоса). Холодильный коэффициент обратного цикла. 
Прямой и обратный циклы Карно. Теорема о максимальном КПД 
цикла Карно. Основные формулировки второго закона термодинамики 
(Карно, Томсона, Клаузиуса). Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии в обратимых и необратимых 
процессах. Изменение энтропии изолированной термодинамической 
системы. Потеря работоспособности термодинамической системы. Физический смысл энтропии. Максимальная работоспособность и понятие об эксергии. 

4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

Термодинамические процессы идеальных газов: изобарный при 
const
p 
; изохорный при 
const
v 
; изотермический при 
const
T 
; 
адиабатный – процесс без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой. Политропные процессы. Уравнение политропного 
процесса. Определение показателя политропы и теплоемкости поли- 
тропного процесса. Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы как частные случаи политропного процесса. Изображение термодинамических процессов в pv - и Ts -диаграммах. 

5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ 

Уравнения состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса и Вукаловича–Новикова. Термодинамические процессы водяного пара (реального 
газа). Процессы парообразования: испарение как парообразование с 
поверхности воды; кипение как парообразование во всем объеме жидкости. 

Процессы парообразования в pv -, Ts - и hs -диаграммах. Термодинамические таблицы воды и водяного пара (сухого насыщенного и перегретого). Расчет термодинамических процессов водяного пара c помощью таблиц и диаграмм. 

6. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ 

Смеси газов. Задание смеси через массовые, объемные и мольные 
доли компонентов. Молекулярная масса смеси, парциальные давления 
компонентов. Влажный воздух как смесь сухого воздуха и водяного 
пара. Абсолютная и относительная влажность воздуха, влагосодержание. Энтальпия влажного воздуха, Hd -диаграмма влажного воздуха 
(Рамзина). 

7. ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКА ГАЗА. 
ИСТЕЧЕНИЕ И ДРОССЕЛИРОВАНИЕ  
ГАЗОВ И ПАРОВ 

Уравнение первого закона термодинамики для потока газа. Адиабатное истечение. Скорость истечения. Критическое отношение давлений. 
Скорость и массовый секундный расход газа для критического истечения. Воздействие на поток геометрии канала. Комбинированное сопло 
(Лаваля) для достижения сверхкритической скорости истечения газа. 
Особенности определения скорости истечения водяного пара как 
реального газа. Действительная скорость истечения. Дросселирование 
газов и паров. Изменение параметров рабочего тела при дросселировании. Эффект Джоуля–Томсона. Температура инверсии. Техническое 
применение эффекта дросселирования. Условное изображение процесса дросселирования водяного пара в hs -диаграмме. Потеря работоспособности рабочего тела при дросселировании. 

8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ  
ПРОЦЕССОВ В КОМПРЕССОРАХ 

Назначение и классификация компрессоров. Принцип действия одно- и двухступенчатого поршневых компрессоров. Техническая работа. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие в компрессорах. 

Процессы одно- и двухступенчатого компрессоров. Изображение 
процессов сжатия и промежуточного охлаждения в Ts -диаграмме.  
Индикаторная диаграмма. Определение эффективной мощности привода компрессора, внутренний относительный КПД. 

9. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО  
СГОРАНИЯ (ДВС) 

Классификация поршневых ДВС. Принцип действия двухтактных 
дизельного и карбюраторного ДВС. Теоретические циклы ДВС: цикл 
Отто с подводом теплоты при 
const
v 
; цикл Дизеля с подводом теплоты при 
const
p 
; цикл Тринклера–Сабатэ (со смешенным подводом 
теплоты). Изображение циклов в pv - и Ts -диаграммах. Анализ и 
сравнение циклов поршневых ДВС. Термический КПД и методы его 
повышения. Двухтактные ДВС, их преимущества и недостатки. 

10. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ  
УСТАНОВОК (ГТУ) 

Преимущества ГТУ по сравнению c поршневыми ДВС. Циклы ГТУ 
с изобарным и изохорным подводом теплоты. Изображение циклов 
ГТУ в pv - и Ts -диаграммах. Анализ и сравнение циклов ГТУ. Термический КПД циклов ГТУ и методы его повышения. 

11. ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ  
УСТАНОВОК (ПТУ) 

Основной цикл ПТУ – цикл Ренкина. Простейшая схема ПТУ. Изображение цикла Ренкина в 
pv  и Ts -диаграммах. Термический КПД 
цикла и зависимость его от начальных и конечных параметров пара. 
Способы повышения экономичности ПТУ. Цикл с промежуточным перегревом пара, регенеративный цикл, бинарный и парогазовый циклы. 
Теплофикационный цикл ПТУ. Понятие о внутреннем и эффективном 
КПД ПТУ. Понятие о циклах атомных паротурбинных установок. 
 
 
 

12. ЦИКЛЫ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ 
(ОБРАТНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ) 

Классификация холодильных установок. Понятие о холодильном 
коэффициенте и холодопроизводительности. Принципиальные схемы 
воздушных, парокомпрессорных и абсорбционных холодильных установок. Изображение циклов в pv - и Ts -диаграммах Понятие о тепловом насосе. Требования, предъявляемые к холодильным агентам. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 

Согласно учебному плану студент-заочник выполняет две контрольные работы, каждая из которых состоит из трех задач по различным разделам курса. 
Контрольные задачи составлены по стовариантной системе, в которой исходные данные к каждой задаче выбираются из таблиц по последней и предпоследней цифрам шифра студента-заочника. Работы, 
выполненные по чужому варианту, не рецензируются. 
При решении контрольных задач необходимо придерживаться следующих правил: 
• выписывать условие задачи и исходные данные; 
• решение сопровождать краткими пояснениями; 
• вычисления выполнять в международной системе единиц СИ; 
• в конце работы привести список использованной литературы; 
• на титульном листе отчета указать номер контрольной работы, 
название предмета, фамилию, имя, отчество, свой шифр и номер специальности. 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1 

Задача 1. Воздух, имеющий начальное давление 
1
p  = 0,1 МПа и 
температуру 1t  = 20 °С, сжимается в одноступенчатом поршневом 
компрессоре до давления 
2
p . Сжатие может быть изотермическим, 
адиабатным и политропным с показателем политропы n. Определить 
для каждого процесса сжатия все начальные и конечные параметры 
воздуха, считая его идеальным газом; отведенную от воздуха теплоту Q, кВт, и теоретическую мощность привода компрессора N, кВт, 

если производительность компрессора G, кг/с, дать сводную таблицу и 
изображение процессов сжатия в pv - и Ts -диаграммах. Исходные 
данные выбрать из табл. 1. 

Т а б л и ц а  1 

Исходные данные к задаче 1 

Последняя  
цифра шифра 
n 
Предпоследняя  
цифра шифра 
2
p , МПа 
G, кг/с 

0 
1,10 
0 
0,8 
0,1 

1 
1,12 
1 
0,9 
0,2 

2 
1,14 
2 
1,0 
0,3 

3 
1,16 
3 
1,1 
0,4 

4 
1,18 
4 
1,2 
0,5 

5 
1,20 
5 
1,3 
0,6 

6 
1,22 
6 
1,4 
0,7 

7 
1,24 
7 
1,5 
0,8 

8 
1,26 
8 
1,6 
0,9 

9 
1,28 
9 
1,7 
1,0 

Решение. Для воздуха, как для идеального газа, принять: изохорную массовую теплоемкость vc  = 0,72 кДж/(кг ꞏ К), газовую постоянную R = 287 Дж/(кг ꞏ К), показатель адиабаты k = 1,41. Тогда начальный удельный объем воздуха по уравнению Клапейрона 

3

1
6
1

287 293
м
0,841 кг
0,1 10

RT
v
p





. 

Конечные температуры воздуха при изотермическом, адиабатном и 
политропном сжатиях соответственно: 

2
1
20 C
T
t
t



; 

(
1)/
(1,41 1)/1,41
2А
1
2
1
(
/
)
293(1,7 / 0,1)
668 К;
k
k
Т
Т
p
p





 

(
1)/
(1,28 1)/1,28
2П
1
2
1
(
/
)
293(1,7 / 0,1)
545 К
n
n
Т
Т
p
p





.