Техническая термодинамика


                ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА




Учебник















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 536:533.6.011.6
ББК 31.31+22.253.3
      Т38




Авторы:
Карнаух В. В., Бирюков А. Б., Ржесик К. А., Лебедев А. Н.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Трубаев П. А.;
доктор технических наук, профессор Белоусов В. В.;
доктор технических наук, профессор Поперечный А. Н.;
кандидат технических наук, доцент Угланов Д. А.


Т38 Техническая термодинамика : учебник / [Карнаух В. В. и др.].
     - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 500 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0862-2

     Рассмотрены основные положения классической и современной термодинамики: идеальный газ и его прикладные аспекты, газовые смеси, теплоёмкость, анализ термодинамических процессов, законы термодинамики и их приложения, термодинамика реальных газов и потоков, влажный воздух и основы кондиционирования, анализ прямых и обратных термодинамических циклов, работоспособность термодинамической системы - эксергия. Включены разделы, касающиеся анализа работы установок низкопотенциальной энергетики.
     Для студентов и аспирантов технических специальностей, а также инженерно-технических работников металлургической и энергетической отраслей промышленности.


                                                     УДК 536:533.6.011.6

                                                    ББК 31.31+22.253.3





ISBN 978-5-9729-0862-2

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ



   УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................6

   ВВЕДЕНИЕ...............................................10

   ГЛАВА 1. Термодинамическая система: основные понятия и определения.........................13
   1.1. Основные понятия..................................13
   1.2. Параметры: молекулярная масса, масса и вес........18
   1.3. Параметры: плотность и удельный объём.............20
   1.4. Параметр: давление................................21
   1.5. Параметр: температура.............................25
   1.6. Калорические параметры вещества...................30

   ГЛАВА 2. Законы идеального газа. Теплоёмкость..........37
   2.1. Законы идеального газа............................37
   2.2. Уравнение состояния идеального газа...............43
   2.3. Теплоёмкость газов................................48
   2.4. Параметры процесса: работа и теплота..............60

   ГЛАВА 3. Смеси идеальных газов.........................66
   3.1. Закон Дальтона....................................66
   3.2. Теплоёмкость газовой смеси........................72

   ГЛ.АВА 4. Первый закон термодинамики...................75
   4.1. Тепловое равновесие: нулевой закон термодинамики .75
   4.2. Первый закон термодинамики как форма закона сохранения и превращения энергии..................................76


3

Техническая термодинамика

   4.3. Уравнение первого закона термодинамики для закрытых и открытых термодинамических систем.................82

   ГЛАВА 5. Основные термодинамические процессы идеальных газов............................89
   5.1. Алгоритм анализа термодинамических процессов...89
   5.2. Изохорный процесс. Примеры применения..........90
   5.3. Изобарный процесс. Примеры применения..........95
   5.4. Изотермический процесс. Примеры применения.....101
   5.5. Адиабатный процесс. Примеры применения........107
   5.6 Политропный процесс. Примеры применения........117

   ГЛАВА 6. Второй закон термодинамики................123
   6.1. Обратимые и необратимые процессы и циклы......123
   6.2. Формулировки второго закона термодинамики.....127
   6.3. Энтропия. Принципы существования и возрастания энтропии..............................131
   6.4. Объединённое уравнение первого и второго законов термодинамики.......................................135
   6.5. Цикл Карно. Термический коэффициент полезного действия цикла Карно.....................136

   ГЛАВА 7. Дифференциальные уравнения термодинамики. 144
   7.1. Уравнение Максвелла...........................144
   7.2. Дифференциальные уравнения для внутренней энергии, энтальпии и энтропии...............................146
   7.3. Дифференциальное уравнение теплоёмкости.......150

   ГЛАВА 8. Термодинамика реальных газов..............154
   8.1. Реальные газы: уравнение состояния............154


4

Содержание

    8.2. Реальные газы: фазовые превращения, фазовые диаграммы и таблицы..........................................162
    8.3. Термодинамические процессы водяного пара......177
    8.4. Устройства для получения пара и горячей воды .181

    ГЛАВА 9. Истечение газов и паров...................189
    9.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока.189
    9.2. Основные уравнения процессов течения..........193
    9.3. Скорость звука................................199
    9.4. Истечение из суживающихся сопл................206
    9.5. Переход через скорость звука. Сопло Лаваля....215
    9.6. Истечение газов и паров с учётом трения.......220
    9.7. Температура адиабатного торможения............222

    ГЛАВА 10. Влажный воздух и основы кондиционирования.........................224
    10.1. Влажный воздух...............................224
    10.2. Психрометрические диаграммы..................234
    10.3. Процессы кондиционирования воздуха...........239
    10.4. Гигиенические основы кондиционирования. Классификация систем кондиционирования воздуха.....256

    ГЛАВА 11. Прямые термодинамические циклы тепловых машин..............................................262
    11.1. Общие сведения о двигателе внутреннего сгорания..263
    11.2. Термодинамический анализ циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания...............................267
    11.3. Циклы газотурбинных установок................277
    11.4. Теплосиловые паровые циклы...................289

5

Техническая термодинамика

   ГЛАВА 12. Обратные термодинамические циклы..........315
   12.1. Обратный цикл Карно...........................315
   12.2. Основные элементы холодильной машины (теплового насоса).............................................319
   12.3. Цикл и термодинамический анализ газовой холодильной машины..............................................326
   12.4. Цикл и термодинамический анализ парокомпрессионной холодильной машины..................................329
   12.5. Фазовые диаграммы холодильных агентов ........335
   12.6. Цикл и термодинамический анализ пароэжекторной холодильной машины..................................342
   12.7. Цикл и термодинамический анализ абсорбционной холодильной машины..................................347
   12.8. Тепловые насосы...............................351
   12.9. Теорема Нернста. Третий закон термодинамики...357


    ГЛАВА 13. Работоспособность термодинамической системы.

   Эксергия......................................361
   13.1. Эксергия, её виды и составляющие........362
   13.2. Анергия.................................378
   13.3. Уравнение эксергетического баланса. Эксергетический КПД...........................384
   13.4. Эксергетические диаграммы...............388
   13.5. Примеры эксергетического анализа работы тепловых и холодильных установок.......................397

   БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................409

   ГЛОССАРИЙ.....................................413
   ПРИЛОЖЕНИЯ....................................424


6

        УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

   L, l    - работа, Дж; удельная работа, Дж/кг;                   
   Q, q    - теплота, Дж; удельная теплота, Дж/кг;                 
Ri         - удельная газовая постоянная, Дж/(кг-К);               
   R ц     - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);        
r          - удельная теплота парообразования, Дж/кг;              
    t      - температура, °C;                                      
T          - абсолютная температура тела, К;                       
tж         - температура жидкости, °C;                             
tc         - температура стенки, °C;                               
ts         - температура насыщения, °C;                            
p          - давление, Па;                                         
    *      критическое давление истечения, соответствующее         
    p      максимальному расходу газа через сопло, Па;             
H(I); h(i) - энтальпия, Дж; удельная энтальпия, Дж/кг;             
   S; s    - энтропия, Дж/К; удельная энтропия, Дж/(кг-К);         
   U, u    внутренняя энергия, Дж; удельная внутренняя энергия,    
           Дж/кг;                                                  
   E, e    - эксергия, Дж; удельная эксергия, Дж/кг;               
    Ц      - молярная масса, кг/кмоль;                             
m          - масса, кг;                                            
V; v       - объём, м3; удельный объём, м3/кг;                     
G          - массовый расход, кг/с;                                
N          - мощность, Вт;                                         
           удельная массовая теплоёмкость при постоянном давле-    
cp         нии, Дж/(кг-К);                                         
           удельная массовая теплоёмкость при постоянном объ-      
Cv         ёме, Дж/(кг-К);                                         
Cn         - удельная массовая политропная теплоёмкость, Дж/(кг-К);
a          - скорость звука в газах, м/с;                          
k          - показатель адиабаты (показатель Пуассона);            
S          - площадь сечения канала, м2;                           
M          - число Маха;                                           

7

Техническая термодинамика

т       - время, с;                                            
р       - плотность, кг/м3;                                    
V       - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;           
        коэффициент динамической вязкости, кг/(м-с); коэффи-   
   р    циент преобразования теплоты (коэффициент тепло-       
        трансформации или отопительный коэффициент) теп-       
        ловых насосов;                                         
V       отношения давления газа на выходе из сопла к давлению  
        перед соплом;                                          
 w, го  - скорость движения потока, м/с;                       
х       - степень сухости пара;                                
gi      - массовая доля компонента смеси;                      
ri      - объёмная доля компонента смеси;                      
  Х>    - мольная доля компонента смеси;                       
е (СОР) холодильный коэффициент, коэффициент теплотранс-       
        формации;                                              
        тепловой коэффициент пароэжекторной холодильной        
        машины;                                                
е       - степень сжатия; тепловлажностное отношение, Дж/кг;   
        степень предварительного расширения в изобарном про-   
Р       - цессе сгорания (для ДВС); степень повышения давления 
        (для ГТУ);                                             
Р       - степень повышения температуры (для ГТУ);             
F       - сила, Н;                                             
g       - ускорение свободного падения, м/с2;                  
d       - влагосодержание воздуха, г/кгс.в.;                   
D, d    - потери эксергии, Дж; удельные потери эксергии, Дж/кг;
X       - коэффициент сжимаемости реальных газов               
х       - координата вдоль оси Ох, м;                          
У       - координата вдоль оси Оу, м;                          
z       координата вдоль оси Оz, м.                            

8

Условные обозначения

', н.ж.
", с.н.п. i
см н кр о п
подв отв пол абс
макс


            Индексы

  насыщенная жидкость;
  сухой насыщенный пар;
  i-й компонент смеси;
  смесь;
  состояние насыщения;
  критическая точка;
  при температуре кипения;
  перегретый пар;
  подведённая (применимо к теплоте);
  отведённая (применимо к теплоте);
  полезная (применимо к работе);
  абсолютный;
  максимальный (применительно к расходу, скорости).

9

        ВВЕДЕНИЕ


     Термодинамика (греч. Оеррц - «тепло», Suvapig - «сила») - наука, изучающая наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах.
     В историческом плане вопросы, связанные с представлениями о холоде и теплоте, являющимися одними из основных понятий в термодинамике, издавна интересовали человека. Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и потому интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как появились соответствующие научные понятия. Изобретение в конце XVI века термометра - прибора, способного измерять температуру - положило начало развитию научного знания о теплоте.
     В целом термодинамика как эмпирическая наука возникла в связи с практической необходимостью изучения основных способов преобразования внутренней энергии тел в механическую работу. Появившиеся в XVII веке первые паровые машины ознаменовали начало промышленной революции. Перед учёными и инженерами встала задача поиска способов увеличения их эффективности. Серьёзнейшим достижением термодинамики стало установление Сади Карно в 1824 году в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» максимально возможного коэффициента полезного действия тепловых машин. В настоящее время принято считать, что термодинамика как наука ведёт своё начало именно с этой работы.
     В 40-х годах XIX века Р. Майер и Дж. Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы того же века Р. Клаузиус и У. Томсон (лорд Кельвин) систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели фундаментальные для термодинамики понятия энтропии и абсолютной температуры. Значительное развитие феноменологическая термодинамика получила в работах Дж. Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов и исследовал общие условия равновесия фаз.
     В основе термодинамики лежат три абсолютных по своей сути постулата - закона термодинамики. Среди них первое место занимает один из самых общих законов природы - закон сохранения и превращения энергии.

10

Введение

     Представление этого общего закона в виде первого закона термодинамики позволяет установить непосредственную связь между физическими величинами, характеризующими влияние разнородных факторов на любое материальное тело, свойства которого являются объектом исследования, или на некоторую систему, в которой происходят процессы, подлежащие изучению.
     Методы термодинамического анализа, основанные на использовании второго закона термодинамики, позволяют оценить предельно возможные энергетические показатели любых установок, соответствующие случаю обратимого протекания всех процессов.
     В 1906 году В. Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.
     По своей сути термодинамика является феноменологической наукой, опирающейся на обобщение опытных фактов. Для описания процессов, происходящих в термодинамических системах, используются макроскопические величины, которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике. Связь законов термодинамики со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, даётся статистической физикой. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики.
     Важной особенностью термодинамики является то, что её законы носят общий характер и потому не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне. Поэтому термодинамика успешно применяется в широком круге вопросов науки и техники, таких как энергетика, теплотехника, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса и даже чёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для самых разных направлений науки и техники. Несморя на постулатность основопологающих закономерностей и понятий, эта наука и сегодня продолжает развиваться.
     В данном учебнике в систематизированной форме кратко раскрыта сущность основных разделов термодинамики. При подборе материалов и порядка их представления в учебнике использован подход, основанный на синтезе отечественного и зарубежного опыта преподавания термодинамики. При этом особое внимание уделено научным и практическим аспектам таких вопросов как теория идеальных и реальных газов, преобразование теплоты в электрическую и другие ви

11

Техническая термодинамика

ды энергии, реализация прямых и обратных термодинамических циклов, общая термодинамика жидкостей и газов (психрометрика). Материал представлен таким образом, чтобы привить студенту парадигму поиска путей повышения эффективности работы машин и аппаратов, использующих термодинамические процессы.
     Особенностью данного учебника является представление не только «чисто термодинамических» вопросов, но и раскрытия их связи с вопросами тепломассообмена и гидрогазодинамики в рамках реальных процессов и технологий. В ряде глав приводятся типовые задачи с решением, что позволяет проработать практические аспекты излагаемого теоретического материала.
     Данный учебник будет полезен и интересен для студентов технических направлений подготовки, аспирантов, а также всех, кто имеет живой интерес к окружающему миру и его физическим закономерностям.
     Авторы выражают огромную благодарность рецензентам:
     Поперечному Анатолию Никитовичу, доктору технических наук, профессору, профессору кафедры оборудование пищевых производств ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского»; Трубаеву Павлу Алексеевичу, доктору технических наук, профессору, профессору кафедры энергетики теплотехнологии ФГБО УВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова», Белоусову Вячеславу Владимировичу, доктору технических наук, профессору, зав. кафедрой физики неравновесных процессов, метрологии и экологии им. И. Л. Повха, ГО ВПО «Донецкий национальный университет», Угланову Дмитрию Александровичу, кандидату технических наук, доценту, доценту кафедры теплотехники и тепловых двигателей ФГАО ЧВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева».

12

                     ...глубокое впечатление ...произвела на меня термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убеждён, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута.
Альберт Эйнштейн

        ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

    АННОТАЦИЯ

    Рабочим телом - веществом, способным воспринимать теплоту и осуществлять работу, в разделе технической термодинамики является газ или пар. Газ (от франц. «gaz») - агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Время столкновений молекул в газе значительно меньше среднего времени их пробега. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не образуют свободной поверхности и равномерно заполняют весь доступный им объём. Пар - газообразное состояние, в которое переходит вещество в результате испарения, сублимации или кипения. Состояние газа определяется совокупностью значений его термодинамических параметров (параметров состояния), таких как абсолютное давление, абсолютная температура, плотность и др. [1, 3, 4, 5, 7].

        1.1. Основные понятия

    Термодинамика (от греч. «therme» - тепло, «dynamis» - сила) -это раздел теплотехники, в котором изучается энергия и законы её преобразования из одних видов в другие. Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые осуществляются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. В инженерных и технических дисциплинах термодинамика


13

Техническая термодинамика

используется для решения задач проектирования и разработки оборудования и решения специальных задач.


     Ключевые термины

     Термодинамика - наука, изучающая макроскопические процессы, которые сопровождаются преобразованиями энергии. Техническая термодинамика изучает широкий круг взаимных преобразований тепловой энергии и работы в природе и теплотехнических агрегатах.
     Объектом исследования технической термодинамики является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То, что находится вне системы, называется окружающей средой. Границу между термодинамической системой и окружающей средой часто называют контрольной поверхностью. Это условное понятие, которое в ряде случаев может геометрически совпадать с некоторойреальной физической поверхностью (рис. 1.1).


Окружающая среда

Окружающая среда

Рис. 1.1. Типы термодинамических систем

     Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими телами (окружающей средой).
     Например: термодинамическая система - газ, находящийся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воз-


14