Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики

 
 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования  
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»  
 
 
 
 
М.М.Соколов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ, ТЕПЛОТЕХНИКИ И АЭРОДИНАМИКИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
Учебно-методическое пособие 
по подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Основы гидравлики, 
теплотехники и аэродинамики» для обучающихся по направлению подготовки 
08.02.08 Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний Новгород 

ННГАСУ  

2022 
 
 

 
 
УДК 621.1.016 
 
 
 
 
 
Соколов М.М. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. [Электронный 
ресурс]:  учеб.- метод.  пос. / М.М. Соколов; Нижегор.  гос.  архитектур. -  строит.  ун - т  – 
Н. Новгород:  ННГАСУ,  2022. – 50 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)  
 
 
 
 
В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Основы гидравлики, 
теплотехники и аэродинамики» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения, 
как основного, так и дополнительного материала дисциплины, способствующие достижению 
целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-
методического пособия — это помощь в подготовке к лекционным и практическим занятиям. 

Предназначено обучающимся в ННГАСУ студентам среднего профессионального 
образования для подготовки к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Основы 
гидравлики, теплотехники и аэродинамики» по направлению подготовки 08.02.08 
Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения. 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     
© М.М. Соколов, 2022 
  
© ННГАСУ, 2022.

Оглавление 

1. Общие положения ..................................................................................................................... 4 

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения ....................................................... 4 

1.2 Содержание дисциплины .................................................................................................... 4 

1.3 Порядок освоения материала .............................................................................................. 6 

2. Методические указания по подготовке к лекциям ................................................................. 7 

2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях ..................................................................... 7 

2.2 Общие рекомендации при работе с конспектом лекций .................................................. 7 

2.3 Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис ....... 7 

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям..................................... 35 

3.1 Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям .................................. 35 

4. Методические указания по организации самостоятельной работы ................................... 41 

4.1 Общие рекомендации для самостоятельной работы ...................................................... 41 

4.2 Пример тестового задания для проверки знаний ............................................................ 46 

Литература ................................................................................................................................... 49 

 
 

1. Общие положения 

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения 

 

Целями освоения учебной дисциплины ОП.06 Основы гидравлики, теплотехники и 

аэродинамики являются: приобретение теоретических знаний и практических навыков в 

области теплотехники, гидравлики и аэродинамики. 

 

В процессе освоения дисциплины студент должен 

Знать: 

− 
начала термодинамики 

− 
основные термодинамические законы,  

− 
особенности построения термодинамических циклов, 

− 
особенности выполнения теплотехнического расчета, 

− 
особенности выполнения гидравлического расчета, 

− 
основные критерии подобия, 

− 
практические аспекты рассматриваемых фундаментальных дисциплин. 

 

Уметь: 

− 
выполнять общий теплотехнический и гидравлический расчет, 

− 
работать с I-d диаграммой влажного воздуха, 

− 
строить термодинамические циклы. 

 

Учебная дисциплина ОП.06 Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики от-

носится к общепрофессиональному циклу основной профессиональной образовательной 

программы среднего профессионального образования по специальности 08.02.08 Монтаж 

и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения. 

1.2 Содержание дисциплины 

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам: 

 

Раздел 1. Термодинамика как наука 

 

Лекционные занятия 

 

Тема 1.1. Термические параметры состояния. 

Основные термины и определения. Начала термодинамики и следствия из них. Объем, 

давление, температура. Определения, размерности, примеры применения. 

Тема 1.2. Идеальный газ. 

Определение. Уравнение Менделеева-Клайперона. Уравнения Шарля, Бойля-Мариотта, 

Гей-Люссака. 

Тема 1.3. Базовые термодинамические процессы.  

Изотермический, изохорный, изобарный процессы. Определения и особенности построе-

ния в различных системах координат. 

Тема 1.4. Энергия, работа, энтальпия, энтропия, теплоемкость. 

Основные термины и определения.   

Тема 1.5. Адиабатный и политропный процессы. Основные циклы. Определения и 

особенности построения в различных системах координат. Циклы: Карно, Брайтона, Отто, 

Дизеля, Тринклера, Ренкина. 

 

Практические занятия. 

 

Особенности построения термодинамических циклов. Решение задач. 

 

Раздел 2. Гидравлика как наука 

 

Лекционные занятия 

 

Тема 2.1. Гидростатика как раздел гидравлики.  

Основные термины и определения. Основные математические зависимости. 

Тема 2.2. Гидродинамика как раздел гидравлики. 

Основные термины и определения. Основные математические зависимости. 

Тема 2.3. Режимы течения жидкости. Потери в линейных и местных сопротивлени-

ях. Основные термины и определения. Основные математические зависимости. Примеры. 

Тема 2.4. Гидравлика в инженерных задачах 

Особенности расчета трубопроводов и инженерного оборудования на примере кожухо-

трубных теплообменников. Основные математические зависимости. Примеры.   

 

Практические занятия. 

 

Опыт Рейнольдса. Ламинарное и турбулентное течение. Решение задач. 

 

Раздел 3. Теплофизика как наука 

 

Лекционные занятия 

 

Тема 3.1. Теплофизика. Основные термины и определения. Способы теплообмена. Теп-

лопроводность. Уравнение Фурье. 

Тема 3.2. Излучение и конвекция. Основные термины и определения. Уравнение Стефа-

на-Больцмана. Краткие сведения о теории подобия. 

Тема 3.3. Основы теплоотдачи. Основные термины и определения. Факторы, влияющие 

на теплоотдачу. 

Тема 3.4. Теплофизика в инженерных задачах. Определение сопротивления теплопере-

дачи наружных ограждающих конструкций. Построение температурного графика внутри 

стены. 

 

Практические занятия. 

 

Основные параметры I-d диаграммы влажного воздуха. Построения на i-d диаграмме.  

Определение температуры точки росы в помещение. Графический и аналитический мето-

ды определения параметров микроклимата влажного воздуха. 

 

1.3 Порядок освоения материала 

 

На освоение материала студентам выделяется 36 часов, из которых лекционных за-

нятий -  30 часов и практических занятий - 6 часов. Промежуточная аттестация проходит в 

форме дифференцированного зачета.  

 

2. Методические указания по подготовке к лекциям 

2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях 

Лекция – это важнейшее звено дидактического цикла обучения, цель которой - фор-

мирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лекции пре-

подаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обучаемым знания 

по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины. 

Назначение лекции состоит в доходчивом изложении основных положений изучае-

мой дисциплины и ориентации на наиболее ее важные вопросы. 

Большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей 

предоставляет личное общение на лекции преподавателя со студентами. 

При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презента-

ций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подгото-

вить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на 

лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерак-

тивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий. 

 

2.2 Общие рекомендации при работе с конспектом лекций 

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материа-

ла. Он помогает внимательно слушать и лучше запоминать в процессе осмысленного за-

писывания. Также конспект незаменим, как опорный материал при подготовке к семина-

ру, зачету, экзамену. 

В случае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю 

уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения 

означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины. 

 

2.3 Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис 

Теплотехника – наука, занимающаяся исследованием методов использования хи-

мической энергии топлива, изучением законов преобразования этой энергии в тепловую и 

механическую, а также изучением веществ, участвующих в этих преобразованиях (топли-

во, вода, водяной пар и т.д.). 

  Условно теплотехнику подразделяют на 3 раздела: 

1. Техническая термодинамика и рабочие процессы тепловых двигателей. 

2. Теория теплопередачи. 

3. Инженерное оборудование. 

Также в данном курсе затрагивается гидравлика и аэродинамика. 
 
2.3.1 Раздел 1. Термодинамика как наука 

Введение. Термины и определения. Основные законы. 

Термодинамика изучает особенности преобразования энергии и опирается на 4 по-

стулата (начало термодинамики) 

0 начало термодинамики 

Замкнутая система независимо от своего начального состояния в конце концов 

приходит к состоянию термодинамическому равновесию (покоя) и самостоятельно выйти 

из нег не может. 

Следствие из 0 начала: вводится само понятие термодинамическая система «и одно 

из ее важнейших характеристик (оценок) – температура. 

Термодинамическая система – замкнутая и достаточно обширная в области числа 

Авогадро (6,02∙1023), в которых собираются статистические закономерности (движение 

молекул, нагрев и охлаждение тел). 

 Первый закон (начало) термодинамики – это закон сохранения энергии. Энер-

гия не возникает самопроизвольно и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного 

вида в другой. 

Следствие из 1-го закона: невозможно создать вечный двигатель 1-го рода (КПД > 

100%) 

Второй закон (начало) термодинамики. Теплота не передается самопроизвольно 

от менее нагретого тела к более нагретому. 

Следствие из 2-го закона: невозможно создать вечный двигатель 2-го рода 

(КПД=100%) 

Третий закон термодинамики. Невозможно достичь абсолютного ноля темпера-

туры в любом конечном процессе, связанном с изменением энтропии, а можно к нему 

лишь асимптотически приблизиться. 

Следствие из 3-го закона: Абсолютный ноль по Кельвину – это –273,15°С недо-

стижим в термодинамических системах, так как при этом прекращается любое тепловое 

движение. 

Температура, объём и давление называются термический параметр состояния. 

Техническое определение. Температура – это степень нагретости тела. 

Физическое определение. Температура – мера кинетической энергии движения мо-

лекул. 

t[k]   
5 (
32)
9

c
F
t
t
=
⋅
−
;   
9 (
32)
5

F
c
t
t
=
⋅
+
  
 
     (1) 

Исторически сложилось, что благодаря более точной шкале Вильяма Томсона 

(Лорда Кельвина), все расчеты фундаментальных дисциплин, в том числе в технической 

термодинамики производятся в Кельвинах. Температура стала одной из фундаментальных 

величин, имеющих неделимую размерность (её невозможно выразить через другие раз-

мерности – всего таких величин семь: масса (кг), время (с), длина (м), сила тока (А), тем-

пература (К), сила света (кд), количество вещества (моль)). 

Давление – это сила (совокупность сил), приложенных к площади поверхности. 

2
2
2
2

кг м
кг
[Па]
м
с
м
с
м

H
P
⋅
=
=
=
⋅
⋅

 

Объем – величина, характеризующая пространство заменяем термодинамической 

системой. 

м3
кг

V
v
m



=





 v – удельная величина  

3

1 кг

v м
ρ


=





            
 
 
(2) 

Эти параметры связывают так называемые термические уравнения состояний, ко-

торые представляли ранее 3 газовых закона. 

1) Закон - Бойля-Мариотта 

PV
= const
   T
= const
   
 
      (3) 

Если произведение давления и объема является постоянной величиной, то и Т явля-

ется постоянной величиной. 

2) Закон Гей-Люссака 

1
1

2
2

V
T

V
T
=
    p
= const
  
 
 
      (4) 

При постоянстве отношений объемов и температур – постоянство давления. 

3) закон Шарля 

    
1
1

2
2

p
T

p
T
=
  V
= const
 
 
 
 
(5) 

При постоянстве отношение давлений и температур постоянный объем. 

В настоящее время все 3 уравнения объединяются в более универсальном уравне-

нии 

Менделеева – Клайперона 

m
pV
R T
µ
= µ
,   
 
 
 
(6) 

где Rµ −универсальная газовая постоянная (вывод при нормальных условиях)   

При нормальных условиях: Т=273К (0°С);  р=760 мм.рт.ст. (101325 Па); V=22,4 м3 

101325 22,4
8313,8Дж
К моль
273

pV
R
T

µ

⋅
=
=
=
⋅
 

Уравнение Менделеева-Клапейрона позволяет работать с идеальными газами - это 

способность частиц, представляющих собой математические точки (не имеющие объема) 

где все взаимодействие сводится к соударению (сила притяжения и взаимного отталкива-

ния отсутствует). 

Основные термические процессы. 

Изотермический процесс, проходящий при постоянной температуре, изобарный 

процесс, проходящий при постоянном давлении, изохорический процесс, проходящий при 

постоянном объеме -  являются тремя базовыми процессами термодинамики. 

 

Рис 1. Особенности отображения термических процессов. 

Энергия. Работа. Теплота. Энтальпия. Теплоемкость. Энтропия 

Пожалуй, самая известная форма записи энергии:  

 
 
 
 
 
 
Е = m ∗ c                                                 (7) 

c= 3*103 м/с- скорость света, m – масса тел, кг 

=
 
 
 
 
   
(8) 

m0 - покоящегося тела 

W- скорость, с которой движется тело 

=
∗        
 
 
 
(9) 

= ∗ - энергия покоящегося тела ≠ 0, = 0; 

 , при 
≈
малых скоростях 

= ∗ +
∗ ∗ = из (9) =+
∗

Таким образом, полная энергия микросистемы будет определяться по формуле: 

E=Eпот+Екин+U   
 
 
 
(10) 

Под всей энергией понимают меру движения материи. Полная энергия микроси-

стемы включает в себя кинетическую энергию системы во внешних силовых полях и 

внутреннюю энергию системы  (все границы термодинамические эти 3 энергии). 

Энергия может передаваться посредством теплоты или работы. 

Работа это воздействие сил давления при изменении объема системы 

= = ∗ ∆ 
 
 
 
(11) 

В данном уравнении, величина p рассматривается как обобщенная сила или потен-

циал, разность которой у среды и системы вызывает процесс, а величину V как обобщен-

ную координату, то есть величину, изменяющуюся под влиянием этого потенциала. Рабо-

та сил давления в элементарном процессе равна произведению обобщенной силы на диф-

ференциал обобщенной координаты. 

Количество теплоты определяется как произведение теплоемкости вещества на 

элементарную разность температур. 

" = ∗ ∗ #  
 
 
 
 
(12) 

Теплоемкостью называют количество тепла, которое необходимо сообщить телу, 

чтобы повысить температуру какой-либо его количественной единицы на 1℃. В базовом 

представлении теплоемкость подразделяется на массовую, мольную и объемную. По-