Физика (Теплофизика):

Москва
РИОР

ИНФРА-М

2016

ФИЗИКА 

(ТЕПЛОФИЗИКА)

В.М. ПИСКУНОВ

Учебное пособие

УДК 621.1.016.7
ББК 31.391
          П34

Автор:
Пискунов Владимир Маркович — Старший преподаватель кафедры 
теплотехники и теплоэнергетики в Национальном минерально-сырьевом 
университете «Горный»СПб.
Рецензенты:
кафедра теплотехники и теплоэнергетики Национального минеральносырьевого университета «Горный»; 
В.А. Лебедев — канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 
теплотехники и теплоэнергетики Национального минерально-сырьевого 
университета «Горный».

Пискунов В.М.

П34 
 
Физика (Теплофизика) [Электронный ресурс]: учеб. пособие / 

В.М. Пискунов. — Москва: РИОР, ИНФРА-М, 2016. — 213 с. 

ISBN 978-5-369-01846-0 (РИОР)
ISBN 978-5-16-108481-6 (ИНФРА-М, online)

Изложены основные законы технической термодинамики, теории 

тепломассообмена, гидрогазодинамики. А также использование этих 
законов для расчета тепловых процессов в металлургическом производстве при термической обработке металлов, в теплоэнергетических установках по дисциплине «Физика (Теплофизика)».

Предназначено для специалистов: 150104.65.1 – литейное производ
ство и экономика металлургии, для бакалавров: 150100.62.1 – литейное 
производство черных и цветных металлов.

УДК 621.1.016.7
ББК 31.391

© Пискунов В.М.
ISBN 978-5-369-01846-0 (РИОР)
ISBN 978-5-16-108481-6 (ИНФРА-М, online)

ТК 637235–561339–160916

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................
4

Раздел 1. Техническая термодинамика....................................
4

1.1. Уравнение состояния.  Первый закон термодинамики...
4

1.2. Газовые процессы. второй закон термодинамики...........
9

1.3. Газовые циклы тепловых машин......................................
18

1.4. Реальные газы. водяной пар..............................................
22

Раздел 2. Тепломассообмен......................................................
29

2.1. Основной закон теплопроводности..................................
30

2.2. Конвективный теплообмен (теплоотдача) ......................
45

2.3. Тепловое излучение ...........................................................
67

2.4. Тепловой расчет теплообменных аппаратов...................
77

2.5. Массообмен.........................................................................
84

Раздел 3. Гидрогазодинамика...................................................
86

3.1. Гидростатика, гидравлика..................................................
86

3.2. Газодинамика......................................................................
104

3.3. Техническая гидрогазодинамика......................................
111

Раздел 4. Топливо и теория горения........................................
139

4.1. Характеристики энергетических топлив..........................
139

4.2. Физико-химические основы теории горения топлива....
148

4.3. Процессы сгорания жидкого, газообразного и твердого 
топлива........................................................................................
163

Раздел 5. Промышленная теплоэнергетика.............................
180

5.1. Теплоснабжение предприятий и населенных пунктов...
180

5.2. Энергосбережение и снижение вредных выбросов........
195

Заключение.................................................................................
207

Библиографический список......................................................
207

Список сокращений и условных обозначений.......................
208

Алфавитно-предметный указатель..........................................
208

ВВЕДЕНИЕ

«Физика (Теплофизика)» – общетехническая дисциплина, в 

которой изучаются методы получения, преобразования, передачи, 
использования теплоты, теоретические и конструктивные основы 
тепловых машин и аппаратов. 

Мировые тенденции роста энерговооруженности народного 

хозяйства и быта, непрерывно растущие цены на энергоносители, 
истощение запасов нефти, газа, сырья для атомной энергетики выдвигают «Физику (Теплофизику)» на ведущие позиции в мировой 
экономике. «Физика (Теплофизика)» непрерывно и быстро развивается. Основные разделы «Физики (Теплофизики)» – техническая 
термодинамика, гидрогазодинамика, тепломассообмен, топливо и 
теория горения – необходимы современному инженеру для разработки, совершенствования и грамотной эксплуатации установок и 
машин.

РАЗДЕЛ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ.  ПЕРВЫЙ ЗАКОН 

ТЕРМОДИНАМИКИ

Параметры состояния. Уравнение состояния. Термодинамиче
ский процесс. Функции состояния – внутренняя энергия, работа
расширения, теплота. Теплоемкость газов. Первый закон термодинамики. Смеси газов, задание состава смеси объемными и массовыми долями.

По теме выполняется лабораторная работа № 1 и одна задача 

контрольной работы. После изучения теоретического материала 
следует ответить на вопросы для самопроверки по теме. Более подробная информация по теме – в источниках [1], [8].

1.1.1. Параметры состояния

Техническая термодинамика изучает законы взаимного пре
вращения механической и тепловой энергии. Рабочие тела в термодинамике – это газы и пары. Параметры состояния – это температура  Т, давление  р, удельный объем  v.

Температура – это мера интенсивности беспорядочного теп
лового движения молекул. Абсолютная температура
Т связана со 

средней скоростью молекул  w соотношением 

mw2/2 = 3 kT/2,

где  k = 1,381 10-23 – постоянная Больцмана. Единица измере
ния абсолютной температуры – кельвин (К). Ноль шкалы Кельвина 
соответствует полному покою молекул. Практически широко применяется шкала Цельсия. Градус Цельсия равен градусу Кельвина; 
0оС соответствует 273,15 К.

Давление  р – это сила, действующая со стороны газа или жид
кости на единицу площади стенки по нормали к ней. Давление измеряется в паскалях Па, 

1 Па = 1 Н/м2. 1 килопаскаль равен 103 Па, 1 мегапаскаль – это 

106 Па. Среднее атмосферное давление  р0 = 1,013 105 Па ≈ 0,1 МПа. 
Устаревшая единица давления – техническая атмосфера (ат). 1 ат = 
0,98 105 Па ≈ 0,1 МПа. Параметром состояния является полное (абсолютное) давление. Манометром измеряется давление, избыточное 
над атмосферным,  ризб = р - р0.

Удельный объем v – это объем единицы массы вещества. Если 

объем газа  V и его масса  М,  то  v = V/M, м3 / кг. Удельный объем 
связан с плотностью газа  ρ соотношением  v = 1/ρ.

Нормальные термодинамические параметры воздуха:  Т0 = 

273,15 К; 

р0 = 101,3 103 кПа;  v0 = 0,770 м3/кг.

Разреженные газы, в которых можно пренебречь объемом мо
лекул и силами межмолекулярного взаимодействия, называются  
идеальными газами. 

Уравнение состояния. Параметры состояния идеального газа 

связаны между собой уравнением Клапейрона – Менделеева:

рv = RT,
(1.1)

где  R = Rμ /  μ – газовая постоянная,  μ – молекулярная масса 

газа;  Rμ = 8314 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная. 
Для некоторых газов их свойства представлены в табл. 1.1. Термодинамические параметры воздуха даны в приложении 4.

Таблица 1.1

Газ
μ, кг/кмоль
R, Дж/(кг К)
ρ0, кг/м3

Водород Н2
2
4124
0,09

Гелий Не
4
2077
0,18

Азот N2
28
297
1,25

Кислород О2
32
260
1,43

Воздух
29,1
287
1,29

Углекислый газ СО2
44
190
1,81

Водяной пар Н2О
18
462
0,71

Изменение состояния газа во времени называется термодина
мическим процессом. Обычно термодинамика рассматривает равновесные процессы, которые состоят из непрерывного изменения состояния равновесия. Равновесные процессы обратимы, т.е. при их 
совершении в прямом и обратном направлениях не происходит изменений ни в газе, ни в окружающей его среде.

1.1.2. Функции состояния. Первый закон термодинамики.

Внутренняя энергия газа  U, Дж, включает кинетическую 

энергию всех видов движения молекул газа и потенциальную энергию взаимодействия молекул. Удельная внутренняя энергия  и = 
U/М, Дж/кг. Для термодинамики важно не абсолютное значение 
внутренней энергии, а ее изменение в термодинамических процессах  
и2 – и1; начальное значение  и1 можно принимать любым, например, 
считать  и1 = 0 при  t = 0оС.

Работа расширения L, Дж, – это произведение силы на путь 

действия этой силы. Пусть, например, газ размещен в вертикальном 
цилиндре, поршень площадью  F cоздает давление  р и давит на газ с 
силой  рF. Если подводить к газу теплоту,  он будет  расширяться,  
совершая  на  пути  dz элементарную  работу dL = рFdz. Произведение  Fdz = dV есть элементарное изменение объема. Таким образом, 
элементарная работа газа определяется выражением 

dL = р dV.

Работа L при конечном изменении объема определяется инте
грированием этого равенства. Удельная работа  l, т.е. отнесенная к 1 
кг газа, равна 

dl = р dv,  l = ∫ р dv.

Если давление  р в процессе расширения изменяется, то для 

интегрирования последнего равенства нужно знать закон этого изменения. 

Теплота. Энергия может передаваться газу не только в форме 

работы, но и без ее совершения, в форме теплоты  Q, Дж., которая 
идет на приращение внутренней энергии газа. Удельная теплота  q = 
Q/M, Дж/кг. 

Первый закон термодинамики записывается в виде 

dQ = dU + dL,  или dq = du + dl,                 (1.2)

т.е. теплота, подведенная к газу, расходуется на приращение 

его внутренней энергии и на совершение работы.

Если в термодинамическом процессе теплота не подводится и 

не отводится 

(dQ = 0,  dL = - dU), то работа расширения совершается за 

счет уменьшения внутренней энергии газа. Такой процесс называется адиабатным.

Если в процессе объем газа не изменяется  (dL = 0,  dQ = dU), 

то вся подведенная теплота расходуется на изменение внутренней 
энергии газа. Такой процесс называется изохорным.

Если в термодинамическом процессе не изменяется внутрен
няя энергия газа  (dU = 0,  dQ = dL), вся подведенная извне теплота 
идет на совершение работы. Такой процесс называется изотермическим.

В интегральной форме первый закон термодинамики выража
ется равенствами 

Q = ΔU + L,  или   q =Δ u + l,                (1.3)

где  ΔU = U1 – U2,  Δ u = u1 – u2 - приращение внутренней 

энергии в процессе.

1.1.3. Теплоемкость газов

Теплоемкость – это отношение количества подведенной теп
лоты  dq к cоответствующему изменению температуры  dt. Различают:

удельную массовую теплоемкость с = dq/dt, Дж/(кг. K);
удельную объемную теплоемкость с΄=сρ0,=μс/22,4, Дж/(м3. K);
удельную мольую теплоемкость сμ = μс , Дж/(кмоль K)
(здесь 22,4 м3 – объем одного киломоля газа при нормальных 

условиях).

Теплоемкость газа зависит от типа процесса подвода или от
вода теплоты. Так, теплоемкость при постоянном объеме (изохорная)  сv = dq/dt v = const.; тепло-емкость при постоянном давлении (изобарная)  ср = dq/dtр = const.. Они связаны между собой уравнением 
Майера:

ср = сv + R.                                           (1.4)

Отношение  ср / сv = к называется показателем адиабаты. Для 

одноатомных газов (гелия, аргона)  к = 1,66, для двухатомных (водорода, азота, кислорода, воздуха)  к = 1,4, для трехатомных (водяного пара, углекислого газа)  к = 1,3.

Теплоемкости некоторых газов при  t = 0оС представлены в 

табл. 1.2.

Таблица 1.2

Газ
R, кДж/(кг К)
ср, кДж/(кг К)
сv, кДж/(кг К)

Водород Н2
4,124
14,20
10,07

Гелий Не
2,077
5,200
3,133

Азот N2
0,297
1,294
1,003

Кислород О2
0,260
1,306
1,046

Воздух
0,287
1,001
0,714

Углекислый газ СО2
0,190
1,600
1,410

Водяной пар Н2О
0,462
1,491
1,030

Из таблицы видно, что наибольшей теплоемкостью обладает 

водород. Поэтому, в частности, применяется водородное охлаждение электрогенераторов. С ростом температуры теплоемкость газов 
увеличивается. Например, при  t = 1000 оС  ср воздуха составляет 
1,09 кДж/(кг К).

1.1.4. Смеси газов

На практике обычно приходится иметь дело со смесями газов, 

химически не реагирующих между собой. Например, воздух – смесь 
азота и кислорода с примесями аргона, водяного пара; в отработав

ших газах энергетических установок присутствуют также углекислый газ, оксиды углерода, оксиды азота и пр. Давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. 

Состав газовой смеси может задаваться двумя способами:
1. Задание состава смеси массовыми долями mi, т.е. отноше
ниями массы  i-го компонента к общей массе смеси  mсм. В частности, для воздуха mО2 = 0,23, mN2 = 0,76, mAr = 0,01. Газовая постоянная смеси и осредненная (кажущаяся) молекулярная масса смеси 
определяются выражениями 

    ∑     

 

       

   
⁄
 

(1.5)

где  Rμ = 8314 Дж/(кг К) – универсальная газовая постоянная.

2. Задание состава смеси объемными долями ri, т.е. отношени
ями объема, занимаемого i-м компонентом, к общему объему смеси. 
В этом случае переход к массовым долям производится по соотношению  mi = ri μi /μсм, кажущаяся молекулярная масса смеси равна
μсм=∑ ri   

 
. Парциальное давление отдельных компонентов смеси 

рi=ri рсм.. Теплоемкость смеси газов определяется из равенства

     ∑      

 

  

1.2. газовые процессы. второй закон термодинамики

Энтропия. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабат
ный, политропный процессы. Термодинамические диаграммы. Обратимые и необратимые процессы. Сжатие газа в компрессоре. Второй закон термодинамики.

По теме не предусмотрены лабораторные работы и задачи 

контрольной работы. После изучения теоретического материала

следует ответить на вопросы для самопроверки по теме. Более 

подробная информация по теме – в источниках [1], [8].

1.2.1. Термодинамические процессы

В термодинамических процессах происходит непрерывное из
менение параметров газа. При анализе процессов исследуется изменение давления  р, температуры  Т, удельного объема  v. В процессах 
могут изменяться функции  состояния. Так, может увеличиваться 

или уменьшаться внутренняя энергия  U, 
Дж. Может подводиться или отводиться 
теплота  Q, Дж. Может совершаться или 
затрачиваться работа  L, Дж. При анализе 
процессов исследуется также изменение 
энтропии  S – вспомогательной функции 
с размерностью  Дж/К, которая вводится 
соотношением 

ds = dq/T,                                              (1.6)

где  s = S/M – удельная энтропия с размерностью  Дж/(кгК). 

Конечное изменение энтропии в термодинамическом процессе  Δs
определяется интегралом 

   ∫   

 
⁄

 

 

      

Введение этой вспомогательной функции существенно упро
щает анализ процессов.

Изохорный процесс, V = const.
При постоянном объеме параметры газа связаны соотношени
ем 

р2 /р1 = Т2 /Т1.              
(1.7)

Уравнение первого закона термодинамики (1.2) для изохорного процесса приводится к виду

dq=du, или q=u,
(1.8)

т.е. вся подведенная теплота расходуется на изменение внут
ренней энергии

dq =du=сvdt, или q=Δu=сvΔt=сv(t2–t1),
(1.9)

где сv – среднее значение изохорной теплоемкости в интервале температур от t1 до t2 . На рис. (1.1) представлены  p-v и Т-s диаграммы 
изохорного процесса. Площадь под кривой процесса в  p-v
диа
грамме  (рис. 1.1а) равна нулю – газ не расширяется. Изменение энтропии газа cоставляет 

ds =  

   
⁄
dq/T, Δs =∫   

 
⁄
 
= ∫сv(d

 
 
 

/T) = сv ln(T2/T1).     (1.10)

Площадь под логарифмической кривой на Т-s диаграмме (рис. 

1.1б) равна подведенной в процессе теплоте.  Близок к изохорному, 
например, процесс подвода теплоты при сгорании топлива в цилиндре карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Изобарный процесс, р = const.
При постоянном давлении параметры газа связаны соотноше
нием 

v2/v1 = Т2 / Т1.
(1.11)

Уравнение первого закона термодинамики (1.2) для изобарно
го процесса приводится к виду 

Dq = du + dl = cv dt + pdv = cp dt,  или  q = cp (t2 – t1),
(1.12)

где  сp – среднее значение изобарной 
теплоемкости в интервале температур от t1 до t2. На рис. (1.2) представлены  p-v и Т-s диаграммы изобарного процесса. Подведенная теплота  q
= ср Δt расходуется на изменение 
внутренней энергии  Δu = сv Δt и на 
совершение работы  l = RΔt.  Площадь под изобарой  1-2 в  p-v
диа
грамме (рис. 1.2а) равна совершенной работе  l. Площадь под логарифмической кривой на Т-s диаграмме (рис. 1.2б) равна подведенной в изобарном процессе теплоте. Эта площадь больше, чем в случае изохорного процесса в том же интервале температур.