Э5 - Теплофизика - МГТУ им. Н. Э. Баумана

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
УТВЕРЖДАЮ
первый
проректор - проректор по
учебной
работе
МГТУ им. Н.Э.Баумана
_________________________Е.Г. Юдин
“
____”___________________2002 г.
Термодинамика
(учебная программа)
Для студентов факультета “Э” кафедры “Вакуумная и компрессорная техника”
Специальность № 101500
Виды учебных работ
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Домашние задания
ДЗ № 1
ДЗ № 2
ДЗ № 3
ДЗ № 4
ДЗ № 5
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет
Экзамен
Объем работ, час
Всего
5 сем
136
136
102
102
68
68
17
17
17
17
34
34
22
22
4
4 ч., 6 нед.
6
6 ч., 9 нед.
4
4 ч., 11 нед.
4
4 ч., 13 нед.
4
4 ч., 15 нед.
12
12
Экзамен
Факультет
“Энергомашиностроение”
Кафедра
“Теплофизика”
экзамен
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина входит в цикл “Научные дисциплины специальности”.
Основные цели дисциплины: подготовка специалистов к
научно-исследовательской работе и конструированию энергетического и
тепломассообменного оборудования различного назначения.
Задачи дисциплины – приобретение знаний, умений и навыков,
необходимых при выполнении термодинамических и тепломассообменных
расчетов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских задач,
связанных с расчетом и проектированием теплоэнергетических машин и
тепломассообменного оборудования
Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в
результате изучения дисциплины.
1.
2.
3.
4.
5.
Навыки и умения.
Студент должен уметь:
Сформулировать цель рассматриваемой проблемы,
связанной с
расчетом и проектированием энергетических установок различного
назначения.
Разработать физическую модель процесса.
Выполнять расчеты состава газовых смесей, газовых и паровых циклов,
термодинамических процессов с реальными газами и с влажным
воздухом, в частности, процессы истечения и наполнения резервуаров
Согласовать параметры тепломассообменных процессов с общими
конструктивными решениями систем и агрегатов вакуумной и
компрессорной техники.
Оценить эффективность работы различных энергетических установок и
аппаратов.
Знания.
Студент должен знать:
1. Законы:
1. Фундаментальные законы о превращениях энергии в различных
термодинамических процессах, первое и второе начало термодинамики,
законы истечения, парообразования и дросселирования.
2. Законы термодинамики фазовых превращений и химических реакций.
Третий закон термодинамики.
3. Закон распределения Больцмана и уравнение Максвелла.
2. Характеристики:
1. Теплофизические характеристики сред.
2. Характеристики, параметры и функции состояния.
3. Характеристические функции и дифференциальные уравнения.
4. Характеристики газовых смесей, их состав.
5. Характеристики термодинамичности, процессов, циклов и их
эффективности.
6. Характеристики реальных и идеальных газов.
7. Характеристики тепловых и холодильных машин.
8. Характеристики сложных термодинамических систем с фазовыми и
химическими превращениями.
3. Понятия:
Термодинамическая система: простая, сложная, закрытая, открытая,
изолированная, гомогенная и гетерогенная. Идеальный и реальный газ,
влажный воздух, стационарный поток. Контрольная поверхность,
поверхность раздела. Энергия, работа, теплота, энтальпия, энтропия,
теплоемкость, эксергия, свободная энтальпия и химический потенциал,
процесс, цикл, КПД, тепловой эффект, естественные, равновесные,
обратимые и политропные процессы, фазовое равновесие, истечение и
дросселирование, кипение, парообразование и сублимация, сжижение.
Малая и большая статистические суммы, групповые интегралы,
вириальные коэффициенты.
4. Методики:
1. Расчета газовых смесей, теплоемкостей, термодинамических процессов,
параметров и функций состояния;
2. Расчета газовых и паровых циклов;
3. Расчета процессов с реальным газом и во влажном воздухе;
4. Расчета
газодинамических
и
геометрических
параметров
сверхзвукового сопла;
5. Расчета эффективности энергетических машин и установок.
5. Приборы и оборудование:
1. Приборы для измерения теплофизических характеристик твердых и
подвижных сред, газового анализа смеси газов.
2. Приборы для измерения температур, давлений, скоростей, расходов
жидкостей и плотностей тепловых потоков, тепловых эффектов.
Основные исходные, профессиональные и интеллектуальные навыки,
умения, знания, необходимые для изучения дисциплины.
Изучению данной дисциплины предшествует подготовка студентов по
высшей математике, информатике, физике, химии. При изучении
указанных дисциплин студенты получают фундаментальную подготовку,
основные исходные профессиональные и интеллектуальные навыки,
умения и знания, необходимые для успешного усвоения данной
дисциплины.
В процессе изучения дисциплины используются технические
средства обучения, персональные ЭВМ, комплекс учебно-лабораторных
установок,
обеспечивающих
экспериментальное
подтверждение
изучаемых законов и процессов.
Применяются
активные
формы
обучения,
включающие
семинарские и лабораторные занятия, выполнение расчетных домашних
заданий, самостоятельную работу студентов под контролем преподавателя.
Текущий контроль качества усвоения материала осуществляется путем
индивидуального собеседования преподавателя со студентами по
результатам лабораторных работ, при приеме домашних заданий, при
выполнении самостоятельной работы студентов под контролем
преподавателя.
Раздел 2. Содержание дисциплины – 68 часов
1. Введение - 1 час.
Определение термодинамики как научной дисциплины. Термодинамика
как теоретическая основа теплоэнергетики в развитии производительных
сил.
Характеристика особенностей термодинамического метода: использование
фундаментальных законов природы, макроскопическое описание явлений,
пределы применимости метода. Краткие исторические сведения о развитии
термодинамики. Роль русских и советских ученых в развитии
термодинамики и теплопередачи.
2. Основные понятия и первое начало термодинамики – 10 часов
Термодинамическая
система
и
окружающая
среда.
Термодинамические
системы:
закрытая,
открытая
(проточная),
изолированная, простая и сложная, гомо- и гетерогенная.
Рабочее тело и идеальный газ как частные случаи
термодинамических систем.
Внутренняя энергия термодинамической системы. Взаимодействие обмен энергией между системой и окружающей средой. Понятие о
термодинамических степенях свободы - родах взаимодействий. Простая
термодеформационная система.
Основные физические концепции, связанные с понятием энергии:
многообразие форм движения материи, энергия как общая мера различных
форм движения, формы энергии. Тепловое движение как совокупное
механическое движение микрочастиц макроскопического тела. Работа
различных видов как форма передачи энергии в результате направленного
перемещения материи. Теплота как форма передачи энергии в результате
обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц. Состояние
термодинамической системы: неравновесное, равновесное.
Основные и калорические параметры состояния системы,
независимые переменные. Интенсивные, экстенсивные, полные, удельные,
мольные параметры.
Потенциалы
(обобщенные
силы)
термодинамических
взаимодействий, их роль при передаче энергии между системой и
окружающей средой. Абсолютные давление и температура как потенциалы
взаимодействий термодеформационной системы.
Координаты термодинамического состояния, их свойства,
однозначная связь их изменения с родом взаимодействия в равновесных
процессах. Объем как координата деформационного состояния. Энтропия
как координата теплового состояния. Принцип существования энтропии.
Понятие об уравнениях состояния. Использование координат
состояния в качестве независимых переменных. Калорические и
термические уравнения состояния. Термодинамические поверхности
состояния. Уравнения Клапейрона-Менделеева и Ван Дер Ваальса —
примеры уравнений состояния системы.
Термодинамический процесс — изменение состояния системы в
результате её взаимодействия с окружающей средой. Понятие о
равновесных и неравновесных, обратимых и необратимых процессах.
Роль и значение в термодинамике представлений о равновесных
состояниях и процессах. Графическое изображение равновесных
состояний и процессов на поверхности состояний и в проекциях на
координатные плоскости.
Выражение работы объемных деформаций однородной системы
через давление и объем. Зависимость работы от характера
термодинамического процесса. Уравнение процесса в переменных объем
— давление. Графическое представление работы как площади в рабочей
диаграмме. Работа замкнутого процесса и отличие бесконечного малой
работы от полного дифференциала.
Работа ввода - вывода рабочего тела. Располагаемая работа, её
аналитическое выражение и графическое представление. Составляющие
располагаемой работы для типичных открытых систем
Выражение количества теплоты через температуру и энтропию.
Зависимость количества теплоты от характера термодинамического
процесса. Уравнение термодинамического процесса в переменных
энтропия - температура. Графическое представление теплоты в тепловой
диаграмме. Теплота замкнутого процесса, отличие бесконечно малого
количества теплоты от полного дифференциала.
Теплоемкость. Истинная и средняя, удельная, мольная и объемная
теплоемкости.
Зависимости
теплоемкости
от
характера
термодинамического процесса. Вычисление количества теплоты через
теплоемкость и изменение температуры. Теплоемкости при постоянном
давлении и постоянном объеме. Формулы Майера и Эйнштейна.
Первый закон термодинамики - форма закона сохранения и
превращения энергии в применении к термодинамической системе.
Выражение изменения внутренней энергии замкнутой системы через
количества теплоты и работы. Правило знаков. Уравнение I- ого закона
термодинамики для конечных и бесконечно малых процессов для полных
и удельных количеств рабочего тела.
Уравнения и формулировки первого начала термодинамики для
открытой и закрытой систем. Физический смысл энтальпии.
Термодинамические циклы - основы действия тепловых машин.
Условия, необходимые для осуществления прямого термодинамического
цикла (цикла теплового двигателя): наличие источника теплоты с
повышенной температурой (“горячего источника”), необходимость отвода
теплоты от рабочего тела для замыкания цикла, наличие приемника
теплоты с пониженной температурой (“холодного источника”).
Термический коэффициент полезного действия прямого цикла. Цикл
Карно и теорема Карно. Средние эффективные температуры подвода и
отвода теплоты для идеальных образцовых циклов реальных двигателей,
эквивалентный цикл Карно. Пути повышения термического КПД циклов.
Обратные термодинамические циклы. Использование обратных циклов в
холодильных машинах, тепловых насосах и термотрансформаторах.
Холодильный
коэффициент,
отопительный
коэффициент,
коэффициент трансформации теплоты. Обратные циклы Карно.
Использование цикла Карно для построения термодинамической
температурной шкалы. Шкалы относительной и идеальной-газовой
температур. Международная практическая шкала.
3. Второе начало термодинамики и термодинамика необратимых
процессов - 6 часов.
Второе начало термодинамики - совокупность двух независимых
положений - принципов энтропии. Принцип существования энтропии, его
физический смысл и аналитическое выражение. Односторонняя
направленность и термодинамическая необратимость самопроизвольных
неравновесных процессов. Диссипация энергии, принцип возрастания
энтропии, его физический смысл и аналитическое выражение для
термодинамической системы.
Возрастание энтропии изолированной системы взаимодействующих
тел при неравновесных процессах и деградации её энергии. Формулировки
второго начала термодинамики и их отношение к принципам
существования и возрастания энтропии.
Связь деградации энергии с проблемами теплового загрязнения
экологической среды обитания человека. Термодинамические аспекты
рационального использования энергетических ресурсов окружающей
природной среды в низкотемпературных и вторичных источниках теплоты,
защиты окружающей среды от вредного воздействия теплоэнергетических
установок.
Обоснование существования энтропии на основе доказательства
теоремы Карно с помощью утверждений (постулатов), относящихся к
неравновесным
процессам.
Необходимость
для
конкретного
доказательства постулатов, относящихся к равновесным процессам, не
являющихся очевидными. Логическая независимость принципов
существования
и
возрастания
энтропии.
Рациональность
непосредственного постулирования существования энтропии.
Энтропия как характеристика термодинамической вероятности
состояния системы частиц.
Ограничения области применения принципа возрастания энтропии.
Критика с позиций диалектического материализма реакционного характера
концепции “тепловой смерти” Вселенной.
Понятие о функциях работоспособности закрытой и проточной
термодинамических
систем.
Влияние
необратимости
на
работоспособность. Эксергия. Энтропийный и эксергетический методы
оценки эффективности работы тепловых машин, с учетом необратимости
процессов.
4. Характеристические функции и дифференциальные уравнения
термодинамики - 8 часов.
Основное уравнение термодинамики - выражение дифференциала
внутренней энергии как функции состояния через объем и энтропию как
независимые переменные. Роль и значение основного уравнения.
Значение характеристических термодинамических функций в
построении аналитического аппарата термодинамики. Сопоставление
метода циклов и метода термодинамических функций.
Характеристические функции в переменных энтропия-объем
(внутренняя энергия), энтропия-давление (энтальпия), температура-объем
(свободная энергия, энергия Гельмгольца), температура-давление
(свободная энтальпия, энергия Гиббса). Выражение термодинамических
величин через характеристические функции. Характеристические функции
как термодинамические потенциалы.
Дифференциальные соотношения Максвелла, их применение для
выражения
одних
параметров
через
другие.
Уравнения
Гиббса-Гельмгольца.
Значение
дифференциальных
уравнений
термодинамики.
Дифференциальные уравнения для внутренней энергии, энтальпии,
энтропии и теплоты в независимых переменных температура-объем,
температура-давление, объем-давление.
Теплоемкость реальных тел в произвольном термодинамическом
процессе. Соотношения между изохорной и изобарной теплоемкостями
реальных тел. Зависимость изохорной теплоемкости от объема и
изобарной теплоемкости от давления. Получение уравнений состояния из
экспериментальных данных по теплоемкости и из выражений для
характеристических функций.
5. Рабочие тела энергетических
процессы – 8 часов.
машин
и
термодинамические
Роль и значение понятия идеального газа в технической
термодинамике. Термодинамические параметры идеальных газов.
Теплоемкости идеальных газов, их виды, зависимость от температуры.
Характеристики состава газовых смесей, их свойства.
Объем и последовательность расчета термодинамического процесса.
Расчет изобарного, изохорного, изотермного, изоэнтропного и
политропного процессов. Диаграмма энтропия-температура идеального
газа. Графический расчет процессов с применением диаграмм:
объем-давление,
логарифм
объема-логарифм
давления,
энтропия-температура.
Реальные газы. Отличия реальных газов от идеальных: изменение
сжимаемости, возможность фазовых переходов, сложность уравнений
состояний. Уравнение Ван Дер Ваальса: метастабильные и неустойчивые
состояния, критическая точка. Приведенное уравнение состояния,
термодинамическое подобие.
Пары чистых веществ. Изобарный процесс получения перегретого
пара из жидкости. Термодинамические параметры жидкости,
насыщенного, влажного, перегретого пара. Диаграммы: объем-давление,
энтропия-температура, энтропия-энтальпия. Таблицы термодинамических
свойств жидкости и пара.
Расчет термодинамических процессов в парах. Истечение и
дросселирование пара.
Сложная система, характеристики её состава. Мольные парциальные
свойства. Химическая энергия, немеханическая работа и химический
потенциал.
Основные характеристики влажного воздуха: влагосодержание,
абсолютная и относительная влажность, температура точки росы.
Температуры
сухого
и
мокрого
термометра.
Диаграмма
влагосодержание-энтальпия, её варианты для нормального и для
повышенных давлений. Процессы во влажном воздухе.
6. Циклы тепловых машин - 7 часов.
Принцип работы и индикаторная диаграмма одноступенчатого
идеального компрессора. Работа привода компрессора. Представление о
реальном компрессоре. Влияние мертвого объема. Причины применения
многоступенчатого сжатия. Индикаторная диаграмма многоступенчатого
компрессора. Разбивка перепада давления между ступенями. Понятие о
работе центробежных компрессоров.
Обобщенный термодинамический газовый цикл.
Циклы газотурбинной установки с подводом теплоты при
постоянстве объема или давления. Термический КПД цикла, пути его
повышения.. Условность циклов и их характеристик.
Разновидности циклов поршневых двигателей.
Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным
подводом теплоты. Термический КПД цикла. Понятие о цикле поршневого
двигателя с внешним подводом теплоты.
Паровой цикл Ренкина. Термический КПД цикла, пути его
повышения. Влияние повышения давления, температуры перегрева пара,
регенерации.
Цикл
парокомпрессионной
холодильной
машины.
Холодопроизводительность и холодильный коэффициент цикла. Понятие о
газовых холодильных циклах и циклах абсорбционных холодильных
установок.
Возможности преобразования теплоты в электрическую работу в
устройствах безмашинного типа.
7. Термодинамическое равновесие неоднородных систем и фазовые
превращения чистых веществ - 6 часов.
Приложение первого начала термодинамики к неоднородным
системам. Зависимость внутренней энергии от состава системы.
Химический потенциал как производная от характеристической функции
по количеству компонента при заданных условиях внешнего сопряжения.
Направление изменений в неравновесных неоднородных системах.
Применение второго начала термодинамики (принципа возрастания
энтропии) для получения общего условия равновесия в виде суммы
произведений химических потенциалов на изменение количества вещества
в подсистемах. Принцип минимальности характеристических функций.
Фазы и компоненты. Фазовое равновесие. Сохранение количества
компонента как дополнительное условие равновесия при фазовых
переходах в отсутствии химических реакций. Условие фазового
равновесия - равенство значений химического потенциала компонента во
всех фазах. Правило фаз Гиббса.
Фазовые превращения чистого вещества. Фазовая диаграмма
температура-давление для однокомпонентной системы. PVи
TS –
диаграммы.
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса, зависимость температуры
кипения от давления. Тройные точки. Понятие о фазовых переходах
первого и второго рода, уравнения Эренфеста.
8. Термодинамика поточных процессов - 6 часов.
Уравнение энергии одномерного потока в термической и
механической формах. Закон обращения воздействий. Параметры
торможения. Исследование и расчет процессов адиабатного истечения с
помощью диаграмм энтропия-энтальпия. Движение газа при подводе
теплоты.
Адиабатное течение по каналам переменного сечения. Критические
условия течения, особенности течения в дозвуковой и сверхзвуковой
областях. Сопло Лаваля. Скорость и расход газа при адиабатном течении.
Учет трения.
Адиабатное
дросселирование.
Применение
процессов
дросселирования для регулирования проточных машин и для получения
низких
температур.
Дифференциальный
и
интегральный
дроссель-эффекты. Температура и кривая инверсии дроссель-эффекта.
Специальные главы термодинамики для специальности Э-5 (16 часов)
Основные понятия статистической термодинамики. Закон
распределения Больцмана. Выражение параметров состояния через
большую и малую статистические суммы. Уравнение Максвелла для
распределения молекул по скоростям, формулы для средних скоростей и
для элементарного потока массы.
Поведение реальных газов при высоких давлениях и низких
температурах.
Потенциальная
энергия
молекул.
Потенциалы
Ленарда-Джонса и их использование. Вириальная форма уравнения
состояния, вычисление термодинамических функций с её учетом.
Эмпирические уравнения состояния.
Взаимосвязь между p, V, T и составом реально-газовых смесей;
уравнения Кричевского-Казарновского, Кричевского-Маркова, Бартелетта
и др.
Особенности течения разреженных газов. Постановка и решение
задачи о свободно-молекулярном течении газа в длинной трубе и через
отверстие. Специфика и использование граничных условий для течений со
скольжением.
Истечение газа из резервуара ограниченной вместимости.
Раздел 3. Темы практических занятий.
3.1 Семинары (17 час.).
№ упражнения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тема практического занятия
Параметры состояния
Газовые смеси и теплоемкости
Первый закон термодинамики, аналитический и графический
расчет газовых процессов
Расчет газовых циклов
Расчет процессов истечения и дросселирования
Расчет паровых циклов: аналитический, графический
по P--V, T--S и H--S -диаграммам и с использованием таблиц
Расчет процессов с реальным газом
Расчет процессов во влажном воздухе
3.2 Лабораторные работы (17 часов)
№
Наименование лабораторной работы
Исследование работы теплового двигателя
Определение изобарной теплоемкости воздуха
Адиабатное истечение воздуха через сужающееся сопло
Исследование термодинамических процессов во влажном
воздухе
Определение тепловых эффектов реакций горения
органических веществ
1
2
3
4
5
3.3 Самостоятельная работа (34 час.)
а) Домашние задания (22 час.)
№
1
2
3
4
5
Наименование домашних заданий
Расчет параметров газовой смеси (4 час.)
Расчет газового цикла (6 час.)
Термодинамический расчет сопла (4 час.)
Расчет цикла реального газа (4 час.)
Расчет процессов во влажном воздухе (4 час.)
б) Самостоятельная проработка курса (12 час.)
4.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
4.1. Основная литература
1. Техническая термодинамика. Учебник для вузов (под ред. В.И.Крутова)
3-ое изд. М.: Высшая школа, 1991.
2. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена.
Учебное пособие для машиностроительных вузов (под ред.В.И.Крутова
и Г.Б.Петражицкого) М.: Высшая школа, 1986.
3. Лабораторный
практикум
по
термодинамике
и
теории
тепломассообмена. Учебное пособие для вузов (под ред.В.И.Крутова и
Е.В.Шишова) М.:Высшая школа, 1988.
4. Исаев С.И. Термодинамика. 3-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.
5. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: “Высшая школа”,
1974.
4.2. Дополнительная литература
1. Базаров И.П. Термодинамика. Учебник для вузов. М.: Высшая школа,
1983.
2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая
термодинамика. Учебник для вузов 4-ое изд. М.: Энергоатомиздат,
1983.
3. Теплотехника. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова). М.:
Машиностроение. 1986.
4.3. Перечень пособий.
Для демонстрации на лекциях и на лабораторных работах
используются комплекты плакатов.
4.4. Использование ЭВМ.
Для выполнения домашних заданий –
каждого студента).
10 часов на ПЭВМ (на
Программа
составлена
на
основании
Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по
специальности 101500 “Вакуумная и компрессорная техника”, направление
657400
Программу составил
доцент, к.т.н. каф. Э-6
Зав.кафедрой Э-6
д.т.н., проф. каф. Э-6
Пылаев А.М.
“______”__________г.
Хвесюк В.И.
“______”__________г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры “Вакуумная и
компрессорная техника” Э5
Зав. кафедрой Э5
д.т.н., проф.
Демихов К.Е.
“______”__________г.
Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та “Э”
Председатель методической комиссии
д.т.н., проф.
Руководитель НУК “Э” (декан)
к.т.н., доцент
Начальник методического
отдела МГТУ
к.т.н., доцент
Пластинин П.И.
“______”__________г.
Суровцев И.Г.
“______”__________г.
Васильев Н.В.
“______”__________г.