Термодинамика учебно




НазваниеТермодинамика учебно
страница1/11
Дата конвертации14.12.2012
Размер1.43 Mb.
ТипУчебно-методическое пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


ФИЛИАЛ в г. САЛАВАТЕ


Кафедра химико-технологических процессов


ТЕХНИЧЕСКАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА


Учебно-методическое пособие к выполнению

контрольных заданий и изучению курса

«Техническая термодинамика и теплотехника»

для студентов заочного обучения специальности 17.05.00


Уфа 2003


Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельного изучения курса «Техническая термодинамика и теплотехника» и выполнения контрольных заданий. Содержит программу и методические указания к разделам курса, вопросы для самопроверки, контрольные задания и теоретическую часть к ним, рабочую программу дисциплины " Техническая термодинамика и теплотехника" для подготовки дипломированного специалиста по направлению 655400 – “Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии”, специальности 170500 – “Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов” заочной формы обучения, экзаменационные вопросы.


Составители: Евдокимова Н.Г., доц., канд. техн. наук

Шеин В.П., ассистент, канд. техн. наук


Рецензент Захаров Н.М., доц., канд. техн. наук


©Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2003


ВВЕДЕНИЕ и общие методические указания


Термодинамика изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми явлениями, а также свойства тел, участвующих в этих преобразованиях.

Практически нет отрасли науки и техники, где бы ни присутствовали энергетические взаимодействия и преобразования, поэтому термодинамика играет огромную роль в системе знаний, необходимых инженеру любой специальности в его практической деятельности.

Термодинамика базируется на двух основных опытных законах (началах), которые являются обобщением закономерностей, существующих в природе.

Первое начало термодинамики устанавливает количественные отношения в процессах взаимного преобразования теплоты и работы и является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

Второе начало термодинамики характеризует направление естественных (необратимых) процессов и отмечает качественное отличие теплоты от других форм передачи энергии.

В зависимости от рассматриваемых вопросов и целей исследования термодинамику подразделяют на общую, техническую, химическую, биологическую и т.д.

Техническая термодинамика изучает процессы взаимного превращения теплоты и работы, а также свойства рабочих тел, с помощью которых происходит это преобразование.

Наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств, называется теплотехникой.

Для установления наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых и холодильных установок, умелого комбинирования этих процессов и создания новых, наиболее совершенных необходима глубокая разработка теоретических основ теплотехники, которая базируется на технической термодинамике и теории теплообмена.

При изучении технической термодинамики и теплотехники студенты-заочники, руководствуясь программой курса, самостоятельно работают над учебниками и учебными пособиями, выполняют контрольные работы и лабораторные работы. Материал курса изучают по основному учебнику (см. список рекомендуемой литературы, с. 2). Для более подробного изучения отдельных вопросов и в помощь при решении контрольных работ рекомендуется дополнительная литература. При самостоятельной работе студента над учебником необходимо добиваться отчетливого представления о физической сущности изучаемых явлений и процессов. При этом особое внимание необходимо уделить изучению теоретических основ технической термодинамики и теплотехники.

При изучении каждого раздела курса рекомендуется составлять конспект и решать задачи для закрепления теоретического материала. В конце каждой темы (раздела) приводятся контрольные вопросы, по которым студент может контролировать степень усвоения материала. Для улучшения освоения курса студенты-заочники должны выполнить лабораторные работы, предусмотренные программой. Если при изучении курса возникают вопросы, студент может получить консультацию на кафедре химико-технологических процессов СФ УГНТУ.


1 ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РАЗДЕЛАМ КУРСА

Раздел 1

Введение


Содержание курса и его значение. Энергетика и ее значение в народном хозяйстве страны. Тепловые установки и их роль в энергетике страны. Топливные ресурсы и топливный баланс России. Энергетическое и технологическое использование теплоты. История развития топливно-энергетических ресурсов. Топливно-энергетические ресурсы в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности.


Методические указания

Изучив материалы, связанные с этой темой, студент должен твердо усвоить значение и место энергетики в народном хозяйстве страны, знать основные направления развития энергетики.


Литература: [1,с. 15-17]; [2, с.4-5]; [3, с. 3-14].


Вопросы для самопроверки

1 Каково значение теплоэнергетики в народном хозяйстве страны? 2 Преимущества и недостатки тепловых электростанций? 3 Из каких составляющих состоит топливный баланс страны? 4 Каковы перспективы развития энергетики страны?


Раздел 2

Основные положения технической термодинамики


Общие понятия и определения технической термодинамики. Основные определения. Термодинамическая система, рабочее тело, основные параметры состояния, термодинамическая и потенциальная работы, внутренняя энергия, теплота. Равновесное и неравновесное состояние. Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые термодинамические процессы. Законы идеальных газов. Уравнение состояния. Физический смысл удельной газовой постоянной. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия идеального газа. Смеси жидкостей, паров и газов. Закон Дальтона. Способы задания смеси. Определение средней молекулярной массы смеси и ее газовой постоянной. Связь между массовыми и объемными долями. Понятие о теплоемкости. Виды теплоемкостей. Истинная и средняя теплоемкость. Зависимость теплоемкости идеального и реального газа от температуры.


Методические указания

Материалы этой темы представляют собой необходимый комплекс определений и понятий, на базе которых излагаются последующие темы. Поэтому студент должен уделить особое внимание четкому усвоению этих понятий и определений. При изучении этой темы студент должен уделить особое внимание следующим вопросам: отличие идеального газа от реального газа, параметры, влияющие на теплоемкость газа, в каких единицах выражаются отдельные физические величины (давление, объем, температура, универсальная и удельная газовая постоянная, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, теплоемкости и др.), уметь правильно рассчитать их по соответствующим формулам.


Литература: [1, с. 18-40]; [2, с. 6-10, 11-13, 15-18]; [3, с. 84-106].


Вопросы для самопроверки

1 Что понимают под термодинамической системой? 2 Сколько независимых параметров характеризуют состояние рабочего тела? 3 Что называется термодинамическим процессом? 4 Приведите примеры равновесных процессов. 5 Что понимают под внутренней энергией тела? 6 Каковы формулы для определения термодинамической и потенциальной работы? 7 Какой газ называется идеальным? 8 Сформулируйте законы Авогадро, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта. 9 Напишите уравнение Клапейрона. 10 В чем физический смысл удельной газовой постоянной? 11 Как можно определить удельную газовую постоянную для любого газа? 12 Дайте определение теплоемкости. 13 В чем отличие средней теплоемкости от истинной теплоемкости? 14 Как зависит теплоемкость идеального газа от температуры? 15 Сформулируйте закон Дальтона.


Раздел 3

Первое и второе начало термодинамики


Формулировка первого начала термодинамики. Первое начало термодинамики для открытых и закрытых систем, для простого тела, идеального газа и потока. Аналитические выражения первого начала термодинамики. Закон Майера. Энтропия идеального газа. Определение Работы в рv- координатах. Круговые термодинамические процессы или циклы. Циклы прямые и обратные. Оценки эффективности прямого и обратного циклов. Цикл Карно. Работа цикла, термический к.п.д. и коэффициент холодопроизводительности. Сущность второго начала термодинамики и основные его формулировки. Математическое выражение и основные определения второго начала термодинамики. Основные следствия второго начала термодинамики. Изменение энтропии и работоспособности изолированной термодинамической системы при необратимых и обратимых процессах. Потеря работоспособности. Уравнение Гюи-Стодолы.


Методические указания

Изучая первое начало термодинамики, студент должен обратить внимание на принципиальное различие между внутренней энергией как функцией состояния и теплотой и работой как функциями процесса. Надо твердо усвоить, что если внутренняя энергия вполне определена для каждого заданного состояния газа (тела), то работа и теплота вообще не существуют для отдельного состояния, а появляются лишь при наличии процесса. При изучении второго начала термодинамики студент должен твердо усвоить следующие вопросы.

  1. Так как КПД цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от рода рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с КПД любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур, следовательно, никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле все подводимое тепло превратить в полезную работу; для увеличения КПД нужно стремиться к таким процессам, образующим цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты как можно меньше.

  2. Нельзя смешивать понятия «энтропия тела» и «энтропия системы». Энтропия как функция состояния тела обладает вполне определенными свойствами – изменение ее при протекании какого-либо процесса не зависит от характера процесса, а зависит лишь от параметров тела в начальном и конечном состоянии его. Поэтому изменение энтропии тела может быть положительным, отрицательным или равно нулю в зависимости от того, подводится или отводится теплота от тела или процесс происходит без теплообмена. Энтропия системы не является функцией состояния системы, состоящей из нескольких тел, которые характеризуются своими параметрами. Поэтому на изменение энтропии системы влияет характер процесса теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты. При протекании обратимых процессов энтропия системы остается постоянной, при необратимых процессах энтропия системы растет.


Литература: [1, c.54-61 ]; [2, с.11-30]; [3, с.29-62 ].


Вопросы для самопроверки

1 Дайте формулировку и аналитическое выражение первого начала термодинамики. 2 Что такое «функция состояния» и «функция процесса»? Приведите примеры этих функций. 3 Когда теплота, работа и изменение внутренней энергии считаются положительными и когда отрицательными? 4 Почему изобарная теплоемкость больше изохорной? 5 Какой цикл называется прямым и обратным? 6 Чем оценивается эффективность прямого и обратного циклов? 7 Для чего служат машины, работающие по прямому и обратному циклу? 8 Как связано изменение энтропии с теплотой и абсолютной температурой? 9 В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите основные его формулировки.


Раздел 4

Основные термодинамические процессы


Термодинамические процессы. Изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный процессы. Графическое изображение в РV- и TS- координатах. Определение работы, теплоты, изменения энтропии. Политропные термодинамические процессы. Уравнение политропы. Показатель политропы. Графическое выражение. Расчет политропных процессов. Термодинамические процессы в реальных газах и парах. Водяной пар. Основные понятия и определения. Степень сухости и степень влажности. Теплота парообразования. Свойства влажного насыщенного, сухого и перегретого пара. Уравнение Вукаловича-Новикова для перегретого пара. Производство водяного пара. РV-, ТS- и НS- диаграммы водяного пара. Расчет параметров водяного пара и его свойств по термодинамическим таблицам и НS- диаграмме. Термодинамические процессы с водяным паром: изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный процессы.


Методические указания

Изучая эту тему, студент должен знать применимость термодинамических процессов в технике, уметь их рассчитывать и изображать в РV-, ТS- координатах. При расчете параметров и процессов с паром необходимо пользоваться аналитическими уравнениями, термодинамическими таблицами и НS- диаграммой.


Литература: [1, c.63-88]; [2, с.30-41]; [3, с.106-146].


Вопросы для самопроверки

1 Приведите примеры из практики различных термодинамических процессов. 2 Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на увеличение внутренней энергии? 3 Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на совершение работы? 4 Как называется процесс, в котором работа совершается лишь за счет уменьшения внутренней энергии? 5 Как называется процесс, в котором подведенная к рабочему телу теплота численно равна изменению энтальпии? 6 Какой процесс называется политропным? 7 Какой физический смысл показателя политропы? 8 Чему равен показатель политропы для изотермического, изобарного, изохорного и адиабатного процессов? 9 Какой пар называется сухим насыщенным? 10 Дайте определение степени сухости. Чему она равна для сухого насыщенного пара? 11 Дайте определение теплоте парообразования, и как она изменяется с увеличением давления и температуры? 12 Чем характерна критическая точка? 13 Изобразите РV- и ТS- диаграммы для водяного пара и покажите в них характерные области и линии фазовых переходов. 14 Изобразите на НS- диаграмме водяного пара основные термодинамические процессы. Приведите формулы для определения теплоты, работы и изменения внутренней энергии пара в этих процессах.


Раздел 5

Термодинамика потока.

Истечение газов и паров. Дросселирование


Основные понятия. Уравнение первого начала термодинамики для потока. Работа проталкивания, техническая работа. Адиабатическое течение газов и паров в каналах. Конечная теоретическая линейная скорость истечения. Конечная массовая скорость истечения. Основные уравнения истечения. Массовый секундный расход газа. Режимы истечения. Критическая скорость, максимальный расход газа, пара. Анализ профиля канала. Преобразование энергии в соплах и диффузорах. Условия перехода через критическую скорость. Сопло Лаваля. Действительный процесс истечения. Истечение водяного пара через сопло и диффузор. Расчет процесса истечения водяного пара по НS- диаграмме водяного пара. К.П.Д. сопла. Теоретическое и располагаемое теплопадение. Дросселирование (мятие) газов и паров. Изменение параметров рабочего тела при адиабатном дросселировании. Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Томсона). Особенности дросселирования реального газа. Явление инверсии, кривая инверсии, температура инверсии. Изображение процесса дросселирования на НS- диаграмме водяного пара. Основные области применения дроссельного эффекта.

Методические указания

При изучении этой темы студент должен обратить внимание на те допущения, которые кладутся в основу вывода основных уравнений истечения. Следует знать условия перехода от дозвуковой (докритической) скорости к сверхзвуковой (закритической), уметь рассчитать сужающее сопло и сопло Лаваля. Надо знать, как влияет трение газа или пара на процесс истечения по каналам, и уметь изображать процессы течения в ТS- и НS- диаграммах. Нужно уяснить принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором нет подвода теплоты и происходит увеличение энтропии, и адиабатным обратимым процессом дросселирования, при котором нет подвода теплоты и не происходит изменения энтропии. Необходимо понять смысл температуры инверсии и кривой инверсии, чтобы объяснить сжижение газов в процессе дросселирования.


Литература: [1, c.105-130]; [2, с.43-52]; [3, с.246-260, 267-276].


Вопросы для самопроверки

1 Что такое работа проталкивания, и какой знак она может иметь? 2 Напишите уравнение первого начала термодинамики для потока и дайте объяснение всем входящим в него членам. 3 Каков физический смысл критической скорости? 4 Что такое сопло и диффузор? 5 Как связано изменение поперечного сечения канала с изменением скорости потока и числом Маха? 6 Что такое располагаемое теплопадение? 7 Какой процесс называется дросселированием? 8 Как изменяются параметры влажного пара при дросселировании? 9 Как и в зависимости от чего меняется температура идеального и реального газа при дросселировании? 10 Где применяется процесс дросселирования?


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Термодинамика учебно iconМолекулярная физика и термодинамика учебно
Ч. Молекулярная физика и термодинамика / И. И. Проневич, Р. Г. Пинчук, И. В. Приходько, В. Я. Матюшенко; м-во образования Респ. Беларусь,...

Термодинамика учебно iconУчебно-методическое пособие: М. В. Комарова, Т. Ю. Новожилова, учебно-методическое пособие для студентов III курса физического факультета по общему курсу «Статистическая физика и термодинамика»
«Статистическая физика и термодинамика». Рецензия: проф каф статистической физики, д ф м н. В. П. Романов, экспертное заключение:...

Термодинамика учебно iconСтатистическая термодинамика
Дисциплина «Квантовая механика и статистическая физика» читается для студентов специальности «Теплофизика» в 6 и 7 семестрах, после...

Термодинамика учебно icon"Учебно-методический комплекс по физике часть 1, версия 00 Механика. Молекулярная физика и термодинамика" Авторы: Г. М. Квашнин, Н. П. Ляховский, Н. Ф. Шемяков
Учебно-методический комплекс по физике часть 1, версия 00 Механика. Молекулярная физика и термодинамика

Термодинамика учебно icon«Термодинамика»
Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, не касаясь микропроцессов

Термодинамика учебно iconУрок по теме ”Термодинамика “
Термодинамика”, привести усвоенные понятия в стройную систему связей и отношений между её элементами

Термодинамика учебно iconЛекция 9 (Пищ) термодинамика
Термодинамика – раздел физики, изучающий физические процессы с точки зрения происходящих в них превращений энергии

Термодинамика учебно iconВопросы по курсу “термодинамика и статистическая физика” часть I. Равновесная феноменологическая термодинамика
Калорическое и термические уравнения состояния. Независимые и зависимые параметры системы

Термодинамика учебно iconДисциплины
Законы феноменологической (классической) и статистической термодинамики; Реакции и фазовые равновесия. Термодинамический анализ процессов...

Термодинамика учебно iconПрограмма учебной дисциплины «термодинамика»
Учебная дисциплина "Термодинамика" — обязательная дисциплина федеральных государственных образовательных стандартов всех направлений...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница