58

Ш. А. Пиралишвили, н. А. Мочалова, с. В. Веретенников термодинамика. Технические приложения

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140400 – «Техническая физика».

Рыбинск 2007

УКД 536.7 541.124(075)

Термодинамика. Технические приложения: Учебное пособие / Ш. А. Пиралишвили, Н. А. Мочалова, С. В. Веретенников. РГАТА. – Рыбинск, 2007. – 238 с.

Учебное пособие соответствует содержанию общих математических и естественно-научных дисциплин ЕНР.01 «Термодинамика», ЕН. Ф.04.02 «Химическая термодинамика» и специальной дисциплины СД.06 «Термодинамика технических устройств» по направлению подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 140400 «Техническая физика».

Учебное пособие представляет собой краткое изложение теоретических основ технических приложений и элементов химической термодинамики, необходимых для осмысленного выполнения индивидуальных заданий на самостоятельную подготовку по курсам «Термодинамика», «Технические приложения термодинамики», «Химическая термодинамика». Пособие содержит разобранные примеры выполнения домашних заданий, а также набор вариантов для каждого из представленных разделов курса.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 140400 «Техническая физика», 140402 «Теплофизика», 160301 «Авиационные двигатели», 140501 «Двигатели внутреннего сгорания», а также при подготовке инженеров по сменным специальностям авиационной, энергетической и теплофизической направленности при изучении курсов «Термодинамика», «Термодинамика технических устройств», «Химическая термодинамика». Может быть использовано при выполнении курсовых, дипломных и других выпускных квалификационных работ.

Таблиц 32, иллюстраций 52.

Рецензенты:

Кафедра «Теоретические основы теплотехники» ГОУ ВПО СПБГПУ, заведующий кафедрой д.техн.наук профессор С. З. Сапожников;

кафедра «Теплотехники и тепловых двигателей» Самарского государственного университета им. С. П. Королева, заведующий кафедрой д.техн.наук профессор С. В. Лукачев.

Содержание

Условные обозначения………………………………………………….5

Подстрочные индексы………………………………………………......7

Введение…………..…………………………………………………..…8

1. Газовые смеси…………………………………………………………..…10

1. Способы задания газовых смесей………………………………...10

2. Термическое уравнение состояния газовой смеси…………...….13

3. Теплоемкость смеси газов………………………………………...16

4. Энтропия газовой смеси…………………...…………………...…17

5. Задание для самостоятельного решения……………………....…19

6. Пример выполнения индивидуального задания……..………..…20

1. Процессы смешения…………………………………………………..…..28

   1. Процессы смешения в постоянном объеме…………………...….29

   2. Задание для самостоятельной проработки………………...……..31

   3. Пример выполнения расчета………………………………...……32

   4. Смешение в потоке……………………………………………...…39

   5. Индивидуальные задания по расчету смешения потоков…..…..43

   6. Пример выполнения индивидуального задания по расчету

смешивающихся потоков……………………………………….....45

7. Смешение при заполнении объема…………………………….....50

8. Индивидуальное задание на расчет смешения при заполнении

объема……………………………………………………………….53

9. Пример выполнения индивидуального задания по расчету

процесса смешения при заполнении объема……………....………54

3. Циклы поршневых двигателей (двигателей внутреннего сгорания).....61

   1. Принцип действия двигателей внутреннего сгорания………..…61

   2. Цикл со смешанным подводом тепла…………………...………..63

   3. Термодинамика цикла бензомоторного двигателя с подводом

тепла при постоянном объеме…………..……………..………….65

4. Термодинамика идеального цикла Дизеля………………...…….67

5. Индивидуальное задание по термодинамическому расчету необратимых циклов поршневых двигателей внутреннего

сгорания…….………………………………………………………69

6. Указания к выполнению задания…………………………………70

7. Описание программы «Термодинамический» расчет

циклов ДВС»…………………………………………………….…72

1. Пример выполнения задания……………………………………...74

1. Газотурбинные установки (ГТУ)…………………………………...…..97

   1. ГТУ со сгоранием при постоянном давлении ……………...…...97

   2. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при

и изотермическом сжатии…..…………………………101

3. Цикл газотурбинной установки со сгоранием

при постоянном объеме…………………………………..………106

4. Газотурбинная установка со сгоранием при

и регенерацией тепла…………………………………………….110

5. Индивидуальное задание по термодинамическому

расчету необратимых циклов газотурбинных двигателей ……115

6. Указания к выполнению задания ……………………………….116

7. Описание программы «Термодинамический расчет

циклов ГТД».……………………………………………….……..118

1. Пример выполнения задания ………...………………………….120

1. Элементы химической термодинамики…………………….………......139

   1. Закон Гесса и его следствия…………………………………......139

   2. Зависимость теплового эффекта химической реакции

от температуры…………………………………………….……..142

3. Задание по расчету теплового эффекта

химической реакции…………………………………………......144

4. Пример расчета…………………………………………………...145

5. Закон действующих масс. Константы равновесия……………..147

6. Степень завершенности реакции и состав равновесной смеси..150

7. Термодинамические уравнения процесса протекания

химических реакций……………………………………..………152

8. Методы расчета констант равновесия………………..…………154

9. Индивидуальные задания по определению констант

равновесия и состава равновесных смесей …………………….156

10. Примеры выполнения заданий……………………………..……161

Литература………………………………………………………..…………169

Приложение 1. ………………………………………………...……………170

Приложение 2. ………………………………………………...……………177

Условные обозначения

–абсолютная температура, К

–температура, С

–давление, Па

–масса, кг

–массовый расход, кг/с

–объем, м³

–удельный объем, м³/кг

–мольный объем, м³/моль

–молярная масса, кг/моль

–универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК)

–индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кгК)

–массовая доля компонента в смеси

x – мольная доля

–объемная доля

–число молей, моль

–плотность, кг/м³

–массовая теплоемкость, Дж/(кгК)

–объемная теплоемкость, Дж/(м³К)

–мольная теплоемкость, Дж/(мольК)

–количество теплоты, Дж

–удельная теплота, удельный тепловой поток Дж/кг

–внутренняя энергия, Дж

–удельная внутренняя энергия, Дж/кг

–энтропия, Дж/К

–удельная энтропия, Дж/(кгК)

–энтальпия, Дж

–удельная энтальпия, Дж/кг

–энергия Гельмгольца, Дж

–энергия Гиббса, Дж

–располагаемый перепад энтальпии, Дж

–располагаемый удельный перепад энтальпии, Дж/кг

–энергия, эксергия, Дж

–удельная энергия, удельная эксергия, Дж/кг

–поток энергии, Вт

–потери эксергии, Дж

–потери удельной эксергии, Дж/кг

–поток потерь эксергии, Вт

–анергия, Дж

–удельная анергия, Дж/кг

–коэффициент полезного действия

–скорость течения, м/с

i_c – число степеней свободы

–степень сжатия

–степень повышения давления

–степень предварительного расширения

–показатель адиабаты

–удельная работа, Дж/кг

π_k – степень повышения давления в компрессоре

–термический КПД со сгоранием при

–термический КПД со сгоранием при

–степень регенерации

–константа химического равновесия

–парциальное давление соответственно в неравновесном и Равновесном состоянии, Па

–концентрация вещества соответственно в неравновесном и равновесном состоянии, моль/м³

–число молей вещества в исходной и равновесной смеси, моль

–скорость химической реакции, моль/м³c

–константа скорости реакции

–фугитивность, Па

–активность, моль/м³

–мера реакции

–степень превращения

–степень диссоциации

–стехиометрические коэффициенты (;)

a, в, e, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции

A, B, C, D – химические символы, представляющие реагирующие вещества

Подстрочные индексы

–эксергия, эксергетический

о.с. – окружающая среда

1.2 – обозначение узловых точек процесса, цикла

–постоянный объем

–постоянное давление

c – система, степени свободы

–азот

–гелий

–отнесенное к одному молю

–отнесенное к смеси газов

обр – обратимый процесс

–сечения в пароструйном эжекторе

–коэффициент эжекции

кин – кинетическая

смеш – потери на смешении

–термический

–сжатие в компрессоре

Введение

Термодинамика, в общности научно-теоретического подхода, обширному кругу рассматриваемых прикладных проблем и решаемых задач, является теоретической основой ряда прикладных специальных дисциплин, благодаря чему она играет определяющую роль при подготовке инженеров общего профиля и, пожалуй, основополагающую роль для лиц, обучающихся по энергетическим, теплофизическим и двигателестроительным специальностям.

Особенностью современной подготовки специалистов в высшей школе страны в условиях перехода на двухуровневую систему подготовки по подавляющему перечню специальностей, является особая роль, которую приобретает самостоятельная подготовка обучающихся, связанная с выполнением индивидуальных расчетных заданий, с последующей обоснованной защитой полученных результатов и методов решений. Это требует выпуска специальной учебно-методической литературы, доступной широкому кругу читателей, назначение которой заключается в оказании действенной помощи в процессе самостоятельного выполнения индивидуальных заданий. Актуальность выпуска такого рода учебно-методических пособий подчеркивается взятым курсом на увеличение в общем процессе подготовки специалистов доли обучения, приходящейся на дистанционное образование, когда возможность получения консультации у преподавателя часто становится недоступной.

Содержание пособия выполнено с учетом утвержденных учебных программ курсов «Термодинамика», «Техническая термодинамика» в соответствии с Государственными образовательными стандартами второго поколения для теплофизических и энергомашиностроительных специальностей. При составлении индивидуальных заданий обращалось внимание на их техническую направленность и использование современных методов анализа термодинамического совершенства процессов и составленных из них циклов.

Издание такого пособия связано еще и с необходимостью более глубокого освоения теоретического материала основных разделов с привитием конкретных навыков его практического применения для решения технических прикладных задач.

В соответствии с учебными программами в учебное пособие включены пять индивидуальных заданий по газовым процессам и газовым смесям при постоянной и переменной теплоемкости, процессам смешения газов в различных условиях, термодинамическому расчету циклов теплосиловых установок (ДВС, ГТУ) с оценкой их работоспособности на основе эксергетического анализа.

Достаточно широкое применение в различных отраслях науки и технике в настоящее время приобретают методы, основанные на положениях химической термодинамики. Часто с ним приходится сталкиваться и студентам энергетических и теплофизических специальностей. Небезынтересны эти методы и для лиц, проходящих подготовку по двигателестроительным специальностям. Однако практически вся доступная учебная литература по этому разделу термодинамики ориентирована на студентов и инженеров химического профиля.

Учитывая это и допуская, что пособие может быть использовано читателем, приступающим к самостоятельной подготовке по химической термодинамике, авторы сочли необходимым включить в него разделы, связанные с выполнением индивидуальных заданий по некоторым из основополагающих разделов этой составляющей из возможных приложений термодинамики.

Вопросы, связанные с основами технических приложений химической термодинамики, нашли отражение в последнем разделе, в котором обучающимся предоставлена возможность проверить приобретенные знания и практические навыки при выполнении двух заданий, каждое из которых состоит из ряда взаимно связанных задач. Одно из заданий посвящено законам Гесса и Кирхгофа и вытекающим из них следствиям. Второе – закону действующих масс и константам равновесия.

Тематика представленных в пособии индивидуальных заданий определенным образом связана с авиационной и космической техникой, а также рядом других смежных областей техники и производства и охватывает достаточно широкий круг актуальных задач. Характерной методической особенностью пособия является применение эксергетического метода с построением диаграмм потоков эксергии и анергии, что позволит привить обучающимся необходимую современную культуру построения методов оценки термодинамического совершенства изучаемых объектов.

Пособие подготовлено коллективом авторов, являющихся преподавателями кафедры общей и технической физики Рыбинской Государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. Задания сгруппированы по главам. Последовательность расположения глав в пособии продиктована очередностью изложения материала в теоретических курсах и рекомендованных учебниках по термодинамике и технической термодинамике.

1. газовые смеси

Практически во всех сферах деятельности мы сталкиваемся не с веществами в чистом виде, а с их химическими соединениями, либо с механически перемешенными веществами или растворами. К примеру, рабочие тела почти всех тепловых машин представляют собой некоторую газовую смесь. Не составляет исключение и воздух, которым мы дышим и используем в большинстве случаев как окислитель в камерах сгорания двигателей, топках различных топливосжигающих устройств. Как известно, воздух состоит из 78,08 % азота N₂, 20,95 % кислорода О₂, и где-то около 1 % составляют примеси других газов. С экологической точки зрения хотелось бы, чтобы процент примесей не возрастал в результате не всегда разумного вмешательства человечества в естественные массообменные процессы природы.

При термодинамических расчетах рабочих процессов тепловых машин мы сталкиваемся с необходимостью определения термодинамических параметров рабочих тел, в подавляющем большинстве случаев представляющих собой газовую смесь продуктов сгорания углеводородных топлив, что требует умения и навыков расчета газовых смесей. Следовательно, должны быть разработаны методы их расчета и способы задания газовых смесей.

С этой точки зрения предлагаемое к выполнению домашнее задание «Расчет смеси идеальных газов» имеет вполне целесообразную учебно-методическую направленность и будет полезным для студентов двигательных, энергетических и теплофизических специальностей при изучении курсов «Термодинамика», «Техническая термодинамика».