методички 2 курс ПБ / Каф. физики и теплотехники / Курсовая работа по теплотехнике

При ответе на теоретический вопрос студент обязан руководствоваться материалами методических рекомендаций.

Изложение материала должно сопровождаться соответствующими рисунками, графиками, примерами из практической деятельности, подтверждающими теоретические положения. При написании математических выражений и формул необходимо использование условных обозначений, рекомендованных методическими указаниями.

Заканчиваться ответ должен выводами, связанными с практикой пожарного дела.

Вопрос I. Ответ на данный вопрос следует начать с определения, что изучает термодинамика. Дать формулировку рабочего тела и на примере работы тепловых двигателей показать, почему в качестве рабочих тел используется вещества в газообразном состоянии, привести характерные примеры случаев, когда газы будут являться рабочими телами в других устройствах, аппаратах и т.д. Перечислить основные параметры состояния газа, записать их единицы измерения и основные соотношения с внесистемными единицами, также применяемыми в практике работы.

Вопрос 2. При ответе на данный вопрос, необходимо дать определение давления. Показать разницу между определением давления у газов и у твёрдых тел. После чего привести определение давления с точки зрения молекулярно - кинетической теории газов. Перечислить виды давления и дать определение каждому из них. Перечислить приборы для измерения каждого вида давления. Используя определение абсолютного давления, установить математические выражения для его вычисления. Показать, почему параметром состояния является только абсолютное давление. Указав основную единицу измерения давления, записать ее соотношения с применяемыми еще единицами в практике работы. На конкретных примерах показать значение использования данного параметра в практике пожарного дела.

Вопрос 3. Отвечая на данный вопрос, необходимо дать понятие температуры. Рассмотреть температуру с точки зрения молекулярно - кинетической теории газов, назвать температурные шкалы, принятые в РФ, указать единицы измерения температуры для каждой шкалы, привести соотношения для перехода от одной шкалы к другой, изложить принцип построения температурных шкал. Затем перечислить приборы для измерения температуры и кратко изложить их принцип действия и область применения. Показать значение использования данного параметра в практике пожарного дела не только для газов, но и для других веществ и материалов.

Вопрос 4. При изложении этого материала следует записать математическое выражение основного уравнения кинетической теории газов, пояснить физический смысл входящих в него величия. Выразив концентрации молекул через число молекул, содержащихся в объёме, занимаемом I кг газа, и среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул через абсолютную температуру газа, получить уравнение

21

Клапейрона для I кг газа. Вывести уравнение Клапейрона для произвольной массы газа и Клапейрона - Менделеева для одного киломоль. Указать область применения этих уравнений в практической работе на конкретных примерах.

Вопрос 5. При ответе на данный вопрос необходимо, записав основное уравнение состояния газов, вывести газовую постоянную и установить единицу её измерения путем подстановки в полученное выражение единиц измерения всех входящих величин. Подобным же образом установить единицу измерения и вычислить величину универсальной газовой постоянной, используя уравнение Клапейрона-Менделеева. Установить связь между газовой и универсальной газовой постоянной и показать на примерах, как используется эта связь практически. На основании установленных единиц измерения сформулировать физический смысл обеих постоянных и доказать,

это аналитически, используя формулу для определения работы газа в изобарном процессе нагревания. Показать методику расчёта газовой постоянной, используя универсальную газовую постоянную.

Вопрос 6. При ответе на данный вопрос необходимо дать формулировку идеального газа. Используя уравнение Клапейрона, вывести законы БойляМариотта, Гей-Люссака и Шарля и дать чёткую формулировку каждого закона. Затем показать графическое изображение закона в координатах p – v И рассмотреть его практическое применение на конкретных примерах. Дать формулировку закона Авагадро и следствия из него.

Вопрос 7. Ответ на этот вопрос следует начать с определения, что такое газовая смесь. Привести примеры газовых смесей. Затем обосновать, почему газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов, рассмотреть закон Дальтона, дать понятие парциального объема с объяснением закона Амага. Перечислить способы задания газовых смесей, показать, как определяются массовые, объемные и мольные доли компонентов смеси, рассмотреть формулы перехода от массовых долей к объёмным и наоборот. Доказать, что задание компонентов объёмными долями равнозначно их заданию мольными долями. Показать, как осуществляется переход от одних долей к другим на конкретных примерах. Показать важность знания темы на примере образования взрывоопасных концентраций смесей горючих газов с воздухом.

Вопрос 8. Раскрывая этот вопрос, следует дать определение газовой смеси и показать, что газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов, охарактеризовать свойства газовых смесей, позволяющие рассматривать их как рабочие тела. Привести примеры. Записать уравнение Клапейрона для газовой смеси, показать, как находятся все параметры, входящие в данное уравнение, дать понятие средней (кажущейся) молярной массы смеси, рассмотреть выражения для определения средней молярной массы, газовой постоянной, удельного объема и плотности. На конкретных примерах показать использование этих уравнений в практике пожарного дела.

22

Вопрос 9. Ответ на данный вопрос необходимо начать с четкого определения теплоемкости, её физической сущности. Рассмотреть виды теплоёмкости в зависимости от выбранной количественной единицы вещества, дать определение, условное обозначение и единицы измерения каждого вида, показать связь между ними. Затем рассмотреть, как определяются данные виды теплоемкости для газовых смесей. Используя формулировку первого закона термодинамики, установить, как будет отличаться величина теплоемкости газа, если, например, I кг его нагревать при постоянном давлении и постоянном объеме. Количественное же отличие теплоемкости в зависимости от характера процесса подвода теплоты показать на выводе уравнения Майера, связав данный материал с подтверждением ранее установленного физического смысла газовой постоянной. На конкретных примерах показать, как используется теплоёмкость газов для определения количества тепла, полученного ими при нагревании в условиях пожара.

Вопрос 10. Отвечая на данный вопрос, необходимо дать формулировку средней и истинной теплоемкости, объяснить, когда и какой из них пользуется; установить, на какие виды подразделяют теплоёмкость, показать зависимость теплоемкости от температуры, привести формулы для определения истинной и средней теплоемкости в зависимости от температуры; используя соответствующие приложения. На примере показать, как вычисляются средние теплоемкости какого-либо газа при различных зависимостях от температуры. Рассмотреть формулы и на конкретных примерах показать, как определяется количество тепла при нагревании газов в интервале температур от T1 до Т2. Связать изложенный материал с практикой пожарного дела на конкретном примере.

Вопрос 11. В данном вопросе, прежде всего необходимо записать формулировку закона сохранения энергии, показать его значение в науке и технике. Рассмотреть 2 вида передачи энергии в форме теплоты и в форме работы, обратив особое внимание на принцип эквивалентности этих видов передачи энергии. Подчеркнуть, что хотя теплота и работа имеют размерность энергии, но сами энергией не являются. На примерах показать пожарную опасность превращения одного вида энергии в другой. Дать понятие внутренней энергии термодинамической системы, показать, что характеризует её в процессе изменения и как определяется изменение внутренней энергии системы. Дать формулировку первого закона термодинамики, привести его математическое выражение, альтернативные формулировки первого закона термодинамики и раскрыть их суть. Указать на значение использования этого закона в практике пожарного дела.

Вопрос 12. При ответе на данный вопрос необходимо дать определение термодинамического процесса и рассмотреть условия его осуществления. Затем дать понятие обратимого (равновесного) и необратимого (неравновесного) процессов. Пояснить, почему термодинамика в основном изучает только обратимые термодинамические процессы.

23

Назвать основные термодинамические процессы, дать их характеристику, изложить общий метод исследования термодинамических процессов. На конкретных примерах показать с какими термодинамическими процессами приходится сталкиваться в практике пожарного дела.

Вопросы 13, 14, 15, 16,. 17. Ответы на данные вопросы должны выполняться в соответствии с общим методом исследования термодинамических процессов. Необходимо дать формулировку процесса, записать его уравнение. На основании уравнения состояния установить зависимость между начальными и конечными параметрами системы, вычертить график процесса в координатах р-v и Т-s; анализируя первый закон термодинамики, установить закон распределения энергии для данного процесса, показать, как определяется количество тепла, изменение внутренней энергии и работа в процессе. Определить, какая часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии, а какая на совершение работы. На конкретных примерах показать, где в практике пожарного дела приходится сталкиваться с описываемым процессом.

Вопрос 18. Отвечая на данный вопрос, необходимо объяснить, почему для превращения тепловой энергии в механическую нельзя обойтись только одним термодинамическим процессом. Затем дать формулировку термодинамического цикла. Используя диаграммы р- v для произвольного цикла, пояснить сущность прямого и обратного циклов, указать, в основу работ каких машин положен тот и другой циклы. Дать понятие термического КПД, цикла и показать, как получается его выражение для прямого цикла. Главное внимание следует обратить на практическое значение термического КПД для оценки экономичности и степени пожарной опасности двигателей. На примере тепловой машины сформулировать второй закон термодинамики. Привести и дать объяснение другим формулировкам второго закона термодинамики.

Вопрос 19. При ответе на данный вопрос необходимо вычертить диаграмму прямого цикла Карно, пояснить, из каких процессов состоит цикл, и почему именно эти процессы выбраны для данного цикла, рассмотреть условия протекания цикла Карно. Затем вывести формулу для определения термического КПД цикла Карно и пояснить, почему его величина не может быть равна единице, почему любой другой цикл будет иметь КПД меньше, чем цикл Карно. Показать значение цикла Карно для построения реальных циклов тепловых двигателей. Рассмотреть обратный цикл Карно и рассмотреть КПД обратного цикла Карно как эталона цикла холодильных машин.

Вопрос 20. При ответе на данный вопрос необходимо кратко описать сущность работы тепловых двигателей и его рабочие процессы. Затем, перейти к рассмотрению их термодинамических циклов, перечислить

24

условные допущения, при которых изучают тот или иной цикл. Определить термодинамические процессы, составляющие циклы и их последовательность. Изобразить в координатах р-v и Т-s циклы, дать понятие величинам, характеризующим каждый цикл. Показать, как определяется количество подведенного и отведённого в циклах тепла. Без вывода рассмотреть и проанализировать выражение термического КПД циклов. В заключение рассмотреть особенности пожарной опасности двигателей внутреннего сгорания, работающих по данным циклам, типы задач пожарной безопасности и методику их решения.

Вопрос 21. При ответе необходимо кратко описать сущность работы компрессорных установок и их рабочие процессы. Объяснить, почему в ряде случаев используются многоступенчатые компрессоры. Изобразить циклы компрессорных установок в координатах р-v, и T-s. Показать, какие процессы присутствуют в работе той или иной установки и определить их последовательность. В заключение рассмотреть область применения компрессоров в практике пожарного дела.

Вопрос 22. Ответ на данный вопрос следует начать с области применения паросиловых установок. Описать принципиальную схему и принцип действия паровой установки. Более подробно описать теоретический цикл паросиловой установки (цикл Ренкина). Привести основные процессы, входящие в описываемый цикл и их последовательность. Привести основные характеристики данного цикла.

Вопрос 23. Данный ответ следует начать с основного преимущества газотурбинных установок перед двигателями внутреннего сгорания. Рассмотреть общий принцип действия ГТУ. Рассмотреть ГТУ с изохорным и изобарным подводом тепла. Дать характеристику каждой из газотурбинных установок: привести принцип действия, циклы ГТУ в координатах р-v и T-s. Объяснить, для чего применяется регенерация в ГТУ.

Вопрос 24. Ответ должен начинаться с определения, что такое истечение газов. Показать, на основе, каких уравнений строится теория истечения. Дать определение основных характеристик течения. Привести уравнения первого закона термодинамики для единицы массы движущегося газа и уравнение неразрывности. Следует подробно остановиться на массовом расходе и скорости истечения. Привести графики зависимости массового расхода и скорости истечения от отношения давлений. Объяснить, почему при некотором значении отношения давлений скорость становится критической, а массовый расход максимальным.

Вопрос 25. В ответе должно содержаться определение каналов, по которым течёт газ. Объяснить основное отличие сопла от диффузора. Дать понятие числа Маха и на основе его математическое и графическое объяснение разного поведения сужающихся и расширяющихся каналов. Дать определение

25

ипоказать, как выглядит сопло Лаваля. Объяснить и графически обосновать такую форму сопла. Показать применение сопел и диффузоров в производстве

ипрактике пожарного дела.

Вопрос 26. Ответ на данный вопрос следует начать с определения процесса дросселирования. Показать механизм дросселирования. Описать эффект Джоуля-Томсона (дифференциальный дроссельный эффект). Показать область применения дросселей в практике пожарного дела, быту и производстве.

Методические указания по решению задач

В соответствии с заданиями каждый вариант содержит 5 задач по каждому из разделов:

Законы идеальных газов их смесей; Теплоёмкость. 1-й закон термодинамики. Термодинамические процессы; Термодинамические циклы; Истечение газов и паров.

Общая методика решения задач

1.Внимательно изучить условие задачи и переписать эти условия в тетрадь.

2.Привести чертежи и схемы, необходимые для более полного понимания задачи.

3.Записать данные в столбик, под которым, предварительно подчеркнув его, записать, что требуется определить.

4.Все представленные величины перевести в систему СИ и записать их справа от данных, отчеркнув последние вертикальной чертой.

5.Приступить к решению задачи. При решении необходимо показать весь ход решения и математические преобразования. Промежуточные и конечные величины, полученные при решении, должны сопровождаться размерностями.

6.Каждая задача должна сопровождаться развёрнутым ответом и соответствующими выводами.

При решении первой задачи необходимо повторить основные газовые законы. Не следует упускать из виду, что все газовые законы применимы только к абсолютному давлению и абсолютной температуре.

Абсолютным давление называется давление, отсчитанное от нуля. Если по условию задачи приведено барометрическое (атмосферное) давление и избыточное или вакууметрическое, следует перейти к абсолютному давлению по одному из приведённых выражений:

Рабс. = Ратм. + Ризб. или Рабс. = Ратм. – Рвак.

В системе СИ давление измеряется в Паскалях.

Абсолютной температурой является давление, выраженное по термодинамической шкале Кельвина. Если по условию задачи приведена

26

температура по шкале Цельсия, то её необходимо перевести в шкалу Кельвина, осуществив перевод следующим образом:

Т = t + 273.15

При нахождении массы газа целесообразно использовать уравнение Клапейрона:

PV = mRT

где Р- абсолютное давление, Па; Т – абсолютная температура, К

R – газовая постоянная, кДж/(кг×К); V – объём газа, м3;

m – масса газа, кг.

При решении задач обратить внимание на отличие газовой постоянной от универсальной газовой постоянной.

В задачах, где процесс протекает при постоянном параметре, желательно использовать газовые законы (Бойля-Мориотта, Гей-Люссака, Шарля).

При решении задач на газовые смеси не забывать, что газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов. Перед решением таких задач повторить способы задания газовой смеси, законы Дальтона и Амага, а также как находится газовая постоянная смеси и молярная масса смеси.

n	n
Rсм = ∑ g i Ri	µсм = ∑µi ri
i =1	i=1
Пример 1.

Массовый состав смеси следующий: двуокиси углерода - 18%, кислорода – 12%, азота – 70%. Определить, до какого давления нужно сжать эту смесь, чтобы при температуре 80° С 8 кг её занимали объем равный 0.6 м3.

Дано:				СИ
СО2 =18%				gCO2=0.18
О2	= 12%			gO2	= 0.12
N2	= 70%			gN2	= 0.70
t = 80° С				Т = 353 К
m =8 кг
V = 0.6м3
Р=?

Решение

а) анализ данных и формул;

Задача на определение параметров состояния газовой смеси следовательно:

n

РсмVсм = mсмRсмT Rсм = ∑ Ri g i i =1

Ri = Ry

µi

Pсм = mсмRсмT

Vсм

б) вычисления;

Определяем газовую постоянную смеси газов

27

μ(СО2)= 44кг/кмоль; μ(О2)= 32кг/кмоль; μ(N2)= 28кг/кмоль

Rcv	=	8314	× 0.18 +	8314	× 0.12 +	8314	× 0.7 = 273 Дж/(кг × К)
	44		32		28

Определим давление смеси газов.

Рсм = 8 × 273 × 353 = 1284920Па 0.6

Ответ: газовую смесь необходимо сжать до 1284920Па.

При рассмотрении второй задачи необходимо повторить тему теплоёмкость, Первый закон термодинамики, основные термодинамические процессы.

При решении задач на теплоёмкость обучающиеся должны разобраться с физической сущностью теплоёмкости, видами, единицами измерения теплоёмкости, а также зависимостью теплоёмкости от температуры. При этом они должны уметь пользоваться соответствующими таблицами для определения теплоёмкости. При этом следует чётко отличать теплоёмкость в процессе при постоянном объёме СV и теплоёмкость в процессе при постоянном давлении СР. Немаловажным является умение студента находить теплоёмкость газовой смеси.

Внекоторых случаях, когда используется разница температур (например, при определении количества теплоты, определение теплоёмкости по таблицам), допускается применение температуры по шкале Цельсия.

Задача заканчивается построением графика процесса. При построении графика на исследование изотермического, адиабатного и политропного процессов необходимо провести вычисления параметров в какой-либо промежуточной точке, т.к. графики подобного рода строятся минимум по трём точкам.

Пример 2.

Взакрытом сосуде объемом 200 л находится азот при давлении 490 кПа и температуре 17°С. Какое количество тепла необходимо подвести, для того чтобы температура азота поднялась до 200°С. Зависимость теплоемкости от температуры считать постоянной, линейной и нелинейной.

Дано:

V = 200 л

Р=490 кПа

T1 =(273+17)=290К Т2 =(273+200)=473К

Q =?

Решение.

а) анализ данных и формул

28

расчет массы газа по уравнению Менделеева-Клапейрона:

		m =	PV
	PV = mRT		1 1
			RT

расчет линейной зависимости теплоемкости от температуры:

Cv = a + b ×tср

расчет нелинейной зависимости теплоемкости от температуры:

t		=	C t2	× t	2	- C t1	× t
Ct	2		0			0	1
				t2		- t1
1

расчет теплоемкости, не зависящей от температуры:

С= Cμc

vMn

Определение подведенного к газу тепла: Q = m CV (T2 – T 1)

	б) вычисления:
	R =	R у	=	8314	= 297	Дж
		M		28		кг × К

m =			490 ×103 ×0.2				=1.14êã
		297 × 290
1.	линейная зависимость теплоемкости от температуры:
Cv		= 0.7289 + 0.0001676 × (						17 + 200		) = 0.7472кДж /(кг × К)
		2
2.	нелинейная зависимость теплоемкости от температуры:
Ct2		=			0.7465× 200 - 0.7424 ×17				= 0.7470кДж /(кг× К)
	t	200 -17
	1
3.	С=const:
Сv		=		20.93		= 0.7475кДж/(кг× К)
		28
4.	расчет количества теплоты при постоянстве теплоемкости:

Q1 = 1.14·0.7475(200-17) =155.9 кДж

5. расчет количества теплоты при линейной зависимости теплоемкости от температуры:

Q2 = 1.14·0.7472(200-17) =155.9 кДж

8. расчет количества теплоты при нелинейной зависимости от температуры: Q3 = 1.14·0.7470(200-17) = 155.8 кДж

Ответ: 155.9 кДж, 155.9 кДж, 155.8 кДж

При решении третьей задачи, обучающиеся должны иметь следующие умения и навыки: иметь понятия о термодинамических циклах, цикле Карно, 2-

29

ом законе термодинамики, энтропии, устройстве и принципе действия тепловых машин, паросиловых установок, газотурбинных установок, компрессоров, холодильных машин. Особое внимание следует уделить рабочим циклам перечисленных машин, а также основным параметрам этих циклов, включая определение термического КПД циклов машин. Задача заканчивается графиком цикла.

Пример 3 1кг воздуха совершает прямой цикл Карно в пределах температур 627 ° С

и 27 ° С, При этом наибольшее давление равно 5 МПа, а наименьшее 0,1 МПа. Определить параметры состояния воздуха в характерных точках цикла и количество отведенной теплоты, принимая показатель адиабаты 1.4. Построить данный цикл графически.

Дано:			СИ
воздух
m = 1кг
t1	= 627°C		Т1	= 900К
t2	= 27°C		Т2	= 300К
Р1		= 5 МПа
Р3		= 0.1 МПа
k = 1.4

Р2 = ? Р4 = ?			Решение.
v1	= ? v2	= ?	а) анализ данных и формул
v3	= ? v4	= ?	Цикл Карно состоит из 2-х изотерм и 2-х адиабат
			v1 и v3 находим, используя уравнение Клапейрона для 1
	кг газа		P1v1 = RT1 и P3v3 = RT2

значения v2 и v4 находим, рассмотрев адиабатные процессы v2 – v 3 и v4 – v 1

T	v		2	k −1	v		= v		T
2	=									2
						2		3
T1										T1
	v		3

1 k −1

k −1

1

T

v

T

4

v

= v

k −1

1

=

1

4

T2

1

v1

T2

величины давлений Р2 и Р4 определяем из закона Бойля-Мариотта

P v = P v			2		Р		=	P1 v1
						2
1	1	2							v2
P3v3 = P4v4					P4		=		P3 v	3
									v 4

теплота в цикле Карно отводится в изотермическом процессе. В изотермическом процессе теплота равна совершаемой работе

Q2 = RT2 ln v4 v3

б) вычисления

30