Вопросы к экзамену по курсу Термодинамика. Преподаватель С

ВОПРОСЫ
к экзамену по курсу «Термодинамика»
для студентов групп 23221/1, 2, 4
в 2015/16 уч. г.
1. Основные понятия и предмет термодинамики, Термодинамическая система, окружающая среда, контрольная поверхность. Рабочее тело, хладагент. Виды термодинамических систем. Термодинамический процесс. Начала термодинамики.
2. Параметры состояния. Термические параметры состояния. Уравнение и поверхность состояния. Диаграммы состояний. Рабочая диаграмма состояний.
3. Модель идеального газа. Уравнение Клапейрона – Менделеева. Универсальная газовая постоянная и газовая постоянная вещества. Смеси идеальных газов. Парциальные давления и массовые доли компонентов. Кажущаяся молярная масса и газовая постоянная смеси.
4. Энергия, её формы. Внутренняя энергия термодинамической системы. Физическая
работа и теплота – функции процесса. Теплоёмкость, её виды. Расчёт средней теплоёмкости по таблицам.
5. Первое начало термодинамики. Работа проталкивания, техническая работа и энтальпия. Внутренняя энергия и энтальпия как функции состояния, их свойства.
Опыт Гей-Люссака – Джоуля. Формула Майера. Первое начало для идеального газа.
6. Процессы с идеальным газом: изохорный, изобарный, изотермический. Законы
Шарля, Гей-Люссака, Бойля – Мариотта. Адиабатный процесс. Коэффициент Пуассона (показатель адиабаты).
7. Политропные процессы. Показатель политропы, политропная теплоёмкость. Баланс
работы, теплоты и изменения внутренней энергии. Три группы политропных процессов. Определение показателя политропы по данным эксперимента.
8. Газовые компрессоры, их назначение и конструкции. Процессы в поршневом компрессоре, Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное
сжатие. Работа сжатия. Многоступенчатое сжатие газа с промежуточным охлаждением.
9. Второе начало термодинамики, его смысл и формулировки. Вечный двигатель первого и второго рода. Равновесные состояния и процессы. Обратимые и необратимые процессы (с примерами).
10. Способы получения работы и холода. Прямые и обратные циклы. Термический
КПД цикла. Холодильный коэффициент. Цикл и теорема Карно.
11. Приведённая теплота и энтропия. Интегралы Клаузиуса. Физический смысл энтропии. Энтропия как функция состояния. Объединённое уравнение первого и второго
начал (уравнение Гиббса). Изменение энтропии в процессах с идеальным газом.
Рост энтропии и потеря работы. Уравнение Гюи – Стодолы. Энтропия системы в
равновесном состоянии.
12. Тепловая диаграмма состояний. Процессы с идеальным газом в тепловой диаграмме состояний. Среднеинтегральная температура нагрева и охлаждения рабочего тела. Карнотизация циклов. Обобщённый цикл Карно.
13. Термодинамическая шкала температур. Отрицательные абсолютные температуры.
Газовая температура. Дифференциальное уравнение состояния реального газа.
Свойства термодинамической шкалы температур.
14. Термодинамическая вероятность. Энтропия и второе начало по Больцману. Теория
«тепловой смерти» Вселенной.
1
15. Циклы ДВС и ГТУ. Основные допущения. Процессы и индикаторная диаграмма
поршневого ДВС. Циклы Отто, Дизеля, Тринклера, их расчёт и сопоставление.
Цикл ГТУ (цикл Брайтона), его расчёт. Регенеративный цикл ГТУ. Эффективность
реальных циклов ДВС и ГТУ.
16. Термодинамика реальных рабочих тел. Изотермы, точка Бойля. Уравнение Вандер-Ваальса, его анализ Изотермы Ван-дер-Ваальса. Спинодали (пограничные кривые) и бинодали. Критическая точка. Закон соответственных состояний. Термодинамическое подобие. Опыты Эндрюса, Формы уравнения состояния для реальных
рабочих тел. Кластеры. Уравнения состояния для воды и водяного пара.
17. Свойства воды и водяного пара. Рабочая и тепловая диаграммы состояний. Диаграмма Молье. Степень сухости пара. Теплота парообразования. Расчёт параметров
по таблицам и диаграммам состояний.
18. Процессы в водяном паре: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный.
Их изображение на диаграммах состояний. Расчёт процессов по таблицам и диаграммам состояний.
19. Влажный воздух. Абсолютная и отностиельная влажность. Влагосодержание. Температуры сухого и мокрого термометра. Точка росы. Насыщенный воздух. Диаграмма Рамзина. Процессы в диаграмме Рамзина. Смешение потоков влажного
воздуха.
20. Дросселирование. Дифференциальный и интегральный дроссель-эффект. Кривая
инверсии. Сравнение дросселирования с обратимым адиабатным расширением.
21. Теплосиловые циклы на воде и водяном паре. Паровой цикл Карно. Цикл Ренкина с
насыщенным и перегретым паром. Влияние параметров цикла Ренкина на его термический КПД.
22. Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. Регенеративный цикл ПСУ. Бинарные циклы. Парогазовые циклы ПСУ. Теплофикационные циклы. Коэффициент
использования теплоты. Циклы АЭУ – одноконтурные и много контурные.
23. Способы получения холода. Холодильный коэффициент. Парокомпрессионные
ХМ. Обратный цикл Карно. Цикл парокомпрессионной ХМ с дросселированием.
Требования к хладагентам. Диаграмма состояний «давление – энтальпия». Циклы
газовых ХМ. Адсорбционно-диффузионные ХМ. Коэффициент использования теплоты. Тепловые насосы. Отопительный коэффициент. Круглогодичное использование теплового насоса.
24. Дифференциальные уравнения термодинамики. Задачи их использования. Общие
свойства функций состояния. Система уравнений Максвелла. Дифференциальная
форма первого начала. Объединённое уравнение первого и второго начал. Частные
производные внутренней энергии и энтальпии. Дифференциальные соотношения
для энтропии и теплоёмкости. Дифференциальная форма для коэффициента Пувсона.
25. Характеристические функции: внутренняя энергия, энтальпия, энергия Гельмгольца и энергия Гиббса. Естественные переменные. Свойства характеристических
функций. Частные производные характеристических функций. Уравнение Гиббса –
Гельмгольца, Изменение характеристических функций в системах с переменной
массой. Химический потенциал.
26. Общие условия термодинамического равновесия. Стабильные, нестабильные и метастабильные состояния. Условия равновесия в гомогенных системах. Термическая
и механическая устойчивость. Принцип Ле Шателье – Брауна. Равновесие в изолированной системе.
27. Фазовое равновесие и фазовые переходы. Условия равновесия в гетерогенных системах. Правило Гиббса. Фазовый переход. Тройная точка. Диаграмма «лавление –
температура», нормальные и аномальные жидкости. Фазовые диаграммы – рабочая
и тепловая. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса, его частные случаи.
2
28. Фазовые превращения при кипении и конденсации. Устойчивость фаз и их химические потенциалы. Уравнение Пойнтинга. Влияние сил поверхностного натяжения.
Формула Лапласа. Учёт поверхностного натяжения в уравнении Клапейрона –
Клаузиуса. Объёмное вскипание. Критический диаметр пузырька.
29. Основы химической термодинамики. Работа и теплота реакции. Первое начало для
реагирующих систем. Закон Гесса, следствия из него. Закон Кирхгофа. Скорость
реакции и закон действующих масс. Химическое равновесие и принцип Ле Шателье – Брауна. Условия равновесия в химических реакциях. Закон Гиббса – Гельмгольца для обратимых химических реакций. Изменение энергии Гиббса в химических реакциях.
30. Условия химического равновесия. Химическое сродство. Уравнение изотермы химической реакции. «Ящик» Вант-Гоффа. Закон Вант-Гоффа. Зависимость скорости
реакции от температуры. Закон Аррениуса. Тепловой эффект реакции.
31. Диссоциация газов и паров. Связь констант равновесия со степенью диссоциации.
Горение. Химический и механический недожог. Теоретическая температура горения. Изменение температуры горения во времени, вклад диссоциации.
32. Эффективность термодинамических процессов. Энтропийный и эксергетический
подход. Внешняя и внутренняя необратимость процесса. Коэффициент потери работоспособности и относительный коэффициент работоспособности. Физический
смысл эксергии. Эксергия в диаграмме Молье; прямая среды. Диаграмма «эксергия
– энтропия». Эксергия потока теплоты. Эксергетический КПД, Применение эксергетического подхода к анализу цикла Ренкина. Графики изменения эксергии.
33. Элементы неравновесной термодинамики. Локальное термодинамическое равновесие. Теорема Пригожина. Термодинамические потоки и термодинамические силы.
Билинейные уравнения. Коэффициенты Онзагера. Принцип минимума производства энтропии. Принцип Ле Шателье – Брауна для стационарных неравновесных
систем. Негэнтропия. Нелинейная неравновесная термодинамика. Самоорганизация.
Вопроы составил
С.З. Сапожников
3