Э10 - 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
«_____» __________ г.
Дисциплина
Термодинамика
(учебная программа)
Для студентов факультета "Э"
специальности – 121100 Гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика
Выделено на дисциплину
ВСЕГО (час.)
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Домашние задания
ДЗ № 1
ДЗ № 2
ДЗ № 3
ДЗ № 4
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Экзамены
102
68
34
17
17
34
26
7
7
6
6
8
V семестр (час.)
17 недель
102
68
34
17
17
34
26
7 ч., 7 нед.
7 ч., 9 нед.
6 ч., 12 нед.
6 ч., 16 нед.
8
экз.
экз.
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра
Теплофизика
Раздел I
Цели и задачи дисциплины.
Предметом дисциплины "Термодинамика" является изучение наиболее общих
макроскопических свойств материи, проявляющихся при передаче различных форм
движения (при обмене энергии) между телами; разработка математического
аппарата и методов использования фундаментальных законов природы для расчета
свойств рабочих тел и эффективности действия теплоэнергетических машин.
Основные цели дисциплины – создание основы для изучения студентами
профилирующих дисциплин, излагающих методы расчета энергетических машин;
вооружение будущих инженеров математическим аппаратом термодинамики и
методики его применения для расчета термодинамических свойств рабочих тел и
термодинамических процессов; подготовка к расчетным и экспериментальным
исследованиям.
Изучение универсальных закономерностей, описывающих свойства материи в
процессах превращения энергии, применение строгого математического аппарата к
полным и стройным соотношениям термодинамики способствует формированию у
студентов логического мышления, способности к анализу и обобщению научных
фактов.
В результате изучения курса "Термодинамика" студенты должны знать:
- формулировки основных термодинамических положений, включая начала
(законы) термодинамики в их феноменологическом изложении;
- математические соотношения, необходимые для расчета термодинамических
свойств рабочих тел и термодинамических процессов;
- методику применения в расчетной практике термодинамических уравнений,
таблиц термодинамических свойств веществ, термодинамических диаграмм, а
также иметь представление о применении современных вычислительных средств
в термодинамических расчетах.
Студенты должны уметь:
- обоснованно выбирать математическую модель для описания, изучаемого или
рассчитываемого термодинамического процесса;
- правильно использовать теоретические и эмпирические соотношения для расчета
термодинамических процессов;
- выполнять
расчеты
термодинамических
свойств
рабочих
тел
и
термодинамических процессов, анализировать и обобщать результаты расчетов:
- пользоваться справочными материалами в виде рекомендуемых формул, таблиц и
диаграмм.
Для изучения дисциплины "Техническая термодинамика" студенты должны
владеть и навыками в объеме учебного плана МГТУ по математике, физике, химии,
вычислительной технике.
Раздел II
Содержание дисциплины
1. Введение – I час.
Определение термодинамики как научной дисциплины. Термодинамика как
теоретическая основа теплоэнергетики в развитии производственных сил.
Перспективы и задачи развития теплоэнергетики.
Характеристика особенностей термодинамического метода: использование
фундаментальных законов природы, макроскопическое описание явлений, пределы
применимости метода.
Краткие исторические сведения о развитии термодинамики.
2. Основные понятия и первое начало термодинамики. (8 час.)
Термодинамическая система и окружающая среда. Термодинамические
системы: закрытая, открытая (проточная), изолированная. Рабочее тело как частный
случай термодинамической системы.
Внутренняя энергия термодинамической системы. Взаимодействие – обмен
энергией между системой и окружающей средой. Понятие о термодинамических
степенях свободы – родах взаимодействия. Простая термодеформационная система.
Основы 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 хаотически, ненаправленным движением микрочастиц.
Состояние термодинамической системы: неравновесное, равновесное. Функция
состояния.
Первый закон термодинамики – форма закона сохранения превращения
энергии в применении к термодинамической системе. Выражение изменения
внутренней энергии замкнутой системы через количества теплоты и работы. Правило
знаков. Уравнения I-го закона термодинамик для конечных и бесконечно малых
процессов для полных и удельных количеств рабочего тела. Формулировки первого
закона термодинамики.
Параметры состояния системы. Функции состояния, независимые переменные.
Потенциал (обобщенные силы) термодинамических взаимодействий, их роль
при передаче энергии между системой и окружающей средой. Абсолютное 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. Термодинамические поверхности состояния.
Уравнения Клайперона – Менделеева и Ван дер Ваальса – примеры уравнений
состояния.
Термодинамический процесс – изменение состояния системы в результате ее
взаимодействия с окружающей средой. Понятие в равновесных и неравновесных
процессах. Роль и значение в термодинамике представлений о равновесных
состояниях и процессах. Графическое изображение равновесных состояний и
процессах. Графическое изображение равновесных состояний и процессов на
поверхности состояний и в проекциях на координатные плоскости.
Выражение работы объемной деформации термодинамической системы через
давление
и
изменение
объема,
зависимость
работы
от
характера
термодинамического процесса. Уравнение процессов в переменных объем-давление.
Графическое представление работы как площади в рабочей диаграмме. Работа
замкнутого процесса.
Выражение количества теплоты через изменение энтропии. 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 полного дифференциала.
Теплоемкость. Истинная и средняя, удельная, массовая, мольная и объемная
теплоемкости, зависимость теплоемкости от характера термодинамического
процесса. Вычисление количества теплоты через теплоемкость и изменение
температуры. Теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме,
формула Майера.
Уравнения и формулировки первого начала термодинамики для открытой
системы. Работа ввода – вывода рабочего тела. Энтальпия, располагаемая работ.
Аналитическое выражение и графическое представление располагаемой работы.
Термодинамические циклы – основа действия тепловых машин. Условия,
необходимые для осуществления прямого термодинамического цикла (цикла
теплового двигателя): наличие источника теплоты с повышенной температурой
("горячего источника"), необходимость отвода теплоты с пониженной температурой
("холодного источника").
Термический коэффициент полезного действия прямого цикла. Цикл Карно и
теорема Карно. Пути повышения термического к.п.д. циклов. Обратные
термодинамические циклы. Использование обратных циклов в холодильных
машинах, тепловых насосах и термотратсформаторах. Холодильный коэффициент,
отопительный коэффициент, коэффициент трансформации теплоты. Обратные
циклы Карно.
Второе начало термодинамики и
термодинамика необратимых процессов - (2 часа)
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 ее энергии. Формулировки второго начала
термодинамики и их отношения к принципам существования и возрастания энтропии.
Понятие
о
функциях
работоспособности
закрытой
и
проточной
термодинамических систем. Влияние необратимости на работоспособность. Эксергия.
Понятие об энтропийном и эксергетическом методах оценки эффективности работы
тепловых машин, с учетом необратимости процессов.
Характеристические функции и дифференциальные уравнения
термодинамики – (4 часа)
Значение характеристических термодинамических функций в построении
аналитического аппарата термодинамики.
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.
Дифференциальные соотношения Масвелла, их применение для выражения
одних параметров через другие. Уравнения Гиббса – Гельмгольца.
Значение дифференциальных уравнений термодинамики. Дифференциальные
уравнения для внутренней энергии; энтпальпии, энтропипи и эксергии в
независимых переменных температура – объем, температура-давление, объемдавление. Теплоемкость реальных тел в произвольном термодинамическом процессе.
Соотношение 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.
Термодинамическое равновесие неоднородных систем и фазовые
превращения чистых веществ – 3 часа.
Основные понятия и определения: неоднородные системы переменного
состава, фазовая и химическая неоднородность, генерогенные и гомогенные
системы, компоненты, фазы.
Фазовое равновесие. Системы определяющих
уравнений и применение
метода множителей Лагранжа. Условие фазового равновесия – равенства значений
химического потенциала компонента во всех фазах. Правило фаз Гиббса.
Фазовые превращения чистого вещества. Фазовая диаграмма температура –
давление для однокомпонентной системы.
Уравнение Клайперона – Клаузиуса, зависимость температуры кипения от
давления. Тройные точки. Понятие о фазовых переходах первого и второго рода.
Рабочие тела энергетических машин и термодинамические
процессы – 6 часов
Идеальный газ. Роль и значение понятия идеального газа технической
термодинамики.
Термодинамические функции 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, изоэнтропического и политропного процесса. Диаграмма
энтропия – температура идеального газа. Графический расчет процессов с
применением диаграмм - давление, логарифм объема – логарифм давления,
энтропия – температура.
Пары чистых веществ. Изобарный процесс получения перегретого пара из
жидкости. Термодинамические параметры жидкости, насыщенного, влажного,
перегретого пара. Диаграммы объем – давление, энтропия-температура. Энтропияэнтальпия. Таблица термодинамических свойств жидкости и пара.
Расчет термодинамических процессов в парах с применением таблиц и
диаграмм.
Основные характеристики влажного воздуха: влагосодержание, абсолютная и
относительная влажность, температура точки росы. Диаграмма влагосодержанияэнтальпия. Процессы во влажном воздухе. Влажность воздуха как показатель
комфортности среды обитания.
Термодинамика поточных процессов (4 часа)
Уравнение первого закона термодинамики для потока вещества.
Течение по каналам переменного сечения. Критическое условие течения,
особенности течения в дозвуковой и сверхзвуковой областях. Сопло Лавля. Скорость
и расход газа при адиабатном изоэнтропическом течении. Основные уравнения
истечения из сосуда ограниченной вместимости. Истечение газа из сосуда
ограниченной постоянной вместимости через отверстие постоянного и переменного
сечения.
Адиабатное дросселирование. Применение процесса дросселирования для
регулирования проточных машин. Дифференциальный и интегральный дроссельэффект. Температура интенсивности и кривая инверсии дроссель-эффекта.
Циклы тепловых машин (6 часов)
Принцип работы и индикаторная диаграмма одноступенчатого идеального
компрессора. Работа привода компрессора. Представление о реальном компрессоре.
Влияние мертвого объема. Причины применения многоступенчатого сжатия. Понятие
о работе центробежных компрессоров.
Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении.
Термический к.п.д. цикла, пути его повышения.
Разновидности циклов поршневых двигателей.
Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом
теплоты, подводом теплоты по изохоре и по изобаре.
Паровой цикл Ренкина. Термический к.п.д. цикла, пути его повышения.
Влияние повышения давления, температуры перегрева пара, регенерации.
Практические занятия 17 часов
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тема
Параметры состояния. Расчет параметров состояния с использованием
уравнения состояния идеального газа
Характеристики газовых смесей. Расчет характеристик газовой смеси по
заданным массовым или объемны долям.
Теплоемкости. Определение теплоемкостей Ср и Сv для индивидуальных
газов и газовых смесей, связь между ними. Средние теплоемкости.
Аналитический расчет газовых процессов: изохорного, изобарного,
изотермного, адиабатного и политропного.
Графический расчет газовых процессов с использованием T-S диаграммы.
Расчет термодинамических процессов в парах с применением таблиц и
диаграмм.
Расчет процессов истечения и дросселирования.
Аналитический расчет газовых циклов.
Графический расчет газовых циклов.
Лабораторные работы – 17 часов
№
1
2
3
4
Наименование
Кол-во
часов
3 часа
через 3 часа
Определение изобарной теплоемкости воздуха
Исследование
процесса
адиабатного
истечения
суживающего сопло.
Исследование термодинамических процессов во влажном 3 часа
воздухе
Исследование теплового баланса двигателя внутреннего 4 часа
сгорания.
5
Исследования индикаторной диаграммы компрессора.
4 часа
Самостоятельная внеаудиторная работа (34 часа)
1. Работа с учебником, подготовка к семинарам и лабораторным работам,
проработка лекционного материала. – 8 часов.
2. Подготовка и выполнение домашних заданий:
- ДЗ №1. Расчет состава и параметров состояния газовой смеси, 7 часов выдать – 4
неделя, сдать – 7 неделя;
- ДЗ №2. Расчет газового цикла, 7 часов выдать - 6 неделя, сдать- 9 неделя.
- ДЗ №3. Термодинамический расчет сопла, 5 часов выдать – 8 неделя, сдать – 12
неделя.
- ДЗ №4. Расчет процесса истечения из сосуда ограниченной вместимости, 5 часов
выдать - 12 неделя, сдать – 16 неделя.
Раздел III
Учебно-методические материалы по дисциплине
Основная литература.
1. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов под редакцией Крутова В.И.,
Москва "Высшая школа", 1991.
2. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена. Учебное
пособие для ВУЗов под редакцией Крутова В.И. и Петражицкого Г.Б., Москва,
"Высшая школа", 1986.
3. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие
для ВУЗов под редакцией Крутова В.И. и Шишова Е.В., Москва, "Высшашкола",
1988.
Дополнительная литература.
1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник
для ВУЗов, 4-е изд. М. "Энергоатомиздат", 1983г.
2. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Термодинамика". Под
ред. Кожинова И.А., РИО МВТУ, 1988г.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика и Термодинамика и теплопередача.
Учебник для ВТУЗов, Высшая школа, 1988г, 479с.
Программа составлена на основании ГОС высшего профессионального
образованипспециальност121100 и Типовых программ по Термодинамике
кафедры "Теплофизика".
Программа составил
доцент, к.т.н.
Школа В.В.
"______"__________г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Теплофизика» Э6
Зав. кафедрой Э6
д.т.н., проф.
Хвесюк В.И.
"______"__________г.
Согласовано:
Зав.кафедрой Э-10
д.т.н., профессор
Шумилов И.С.
"______"_________г.
Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та «Э»
Председатель методической комиссии
д.т.н., проф.
Проректор по учебной работе
НУК «Э» (декан)
Начальник методического
отдела
Пластинин П.И.
"______"__________г.
Суровцев И.Г.
"______"__________г.
Васильев Н.В.
"______"__________г.