Содержание дисциплины “Термодинамика” для студентов

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
“_____” __________ 2002 г.
Дисциплина
Термодинамика
(учебная программа)
Для студентов факультета “Э”
специальности 070700 кафедры Теплофизика “Э6”
Выделено на дисциплину
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Семестровые задания
ДЗ № 1
ДЗ № 2
ДЗ № 3
Курсовая работа
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет по курсу
Экзамены
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра
Теплофизика
ВСЕГО
170
102
68
17
17
68
11
3
3
4
51
6
V семестр
170
102
68
17
17
68
11
3 ч., 4 нед
3 ч., 10 нед.
4 ч., 14 нед.
51
6
Э
Э
Раздел 1
ПРЕДМЕТ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Предметом курса “Термодинамика” является изучение фундаментальных законов
природы о свойствах макроскопических тел и процессах превращении энергии, протекающих при взаимодействии макроскопических тел с окружающей средой.
Вопросы, рассматриваемые в курсе, являются основой для расчета, оптимизации, повышения эффективности и проектирования теплоэнергетических машин и установок различного назначения.
Целью дисциплины является привитие студентам умения и навыков, необходимых
при выполнении термодинамических и тепломассообменных расчетов и для эффективного
изучения материалов последующих профилирующих дисциплин.
Для достижения поставленной в курсе цели студент должен знать:
- основные принципы и фундаментальные законы термодинамики;
- математический аппарат термодинамики;
- основные методы расчета свойств и процессов превращения энергии, протекающих при
взаимодействии макроскопических тел с окружающей средой;
Студент должен уметь:
- сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с анализом исследуемого
процесса или явления, с расчетом и проектированием энергетических установок и машин
различного назначения;
- разработать физическую и математическую модель процессов;
- провести анализ исследуемого процесса или явления, оценить эффективность работы
различных энергетических установок и машин.
Материал дисциплины опирается на знания студентов, предварительно полученных
при изучении математики, физики, химии, алгоритмических языков и программирования.
В процессе преподавания дисциплины должны быть использованы технические средства обучения, персональные компьютеры, а также комплекс учебно-лабораторных установок, обеспечивающих экспериментальную проверку достоверности изучаемых законов и
процессов.
Необходимым условием успешного овладения материалом дисциплины является
применение активных форм обучения, включающих проведение семинарских и лабораторных занятий, выполнение расчетных домашних заданий, контрольных работ и самостоятельную работу под контролем преподавателя.
Лабораторные работы должны обеспечить изучение студентами основных теплофизических методов измерения, навыков испытаний и эксплуатации установок, прививать навыки
к научным исследованиям.
Текущий контроль качества освоения материала осуществляется путем индивидуального собеседования преподавателя со студентами перед проведением лабораторных работ и
при приеме домашних заданий, а также путем проведения контрольных работ.
Выполнение домашних заданий является важнейшим этапом обучения студентов и
имеет своей целью систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний и
практических сведений при решении конкретных задач, развития навыков самостоятельной
работы с технической литературой.
Раздел 2
ЛЕКЦИИ
68 часов
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
1 час
Определение предмета термодинамики. Особенности и различия термодинамического
(феноменологического) и статистического методов свойств и процессов взаимопревращения
энергии в макроскопических телах.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 6
часов.
Термодинамическая (макроскопическая) система. Классификация ТДС по характеру
энергомассообмена с окружающей средой. Параметры состояния ТДС - внутренние и внешние. Интенсивные и экстенсивные параметры состояния. Функции состояния. Понятие термодинамического равновесия. Равновесное состояние ТДС.
Первый постулат ТД. Переход изолированной ТДС в состояние равновесия. Существование состояния ТД-равновесия. Интерпретация постулата с точки зрения статфизики.
Флуктуации. Ограничение применимости ТД к бесконечным системам и системам с ограниченным числом частиц.
Второй постулат ТД (нулевое начало ТД). Понятие температуры. Зависимость равновесных внутренних параметров от температуры и совокупности внешних параметров.
Энергия - общая мера материального движения при его превращении из одного вида в
другой. Полная, внешняя и внутренняя энергии ТДС. Внутренняя энергия как функция состояния ТДС. Зависимость внутренней энергии от параметров ТДС в состоянии равновесия.
Свойство аддитивности внутренней энергии и ограничения на его применимость. Внутренняя энергия - интенсивный параметр. Удельные величины внутренней энергии ТДС.
Уравнения состояния ТДС. Термические и калорическое уравнения состояния. Уравнения состояния простой ТДС. Дифференциальная форма уравнений состояния простой ТДС
и определение термических коэффициентов термодеформационной ТДС.
Термодинамический процесс - изменение состояния ТДС в результате взаимодействия
с окружающей средой. Квазистатические и нестатические процессы. Время релаксации. Графическое представление квазистатических процессов на поверхностях и диаграммах состояний.
Формы обмена энергией ТДС в термодинамическом процессе. Работа совершаемая
ТДС. Понятие координаты состояния. Пример выражений для расчета элементарной работы
в различных случаях. Теплообмен - форма обмена энергией, соответствующей хаотическому
(тепловому) движению микрочастиц ТДС. Теплота- функция процесса. Графическое представление.
3. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
6 часов
Первое начало термодинамики, как математическое выражение общего закона сохранения энергии с учетом эквивалентности теплоты и работы. Дифференциальная и интегральная формы записи. Первое начало термодинамики для простой термодеформационной системы. Понятие энтальпии как функции состояния, ее физический смысл и соответствующая
форма записи первого начала ТД. Первое начало термодинамики для квазистатических (обратимых) процессов - основное уравнение термодинамики (термостатики).
Теплоемкость. Истинная и средняя, удельные величины теплоемкости. Зависимости
теплоемкости от характера ТД-процесса и термического и калорического уравнений состояния для простой ТДС. Теплоемкости термодеформационной системы при постоянном давлении и постоянном объеме. Формулы для их расчета и связи.
Основные термодинамические процессы и их уравнения. Вывод дифференциальных
адиабатического и политропического процессов для простой ТДС. Уравнения основных ТДпроцессов для идеального газа.
4. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
4
часа
Анализ вопроса о неравноправности взаимопревращения теплоты в работу и наоборот. Понятие вечного двигателя 2-ого рода. Формулировка второго начала ТД в виде утверждения о невозможности такой тепловой машины и в трактовке Кельвина.
Обратимые и необратимые ТД-процессы. Круговые (циклические) процессы и анализ
цикла Карно. Теорема Карно.
Второе начало ТД для квазистатических (обратимых) процессов - принцип существования энтропии, как функции состояния ТДС. Интеграл Клаузиуса. Математическая формулировка второго начала ТД. Энтропия - тепловая координата состояния. Абсолютная термодинамическая температура. Основное уравнение ТД для квазистатических процессов. Вычисление энтропии. Свойство аддитивности энтропии. Понятие локального термодинамического равновесия и определение энтропии для неравновесного состояния ТДС.
Второе начало ТД для нестатических (необратимых) процессов - принцип возрастания
энтропии для неравновесной изолированной ТДС. Направленность естественных процессов.
Рост энтропии в процессах выравнивания (выравнивание температур и давлений, процесс
расширения газа, встречная диффузия газов). Основное уравнение ТД для произвольного
процесса.
5. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
2 часа
Теорема Нернста. Особенности поведения ТД-параметров при T0. Недостижимость
абсолютного нуля температуры. Вырождение идеального газа.
6. МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
8 часов
Метод круговых процессов. Основные уравнения. Характерные примеры применения
метода.
Метод характеристических функций. Понятие характеристической функции. Построение 4-х основных характеристических функций простой термодеформационной ТДС. Свойства характеристических функций – аддитивность, интенсивные параметры, размерность.
Вычисление основных термодинамических параметров ТДС с помощью характеристических
функций. Характеристические функции как термодинамические потенциалы. Дифференциальные связи между характеристическими функциями- уравнения Гиббса-Гельмгольца.
Дифференциальные соотношения Максвелла, их применение.
Дифференциальные уравнения ТД. Дифференциальные уравнения для внутренней
энергии, энтальпии и т.д. в измеряемых независимых переменных (T,V), (T,P) и (P,V). Применение функциональных определителей (якобианов) для преобразования и получения дифференциальных уравнений ТД. Основное термодинамическое тождество. Его геометрический и физический смысл. Система дифференциальных уравнений для определения связей
между термодинамическими коэффициентами ().
7. ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ
КОНКРЕТНЫХ ТДС
17 часа
Термодинамика совершенного газа. Понятие совершенного газа как калорически так и
термически идеального газа. Границы применимости модели совершенного газа Уравнения
состояния - закон Джоуля и уравнение Клапейрона- Менделеева. Связь между теплоемкостями (уравнение Майера). Связь величины теплоемкости с различными формами движения
и структурой молекул газа - теорема равнораспределения. Формулы для расчета основных
функций состояния. Аналитический и графический методы анализа основных ТД-процессов
с совершенным газом. Термодинамика нереагирующих совершенных газовых смесей.
Термодинамика газа Ван-дер-Ваальса. Нарушение приближения термической идеальности. Уравнения состояния термически неидеальных газов. Модельное уравнение состояния
Ван-дер-Ваальса. Правило Максвелла. Критическая точка. Приведенный вид уравнения Вандер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Расчет и особенности основных термодинамических функций газа Ван-дер-Ваальса. Эффект изменения температуры при необратимом
адиабатическом расширении неидеальных газов - эффект Джоуля-Томсона.
Термодинамика излучения. Основные понятия теории излучения. Световое давление уравнение состояния. Вывод законов Кирхгоффа, Стефана-Больцмана и Вина.
Термодинамика стационарных газовых потоков. Формулировка первого начала термодинамики для стационарных газовых потоков. Понятие располагаемой работы. Общие
закономерности и формы уравнения первого начала термодинамики для стационарных течений без совершения технической работы, с трением и без трения. Уравнение Бернулли для
несжимаемого и сжимаемого адиабатического потока без трения. Скорость звука и показатель изоэнтропы. Стационарный поток сжимаемого газа в изоэнтропическом режиме. Дозвуковые и сверхзвуковые течения. Критическая точка течения и определение ее ТДпараметров для идеального газа. Адиабатического течения с трением сжимаемого газа в канале постоянного сечения. Закон обращения воздействий. Тепловое воздействие, тепловое
сопло и особенности поведения основных ТД-параметров потока. Механическое воздействие
и механическое сопло. Течения в негоризонтальных трубах.
Термодинамика систем с переменным количеством вещества. Примеры ТДС с переменным количеством вещества. Формулировка первого начала ТД для ТДС с переменным
количеством вещества. Химический потенциал. Дифференциалы для термодинамических
потенциалов ТДС с переменным количеством вещества. Уравнение Гиббса-Дюгена.
8. РАВНОВЕСИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
14 часов
Классификация ТДС по однородности физических свойств - гомогенные и гетерогенные ТДС. Понятия агрегатного состояния, фазы и компоненты.
Понятие равновесия ТДС и классификация равновесных состояний. Общие условия
термодинамического равновесия ТДС. Принцип экстремальности термодинамических потенциалов: максимум энтропии в изолированных системах и минимум характеристических
функций в условиях соответствующего взаимодействия с окружающей средой.
Равновесие в гомогенной химически реагирующей ТДС. Примеры гомогенных химически реагирующих ТДС. Понятие химической реакции. Кинетический смысл условия равновесия химически реагирующей газовой ТДС. Термодинамический анализ равновесия химически реагирующей смеси идеальных газов. Химический потенциал и закон действующих
масс. Константа равновесия. Стандартный метод определения констант равновесия.
Ионизация одноатомных газов. Основы термодинамики плазмы.
Равновесие в гетерогенной системе. Условия фазового равновесия в изолированной
ТДС. Правило фаз Гиббса. Кривые равновесия фаз в координатах PT. Тройная точка. Фазовые превращения. Фазовые переходы 1-ого и 2-ого родов. Фазовые переходы 1-ого рода и
уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы 2-ого рода и уравнения Эренфеста.
Термодинамика двухфазных ТДС. Критическая точка. Диаграммы состояний двухфазных
(жидкость-пар) систем. Основные термодинамические процессы в двухфазных системах.
Термодинамические диаграммы состояний трехфазных систем.
9. ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
5 часов.
Принцип работы и индикаторная диаграмма одноступенчатого идеального компрессора. Причины применения мноступенчатого сжатия. Индикаторная диаграмма многоступенчатого компрессора. Понятие о работе центробежных компрессоров.
Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении. Термический КПД цикла, пути его повышения. Условность циклов и их характеристики.
Разновидности циклов поршневых двигателей. Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты. Термический КПД цикла.
Паровой цикл Ренкина. Термический КПД цикла, пути его повышения. Влияние повышения давления, температуры перегрева пара, регенерации, бинарный цикл.
10. ФУНКЦИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
4 часа
Работоспособность ТДС. Функции работоспособности. Эксергия. Работоспособность
теплоты. Уравнения, определяющие работоспособность ТДС. Эксергетический КПД.
11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 час
Проблемы и необходимость обобщения основных понятий и принципов термодинамики (термостатики). Принцип квазилокального равновесия. Иерархия времен и пространственных масштабов в макроскопической системе. Состояния далекие от равновесия. Возникновение пространственных и временных структур.
Раздел 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
3.А.1. СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ (17 часов).
1. Параметры состояния.
2. Первое начало термодинамики и теплоемкость.
3. Газовые законы.
4. Смеси идеальных газов.
5. Термодинамические процессы в идеальных газах.
6. Графический метод исследования термодинамических процессов
в идеальных газах.
7. Второе начало термодинамики.
8. Характеристические функции и дифференциальные
уравнения термодинамики.
9. Равновесие фаз. Реальные газы. Критическая точка.
10. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиса.
11. Термодинамика высокотемпературных газов.
- 1 час
- 2 часа
- 2 часа
- 1 час
- 2 часа
- 1 час
- 2 часа
- 2 часа
- 1 час
- 1 час
- 2 часа
3.А.2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (17 часов)
1. Определение изобарной теплоемкости воздуха.
- 3 часа
2. Влажный воздух.
- 4 часа
3. Индикаторная диаграмма и расчет параметров одноступенчатого поршневого
компрессора.
- 4 часа
4. Истечение газов из сопел.
- 3 часа
5. Исследование работы теплового двигателя.
- 3 часа
3.Б. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
34 часа.
1. Самостоятельная проработка курса (работа с учебно-методической литературой по дисциплине. Проработка лекционного материала).
- 6 часов
2. Выполнение домашних заданий:
- 11 часов
№
1
2
3
Наименование домашних заданий
Газовые смеси и теплоемкости
Газовый цикл турбоустановки
Расчет термодинамических параметров атомарной плазмы
3. Курсовая работа – Исследование термодинамических параметров химически реагирующих газовых смесей
- 51 час
Раздел 4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов. (под редакцией В.И.Крутова), 2-ое
изд. М., Высшая школа. 1981 г.
Задачник по технической термодинамике и теории теплообмена. Учебное пособие
для машиностроительных вузов. (под редакцией В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого), М.,
Высшая школа. 1986 г.
Лабораторный практикум по термодинамике и теории теплообмена. Учебное пособие для вузов. (под редакцией В.И.Крутова и Е.В.Шишова), М., Высшая школа. 1988 г.
Дополнительная литература
Базаров И.П. Термодинамика. М., Высшая школа. 1983 г.
Исаев С.И. Термодинамика. 3-е изд.-М., МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.
Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник для
ВУЗов. 4-е изд., М., Высшая школа. 1983 г.
Вукалович М.П. Термодинамика. М., 1972 г.
Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М., Энергия. 1977 г.
Программа составлена на основании ГОС высшего профессионального образования
по специальности 070700 кафедры Теплофизика “Э6”.
Программу составил
д.т.н., проф. каф. Э6
Гришин Ю.М.
“______”__________ г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры “Теплофизика” Э6
Зав. кафедрой Э6
д.т.н., проф.
Хвесюк В.И.
“______”__________ г.
Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та “Э”
Председатель методической комиссии
д.т.н., проф.
Руководитель НУК “Э”
к.т.н., доцент
Начальник методического
отдела
Пластинин П.И.
“______”__________ г.
Суровцев И.Г.
“______”__________ г.
Васильев Н.В.
“______”__________ г.