Термодинамика - Теплофизика - Московский государственный

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана
Дисциплина
Техническая термодинамика
(учебная программа)
Выделено на дисциплину
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Семестровые задания
ДЗ № 1
ДЗ № 2
ДЗ № 3
ДЗ № 4
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет по курсу
Экзамены
ВСЕГО
136
102
68
17
17
34
22
5
5
6
6
12
VI семестр
136
102
68
17
17
34
22
5 ч., 7 нед
5 ч., 10 нед.
6 ч., 13 нед.
6 ч., 15 нед.
12
Э
Э
Раздел 1
ПРЕДМЕТ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Предметом курса “Техническая 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 достижении 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 полу-
ченных при изучении математики, физики, химии, алгоритмических языков и программирования.
В процессе преподавания дисциплины должны быть использованы технические средства обучения, персональные компьютеры, а также комплекс учебнолабораторных 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 “ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА”
1. ВВЕДЕНИЕ
1 час
Определение предмета термодинамики. Особенности и различия термодина-
мического (феноменологического) и статистического методов свойств и процессов
взаимопревращения энергии в макроскопических телах.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
час.
6
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 как зависимость равновесных внутренних параметров от температуры и совокупности внешних параметров. 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. Определение элементарной работы, совершаемой ТДС над
окружающей средой, через обобщенную силу и элементарное изменение соответствующего ей внешнего параметра. Понятие координаты состояния. Правило знаков.
Пример выражений для расчета элементарной работы в различных случаях. Размерность. Особенности вычисления работы для квазистатических процессов. Работафункция процесса. Работа конечного и замкнутого процессов. Графическое представление.
Теплообмен - форма обмена энергией, соответствующей хаотическому (тепловому)
движению микрочастиц ТДС. Теплота как мера передаваемой энергии к (от) ТДС
энергии при теплообмене. Правило знаков. Размерность. Качественное различие
между теплотой и работой. Теплота- “термическая” работа. Понятие энтропии как
тепловой координаты состояния. Теплота- функция процесса. Теплота конечного и
замкнутого процессов. 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- принцип внутренней энергии как однозначной функции состояния ТДС. Формулировка первого
начала термодинамики в виде положения о невозможности вечного двигателя 1-ого
рода. 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) процессовосновное 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 ТД-процессов 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 тамператур и давлений, процесс расширения газа, встречная диффузия газов). Основное уравнение ТД для произвольного процесса.
Энтропия и термодинамическая вероятность.
5. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
2 час
Теорема Нернста. Особенности поведения ТД-параметров при T 0. Недости-
жимость абсолютного нуля температуры. Вырождение идеального газа.
6. МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
8 часов
Метод круговых процессов. Основные уравнения. Характерные примеры при-
менения 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
() . Вывод соотношений между изохорной и изобарной теплоемкостями. Получение дифференциального уравнения связи калорического и термического уравнений состояния простой термодеформационной ТДС.
7. ПРИЛОЖЕНИЯ
КОНКРЕТНЫХ ТДС
ТЕРМОДИНАМИКИ
ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ
СВОЙСТВ
22 час
Термодинамика совершенного газа. Понятие совершенного газа как калориче-
ски так и термически идеального газа. Границы применимости модели совершенного
газа Уравнения состояния - закон Джоуля и уравнение Клапейрона- Менделеева.
Связь между теплоемкостями (уравнение Майера), ее физический смысл. Связь величины теплоемкости с различными формами движения и структурой молекул газатеорема 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 урав-
нение состояния Ван-дер-Ваальса. Элементарный вывод и физический смысл, входящих в него постоянных. Анализ уравнения. Физическая интерпретация. Правило
Максвелла. Критическая точка. Приведенный вид уравнения Ван-дер-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 ТД-параметров для идеального газа. Режимы течения в каналах переменного сечения. Расчет параметров потока в суживающемся канале и сопле Лаваля. 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 гете-
рогенные ТДС. Понятия агрегатного состояния, фазы и компоненты.
Понятие равновесия ТДС и классификация равновесных состояний. Механическая аналогия. 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. Условия устойчивости равновесия изолированной однородной ТДС. Физический смысл условий устойчивости.
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. Термодинамические свойства газов при высоких температурах. Диссоциация двухатомных молекул. 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. ФУНКЦИИ РАБОТОСПОСБНОСТИ
4 часа
Работоспособность ТДС. Функции работоспособности. Эксергия. Работоспособ-
ность теплоты. Уравнения определяющие работоспособность ТДС. Эксергетический
КПД.
10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 час
Проблемы и необходимость обобщения основных понятий и принципов термо-
динамики (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
17 часов.
Темы семинарских занятий.
1. Параметры состояния.
- 1 час
2. Первое начало термодинамики и теплоемкость.
- 2 часа
3. Газовые законы.
- 2 часа
4. Смеси идеальных газов.
- 1 час
5. Термодинамические процессы в идеальных газах.
- 2 часа
6. Графический метод исследования термодинамических процессов в идеальных газах.
- 1 час
7. Второе начало термодинамики.
- 2 часа
8. Характеристические функции и дифференциальные
уравнения термодинамики.
- 2 часа
9. Равновесие фаз. Реальные газы. Критическая точка.
- 1 час
10. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиса.
- 1 час
11. Термодинамика высокотемпературных газов.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
- 2 часа
17 часов
1. Определение изобарной теплоемкости воздуха.
2. Влажный воздух.
- 3 часа
- 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
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ВНЕАУДИТОРНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
34 часа.
1. Работа с учебно-методической литературой по дисциплине. Проработка лекционного материала. Подготовка к контрольным работам и экзамену. – 12 часов
2. Выполнение домашних заданий:
- 22 часа
ДЗ № 1- Термодинамические свойства не реагирующих смесей
идеальных газов.
- 5 часов, 7 нед.
ДЗ № 2 - Термодинамические процессы с идеальными газами - 5 часов, 10 нед.
ДЗ № 3 - Термодинамические свойства газов при высоких
температурах.
- 6 часов , 13 нед.
ДЗ № 4 - Термодинамические процессы в двухфазных средах. – 6 часов, 15 нед.
Раздел 4
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов (под редакцией В.И.Крутова),
2-ое изд. М., Высшая школа. 1981 г.
2. 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.
3. 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
4. Базаров И.П. Термодинамика. М., Высшая школа. 1983 г.
5. Исаев С.И. Термодинамика. 3-е изд.-М., МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.
6. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика.
Учебник для ВУЗов. 4-е изд., М., Высшая школа. 1983 г.
7. Вукалович М.П. Термодинамика. М., 1972 г.
8. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М., Энергия. 1977 г.