Тема 2. Первый закон термодинамики, политропные процессы

ТЕПЛОТЕХНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

НЕФТЕГАЗОВЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

ГОРНО-НЕФТЯННОГО ФАКУЛЬТЕТА

ПЕРМЬ - 2000

Составители: К.С.Галягин, Ю.А.Селянинов

УДК 536.7+536.2

ТЕПЛОТЕХНИКА: Методические указания и контрольные задания для студентов заочного отделения нефтегазовых специальностей горно-нефтянного факультета / Сост. К.С.Галягин, Ю.А.Селянинов; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 2000. 28 с.

Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов заочного отделения, обучающихся по направлению 553600 “Нефтегазовое дело”, при изучении учебного курса ”Теплотехника”. Указания разработаны в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования из расчета объема курса - 140 часов. При составлении методических указаний учтены рекомендации “Программы по теплотехническим дисциплинам для студентов инженерно-технических специальностей ВУЗов”, утвержденной Главным учебно-методическим управлением высшего образования.

Методические указания содержат перечень основных рекомендуемых учебников и дополнительных учебных пособий для более глубокого изучения отдельных вопросов курса. Приведена развернутая программа теоретического материала курса и дано содержание контрольных заданий. В методических комментариях акцентируются наиболее важные моменты, на которые необходимо обратить внимание при самостоятельном изучении.

Стр. 28, Табл. 9, Библиогр. 9 назв.

Рецензент канд.техн.наук, доц. М.А.Ошивалов.

© Пермский государственный

технический университет, 2000

Содержание

Программа теоретического курса............................................................................................... 4

Часть I. Техническая термодинамика................................................................................. 4

Тема 1. Основные понятия и определения.................................................................... 4

Тема 2. Первый закон термодинамики, политропные процессы............................. 5

Тема 3. Второй закон термодинамики............................................................................. 7

Тема 4. Элементы термодинамики потока ^*................................................................... 8

Тема 5. Циклы тепловых машин........................................................................................ 9

Часть II. Теория тепломассообмена................................................................................... 11

Тема 1. Теплопроводность................................................................................................ 11

Тема 2. Конвективный теплообмен................................................................................ 13

Тема 3. Радиационный (лучистый) теплообмен......................................................... 14

Тема 4. Основы расчета теплообменных аппаратов................................................. 15

Часть III. Элементы промышленной теплотехники........................................................ 16

Тема 1. Топливо и основы теории горения.................................................................. 16

Тема 2. Промышленные котельные установки. ^*......................................................... 17

Контрольные задания.................................................................................................................. 18

Контрольная работа №1......................................................................................................... 19

Контрольная работа №2......................................................................................................... 24

Литература..................................................................................................................................... 29

Программа теоретического курса

Часть I. Техническая термодинамика

Тема 1. Основные понятия и определения

Предмет технической термодинамики. Термодинамическая система. Основные параметры состояния: абсолютное давление, удельный объём, абсолютная температура. Термодинамические процессы: равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые. Графическое изображение равновесных процессов на диаграммах состояния.

Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Универсальная и удельная газовые постоянные.

Теплоемкость газовой среды. Виды теплоемкости: массовая, объемная, мольная. Зависимость теплоемкости от природы газа, температуры и вида термодинамического процесса. Уравнение Майера.

Смеси газов. Способы задания смеси газов массовыми и объемными долями. Парциальный объём и парциальное давление. Газовая постоянная и теплоемкость газовой смеси.

v В начальной теме курса рассматриваются основные понятия и определения, на базе которых строится изложение всего дальнейшего курса технической термодинамики, как науки о взаимопревращениях теплоты и работы в тепловых машинах.

v Здесь необходимо обратить внимание на упрощающие предположения при введении понятия идеального газа, как абстрактной модели газа, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и геометрические размеры его молекул пренебрежимо малы.

v Следует твердо усвоить уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) в различных формах его записи (Pv=RT; PV=mRT; P=rRT ), связывающее основные параметра состояния газовой среды: абсолютное давление P, удельный объем v и абсолютную температуру T. Необходимо уяснить различие между понятиями универсальной газовой постоянной R_m, являющейся абсолютной константой и имеющей численноезначение 8314 Дж/(кмоль К), и удельной газовой постоянной R, величина которой зависит от молекулярной массы каждого конкретного газа m и определяется соотношением вида R= R_m / m.

v При рассмотрении теплоемкости следует освоить методику расчета средней теплоемкости и уяснить зависимость теплоемкости газа от вида термодинамического процесса, что находит отражение в уравнении Майера c_p-c_v=R. Обратите внимание на понятие показатель адиабаты k, который вводится соотношением k = c_p / c_v и его численное значение определяется структурой молекулы газа.

v При изучении раздела, посвященному газовым смесям, нужно освоить методику расчета параметров смеси, состоящей из отдельных идеальных газов. Обратите внимание на отличие расчетных формул при задании состава смеси массовыми g_i и объемными r_i долями. Умение рассчитывать удельную газовую постоянную и теплоемкость смеси позволит при исследовании термодинамических процессов рассматривать смесь как самостоятельный идеальный газ.

Тема 2. Первый закон термодинамики, политропные процессы

Энергетические характеристики термодинамической системы: внутренняя энергия, энтальпия, теплота, работа деформации и располагаемая работа газовой среды. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.

Политропные процессы. Уравнения политропных процессов и их энергетические характеристики. Анализ частных случаев политропных процессов: изобарный, изотермический, адиабатный и изохорный. Обобщенная рабочая диаграмма политропных процессов. Зависимость теплоемкости от показателя политропы. Численное определение показателя политропы.

v Первый закон термодинамики – это термодинамическое выражение всеобщего закона сохранения, суть которого заключается в сохранении общего энергетического баланса при взаимопревращении энергии из одного вида в другой.

v Для записи аналитического выражения первого закона термодинамики необходимо детально рассмотреть энергетические характеристики термодинамической системы, к числу которых относятся изменение внутренней энергии, изменение энтальпии, количество теплоты, работа деформации (расширения) и располагаемая (полезная) работа. При изучении энергетических характеристик необходимо усвоить различие понятий “функция состояния”, к которым относятся внутренняя энергия и энтальпия, и “функция процесса“ (теплота и работа). Обратить внимание на факторы, определяющие знак каждой из энергетических характеристик, и знать выражение их через изменение параметров состояния как в дифференциальной, так и в интегральной форме.

v Понятие “политропные процессы” представляет собой обобщающую модель всего многообразия термодинамических процессов в идеальных газах, протекающих при постоянном значении теплоемкости. Идентификация процессов осуществляется по показателю политропы n, который определяет связь между параметрами состояния в виде уравнений политропных процессов Pvⁿ =const; Tv^n-1 =const; TⁿP^1-n =const.

v Здесь следует обратить внимание на необычное обстоятельство, выражающееся в возможности изменения численного значения теплоемкости газа в различных политропных процессах во всем диапазоне действительных чисел от -¥ до ¥. В частности это приводит к тому, что при условиях, когда показатель политропы принимает значение в интервале 1< n < k, теплоемкость любого газа будет иметь отрицательное значение.

v Нужно научится анализировать политропные процессы по показателю политропы. Принимая конкретные значения n можно получить академически известные частные случаи газовых процессов: изобарический (n =0), изотермический (n =1), адиабатный (n = k), и изохорический (n = ¥).

v При изучении этого раздела необходимо приобрести навыки графического представления и анализа политропных процессов с использованием обобщенной P-v диаграммы, содержащей классические частные случаи газовых процессов.