birmaga.ru
добавить свой файл

1
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.


Термодинамика

(учебная программа)

Для студентов факультета “Э”

Специальность “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели” (101400)

направление “Энергомашиностроение”


Виды учебных работ

Объем работ, час




Всего

5 сем

Выделено на дисциплину

136

136

Аудиторная работа

102

102

Лекции

Семинары

Лабораторные работы

68

17

17

68

17

17

Самостоятельная работа

34

34

Домашние задания

22

22

ДЗ № 1

5

5 ч., 6 нед.


ДЗ № 2

5

5 ч., 9 нед.

ДЗ № 3

4

4 ч., 11 нед.

ДЗ № 4

4

4 ч., 13 нед.

ДЗ № 5

4

4 ч., 15 нед.

Самостоятельная проработка курса

12

12

Виды отчетности по дисциплине







Зачет

Экзамен


Экзамен


Экзамен


Факультет

“Энергомашиностроение”

Кафедра Э 6

“Теплофизика”
Цели и задачи дисциплины

Термодинамика – наука о макроскопических свойствах материи и энергии – выделяется среди других наук уникальными особенностями своего исследовательского аппарата: универсальностью, уступающей только "языку природы" – математике, достоверно­стью, равной достоверности закона сохранения энергии, стройной, логичной и математически изящной структурой.

Место термодинамики в учебном плане определяется в первую очередь, ее воспитательным воздействием на интеллект студента. Изучение термодинамики – ее глубоких общих идей, строгой логи­ческой структуры, универсального аппарата исследования – оказы­вает сильное влияние на строй мысли студента и в значительной степени определяет уровень научной культуры, достигаемый им впоследствии. Поэтому без освоения принципиальных основ термо­динамики, овладение ее методом и математическими средствами ис­следования ее не может состояться высококвалифицированный инже­нер и научный работник любого профиля.


Вопросы, рассматриваемые в курсе термодинамики, являются основой для расчета, проектирования и повышения эффективности работ машин и установок различного назначения, а также для эф­фективного изучения материала последующих профилирующих дисциплин.

Материал дисциплины опирается на знания студентов, пред­варительно полученные при изучении математики, физики, химии, ЭВМ. В процессе преподавания дисциплины используются техниче­ские средства обучения, ЭВМ, комплекс учебно-лабораторных уста­новок, обеспечивающих экспериментальную проверку достоверно­сти изучаемых законов и прививающих навыки к научным исследо­ваниям.

Условием успешного овладения материалом дисциплины яв­ляются:

1) построение курса на основе современной структуры и мето­дики изложения науки, разработанной на кафедре Э - 6 МГТУ им. Н. Э. Баумана, отвечающей достигнутому уровню знаний и обеспечи­вающей логическое и компактное построение аппарата науки с последующим приложением его к рассмотрению прикладных проблем необходимых студентам тех или иных специальностей,

2) обеспечение курса учебниками и учебными пособиями, соз­данными на основе современной структуры науки,

3) применение активных форм обучения, включая проведение семинарских и лабораторных занятий, выполнение расчетных до­машних заданий, самостоятельную работу с технической литерату­рой.

Текущий контроль качества освоения материала осуществля­ется путем индивидуального собеседования преподавателя со сту­дентами при проведении лабораторных работ, приеме домашних заданий и проведении контрольных работ. Объем курса составляет 136 часов, из них 68 – лекций, 17 – семинаров, 17 – лабораторных работ, 34 - самостоятельных работ.

Студент должен уметь:

- формулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с расчетом и проектированием энергетических установок и машин различного назначения,

- разработать физическую модель процесса,

- оценить эффективность работы различных энергетических установок и приборов.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
Введение - 1 час

Определение термодинамики. Особенности науки и пределы применимости ее аппарата. Роль отдельных ученых в развитии тер­модинамики. Значение науки.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ - 29 часов
Аппарат термодинамики в современном преставлении.
Раздел I. Основные понятия, принципы, законы и уравнения –

12 часов


    1. Исходные понятия.

Первый закон термодинамики. Термодинамическая система, закрытая и открытая. Внутренняя энергия. Формы взаимодействия (теплота и работа). Количества воздействия. Степени свободы системы. Принцип существования внутренней энергии – первый закон термодинамики. Уравнение первого закона для закрытой системы.

    1. Характеристики и уравнения состояния.

Параметры, независимые переменные, функции состояния. Принцип существования координат состояния. Энтропия. Принцип существования потенциалов взаимодействия. Термодинамическая температура. Принцип существования однозначных уравнений состояния. Основное уравнение состояния. Термическое уравнение состояния. Термические коэффициенты. Нормальные и аномальные состояния.

    1. Характеристики и уравнения процесса.

Определение термодинамического процесса. Аналитическое и графическое представление процесса. Принцип существования единой формы выражения количеств воздействия через характеристики состояния. Равновесный (обратимый) процесс. Основное уравнение процесса. Теплоемкость и ее особенности.

    1. Шкала абсолютного потенциала взаимодействия. Температурные шкалы.

Определение абсолютного потенциала взаимодействия и построение его шкалы. Нулевой закон термодинамики. Условия построения температурной шкалы. Школа относительной температуры (пример – шкалы Цельсия и Фаренгейта). Шкалы абсолютной идеально-газовой и термодинамической температуры.


    1. Открытая система.

Особенности открытой системы. Работа ввода (вытеснения). Полезная работа. Энтальпия. Уравнение первого закона термодинамики для открытой системы. Стационарный поток. Располагаемая работа.
Раздел 2. Закономерности превращения теплоты и работы - 8 часов
2.1. Циклы и условия равновесного взаимопревращения теплоты и

работы

Прямой цикл. Термический КПД. Обратный цикл. Холодильный и отопительный коэффициенты. Цикл и теорема Карно. Условия равновесной передачи энергии между телами с разной температурой и взаимного превращения теплоты и работы.

2.2 Самопроизвольное (необратимое) превращение работы в теплоту.

Второй закон термодинамики. Энтропия.

Особенности необратимых процессов. Принцип возрастания энтропии – второй закон термодинамики. Неравенства принципа возрастания энтропии для термодинамической и изолированной систем. Возрастание энтропии и деградация энергии. Формулировки второго закона термодинамики. Энтропия и вероятность состояния. Ограниченность принципа возрастания энтропии. Проблема доказательства существования энтропии. Энтропия и информация.

2.3. Функции работоспособности.

Особенности энтропийного и эксергетического методов оценки потерь работы из-за необратимости процессов. Условия создания функций работоспособности закрытой и открытой систем. Эксергия массы. Эксергия теплоты. Уравнения, определяющие работоспособность системы. Эксергетический КПД. Определение эксергии аналитически и в диаграммах состояния.

Раздел 3. Аппарат анализа свойств веществ – 9 часов
3.I. Структура аппарата. Характеристические функции.

Методы потенциалов и циклов. Характеристические функции. Выражение термодинамических величин через характеристические функции.

Характеристические функции в роли термодинамических потенциалов. Дифференциальные соотношения Максвелла. Уравнения Гиббса – Гельмгольца.


3.2.Дифференциальные уравнения термодинамики. Вычисление не

изменяемых функций состояния.

Значение дифференциальных уравнений. Уравнения в независимых переменных Т и V. Уравнения в независимых переменных Т и р. Дифференциальные уравнения для теплоемкостей. Вычисление термодинамических величин с помощью уравнений. Третий закон термодинамики.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ - 38 часов

Прикладные проблемы
Раздел 4. Свойства и процессы идеальных газов -4 часа.
4.1. Термодинамические свойства идеального газа.

Уравнение состояния. Теплоемкости: истинная, средняя, удельная, объемная, молярная, при постоянном объеме и постоянном давлении. Уравнение Майера. Уравнение для определения внутренней энергии, энтальпии, энтропии. Построение Т-S и h-S диаграмм.

4.2. Смеси газов.

Характеристики состава смеси. Парциальные давление и объем. Определение термодинамических величин для смеси газов. Многокомпонентные среды.

4.3. Процессы в газах.

Величины, подлежащие определению при анализе процессов и данные, необходимы для этого. Определение политропного процесса. Определение для политропного, адиабатного, изохорного, изобарного и изотермического процессов: уравнений процесса в независимых переменных T и V, T и p, p и V, соотношений между параметрами (p,V,T) и энергетическими величинами (∆U,∆h,g,L,L0), теплоемкости, изменений внутренней энергии, энтальпии, энтропии, количества теплоты и работы, располагаемой работой. Определение всех необходимых при анализе процесса величин в T-S диаграмме.
Раздел 5. Свойства и процессы реальных газов – 7 часов
5.1. Характерные линии и точки в диаграммах давление-объем, коэффициент сжимаемости – температура, теплоемкость – температура: пограничные кривые, критическая точка, точка и кривая Бойля. Области жидкости, влажного и перегретого паров.

5.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса.


Физический смысл констант уравнения. Изотермы в р-v диаграмме. Метастабильные состояния. Правило Максвелла. Приведенное уравнение. Соответственные состояния. Термодинамическое подобие. Значение уравнения Ван-дер-Ваальса. Уравнение состояния в вириальной форме. Методика получения термического уравнения состояния реального газа по известному из опыта калорическому уравнению состояния.

5.3. Пары

Определение термодинамических величин в характерных состояниях изобарного процесса получения перегретого пара: кипящей жидкости, влажного, сухого насыщенного и перегретого паров. p-v, T-S, h-S диаграммы состояния с анализом взаимного расположения линий постоянных параметров. Таблицы свойств жидкости и пара. Расчет процессов с применением паровых таблиц и диаграммы h-S.

5.4. Влажный воздух

Параметры влажного воздуха: абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, температура точки росы. Диаграмма энтальпия - влагосодержание. Определение параметров по температурам мокрого и сухого термометров. Анализ процессов во влажном воздухе.

5.5. Плазма

Свойства и классификация плазмы. Идеальная и неидеальная плазма. Состав равновесной плазмы. Термодинамические параметры плазмы. h-S диаграммы плазмы веществ. Плазма в магнитном поле.

Раздел 6. Течение газов и паров – 3 часа
6.1. Исходные уравнения: тепловая и механические формы уравнения энергии, уравнение неразрывности, уравнение состояния. Скорость звука. Число Маха. Параметры торможения: энтальпия, температура, давление, плотность.

6.2. Влияние на скорость потока: изменения площади поперечного сечения канала. Сопло Лаваля. Критические параметры.

6.3. Определение скорости и расхода при адиабатном истечении из сосуда неограниченной емкости с помощью механической формы уравнения энергии и p-v диаграммы и с помощью тепловой формы уравнения энергии и h –S диаграммы. Зависимость скорости и расхода от отношения давлений =p2/p1. Истечение через сужающее сопло при кр. Истечение через сопло Ловаля. Учет трения при истечении.


6.4.Адиабатное дросселирование и его представление в h-S диаграмме.

Выражение дифференциального дроссель - эффекта Джоуля-Томсона через характеристики состояния. Знаки дроссель – эффекта для идеального и реального /в нормальном, аномальном и двухфазном
состояниях/ газов. Кривая инверсии. Интегральный дроссель – эффект. Сравнение величины дроссель-эффекта с соответствующим эффектом при равновесном адиабатном расширении газа в детандер.

Раздел 7. Процессы в тепловых машинах – 4 часа
7.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Обоснование нецелесообразности реализации цикла Карно в поршневых ДВС. Циклы с подводом тепла при постоянных объеме и давлении. Термический КПД. Сравнение циклов в T-S диаграмме. Цикл Стирлинга.

7.2. Циклы газотурбинных установок.

Циклы ГТУ с подводом тепла при постоянных давлении и объеме. Термический КПД. ГТУ с регенерацией. ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением воздуха и промежуточным подогревом рабочего тепла.

7.3. Циклы реактивных двигателей.

Циклы воздушно - реактивных бескомпрессорных /прямоточных/ и компрессорных /турбинных/ двигателей. Циклы жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей. Сравнительный анализ циклов тепловых двигателей.

7.4. Циклы паросиловых установок.

Цикл Карно: схема установки и T-S диаграмма цикла. Обоснование нецелесообразности реализации цикла Карно. Цикл Ренкина в координатах p-v, T-S, h-s. Термический КПД. Методика определения оптимального давления в конденсаторе. Пути повышения КПД. Бинарные циклы.

7.5. Сжатие газа в компрессоре.

Принцип работы и индикаторная диаграмма идеального одноступенчатого поршневого компрессора. Работа компрессора. Процессы сжатия газа в p - v и T-S диаграммах. Влияние вредного объема. Причины применения многоступенчатого сжатия и разбивка перепада давления между ступенями. Центробежный компрессор.


7.6.Циклы холодильных машин.

Цикл газовой холодильной машины в координатах p –v и T-S. Холодопроизводительность и холодильный коэффициент. Цикл парокомпрессорной холодильной машины. Представление об абсорбированной холодильной установке. Цикл теплового насоса. Отопительный коэффициент.

7.7. Безмашинное преобразование энергии.

МГД – генератор. Схема и T-S диаграмма цикла. Термический КПД. Термоэлектрогенератор: схема, термический КПД. Термоэмиссионный

генератор: схема, термический КПД. Топливный элемент. Коэффициент эффективности.

Раздел 8. Анализ фазовых превращений – 2 часа
8.I. Исходные понятия и уравнения.

Неоднородная система переменного состава. Агрегатные состояния. Химический потенциал – парциальная свободная энтальпия. Вычисление химического потенциала составляющей смеси идеальных газов. Летучесть и активность. Основное неравенство термодинамики. Общие условия равновесия неоднородной системы. Уравнение равновесия.

8.2. Фазовое равновесие.

Особенности изменения состава, при фазовых превращениях. Компонент. Условия фазового равновесия. Правило фаз Гиббса.

Раздел 9. Анализ химических превращений – 17 часов
9.1. Тепловые эффекты химических реакций.

Стехиометрическое уравнение химической реакции. Мера реакции. Удельное изменение функции состояния при химических реакциях. Тепловые эффекты при условиях постоянства температуры и объема, температуры и давления, и связь между ними. Закон Гесса. Стандартные тепловые эффекты образования и сгорания веществ. Зависимость теплового эффекта от температуры и агрегатного состояния веществ. Тепловой эффект при неизотермичных условиях. Адиабатная температура сгорания.

9.2. Химическое равновесие.

Условия химического равновесия. Закон действующих масс. Константы равновесия Кр, Кс, Кn и связь между ними. Комбинирование констант равновесия. Химическое равновесие в гетерогенных системах.


9.3. Химическое сродство.

Мера химического сродства. Уравнение изотермы реакции. Нормальное химическое сродство. Стандартное химическое сродство образования и сгорания. Связь химического сродства с тепловым эффектом реакции. Принцип Бертло.

9.4. Зависимость химического сродства и константы равновесия от температуры. Принцип Ле Шателье-Бруна.

9.5. Третий закон термодинамики.

Тепловая теорема Нернста и третий закон термодинамики. Свойства веществ вблизи абсолютного нуля температуры. Определение абсолютного значения энтропии и констант равновесия с помощью калорических данных.

9.6. Анализ равновесных химических превращений.

Определение состава равновесной смеси с помощью характеристик степени полноты реакции (мера реакции, степень превращения, степень диссоциации). Влияние давления и объема на степень диссоциации. Тепловой эффект неполной реакции при неизотермных условиях. Равновесная адиабатная температура сгорания. Расчеты с помощью таблиц стандартных величин и таблиц полных энтальпий и энтропий.
Практические занятия – 17 часов


№№ упражнений

Наименование

1

Параметры и уравнения состояния

2

Теплоемкости

3

Аналитический расчет газовых процессов

4

Графический расчет газовых процессов

5

Дифференциальные уравнения термодинамики

6


Расчет паровых процессов с помощью таблиц

7

Расчет паровых процессов с помощью h-s диаграммы

8

Тепловые эффекты химических реакций

9

Химическое равновесие и сродство


Лабораторные работы – 17 часов


№№ работ

Наименование

1

Исследование работы теплового двигателя

2

Определение теплоемкости газов

3

Исследование процессов во влажном воздухе

4

Определение теплового эффекта сгорания

5

Истечение газов


Самостоятельная работа –34 часа
1.Теоретическая проработка отдельных тем дисциплины, отнесенных для самостоятельного изучения (газовые смеси, сжатие газов в компрессоре, циклы тепловых машин, влажный воздух. фазовое равновесие).

2. Контрольная работа

- по первой части курса (аппарат термодинамики)

- по второй части курса (приложение аппарата)

3. Подготовка к семинарским занятиям

4. Подготовка к выполнению лабораторных работ

5. Подготовка к контрольным работам и экзамену

6.Подготовка к выполнению домашних заданий

№№ заданий


Наименование заданий

1

Расчет параметров газовой смеси

2

Расчет газового цикла

3

Расчет парового цикла

4

Расчет сопла Лаваля

5

Равновесный состав химически реагирующей смеси с применением ЭВМ


УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература


  1. Исаев С.И. Учебник для ВУЗов 3-е изд. М. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000г.

  2. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов /под ред. В.И.Крутова 3-е изд. М. Высшая школа. 1991г.

  3. Задачник по технической термодинамики и теории теплообмена. Учебное пособие для ВУЗов /под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого. М. Высшая школа, 1986г.

  4. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие для ВУЗов /под ред.В.И.Крутова и Е.В.Шишова. М. Высшая школа. 1988г.


Дополнительная литература


  1. 1.Гухман А.А. Об основаниях термодинамики. М. Энергоатомиздат, 1986г.

  2. Базаров И.П. Термодинамика. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М. Высшая школа. 1983г.



Программу составил

к.т.н., проф. каф. Э-6 Исаев С.И.

“______”__________г.
Зав.кафедрой Э-6 Хвесюк В.И.

д.т.н., проф. каф. Э-6 “______”__________г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели” Э3
Зав. кафедрой Э3

к.т.н., доцент Осипов М.И.

“______”__________г.

Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та “Э”
Председатель методической комиссии

д.т.н., проф. Пластинин П.И.

“______”__________г.


Руководитель НУК “Э” (декан)

к.т.н., доцент Суровцев И.Г.

“______”__________г.

Начальник методического

отдела Васильев Н.В.

к.т.н., доцент “______”__________г.