книги из ГПНТБ / Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие
.pdfТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
ВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ БРОНЕТАНКОВЫХ ВОЙСК
ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА МАЛИНОВСКОГО Р. Я.
Кафедра двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
Под редакцией кандидата технических наук доцента М. И. ЛЯХОВА
Утверждено
вкачестве учебного пособия начальником академии
ИЗДАНИЕ АКАДЕМИИ
МОСКВА |
1973 |
¥ i f - 9 f $1
В настоящем пособии рассматриваются основные принципы термодинамики в применении к теории поршневых и газотурбинных двигателей. В него включены необходимые сведения о газах и газо вых смесях, методах определения термохимических характеристик топлив, горючих смесей и продуктов сгорания, основные законы термодинамики и применение их к изучению процессов и циклов теп ловых машин. Рассматриваются также основные положения о зако номерностях одномерных газовых течений и применение их к процес сам в лопаточных машинах, соплах, диффузорах и т. д.
Пособие предназначено для слушателей академии при изучении ими курса «Термодинамические основы теории тепловых машин».
В написании пособия принимали участие: кандидат технических наук доцент Н. И. Взоров (главы II, VII, § 1—3 главы VIII), канди дат технических наук И. Е. Иванов (глава I), кандидат технических наук доцент А. Г. Кокин (главы IV, V ), кандидат технических наук доцент М. И. Ляхов (введение, главы III, VI, § 4 главы VIII).
Рецензирование пособия выполнено доктором физико-математи ческих наук профессором Г. Ю. Степановым.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Коммунистическая партия Советского Союза поставила перед ■советским народом исторические задачи по дальнейшему развитию народного хозяйства, построению фундамента коммунистического общества и укреплению обороноспособности нашей страны.
Исключительно важная роль в решении этих задач принадле жит энергетике и, в частности, теплотехнике, теоретической основой
которой наряду с другими дисциплинами |
является термодинамика. |
||
Первостепенная задача современной теплотехники заключается |
|||
в совершенствовании тепловых двигателей, т. |
е. в повышении их |
||
габаритно-весовых и экономических показателей. |
|||
Инженеры-танкисты должны ясно понимать не только принци |
|||
пиально возможные пути |
совершенствования |
силовых установок, |
|
а и влияние их основных |
параметров на |
боевую эффективность |
|
■объектов бронетанковой техники.
Изучение слушателями термодинамических основ теории тепло вых машин является необходимой базой для последующего освое ния ими специально-технических дисциплин.
Авторы учебного пособия стремились к краткости изложения ма териала и увязке его с другими дисциплинами и прежде всего с теорией силовых установок. Чтобы привить слушателям навыки в решении конкретных технических задач (преимущественно из обла сти бронетанковой техники), в конце отдельных глав приведены ти- -повые примеры расчета с указанием методики их выполнения.
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамика — наука о закономерностях превращения теп ловой энергии.
Термодинамика как наука стала развиваться в начале XIX в. в связи с изучением и теоретическим обоснованием тепловых про цессов в паровых машинах.
Поскольку энергетические превращения сопутствуют любому изменению формы движения материи, то область применения мето дов термодинамических исследований весьма обширна.
В отличие от многих областей физики и химии термодинамика непосредственно не связана с представлением о строении вещества, а рассматривает различные явления с помощью специального ма тематического аппарата и опирается на три основных закона.
Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии и является частным слу чаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии приме нительно к тепловым процессам. На основании этого закона запа сы и потоки различных видов энергии выражают соответствующи ми эквивалентными величинами.
Второй закон термодинамики устанавливает качественную сто рону различных процессов, т. е. определяет возможность и направ ление их осуществления. В математическом выражении второго за кона термодинамики используют функцию состояния — энтропию.
Третий закон термодинамики имеет частный характер: он утвер ждает недостижимость абсолютного нуля температуры и позволяет однозначно определить величину энтропии.
Термодинамику принято разделять на общую, техническую и хи мическую.
Вобщей термодинамике излагаются основные законы термоди намики и непосредственно вытекающие из них следствия примени тельно к исследованию любых физических явлений.
Втехнической термодинамике рассматриваются процессы вза имного превращения тепловой и механической энергии в тепловых
машинах и определяются наивыгоднейшие условия для осущест вления этих процессов. Техническая термодинамика является тео-
4
ретической базой ряда специальных дисциплин: теории двигателей внутреннего сгорания, теории паровых турбин, компрессоров и хо лодильных установок.
В химической термодинамике изучаются превращения тепловой энергии, связанные с химическими реакциями и агрегатными пре вращениями.
Существенный вклад в развитие термодинамики внесли русские ученые. Среди них следует отметить прежде всего М. В. Ломоносо ва, который не только впервые правильно определил сущность теп лоты как внутреннего движения материи, но и сформулировал ряд положений, ставших базой основных законов термодинамики.
Среди ученых, внесших вклад в развитие термодинамики, вид ное место занимают представители русской школы: Д. И. Менде леев, Г. Г. Гесс, Н. Н. Шиллер, Н. Н. Пирогов, Л. К. Попов, И. А. Вышнеградский, А. Г. Столетов, а также основоположники тепло энергетических исследований — В. И. Гриневецкий, Н. И. Мерцалов, Л. К. Рамзии, Б. М. Ошурков и др.
Среди работ зарубежных ученых следует прежде всего отметить
работы |
французов Сади Карно, Клапейрона, представителей не |
мецкой |
школы — Майера, Клаузиуса, Гельмгольца, английской |
школы — Джоуля, Томсона и др.
В Советском Союзе большие теоретические и эксперименталь ные исследования в области термодинамики проводились во Все союзном теплотехническом институте имени Ф. Э. Дзержинского, Центральном котлотурбинном институте имени И. И. Ползунова, 'Энергетическом институте имени Г. М. Кржижановского АН СССР, Московском энергетическом институте и др.
В исследовании теплофизических свойств рабочих тел большая заслуга принадлежит профессорам М. П. Вукаловичу, В. А. Кирил лину, И. И. Новикову, Д. А. Тимроту и Н. Б. Варгафтику.
Успехи в развитии термодинамики и теплопередачи сыграли исключительную роль в развитии теплотехники. Так, уже в начале этого столетия появились совершенные холодильные установки, мощные двигатели внутреннего сгорания, паровые котлы и паровые турбины.
Развитие термодинамики в немалой степени способствовало раз витию ракетостроения и установок атомной энергетики.
Для исследования тепловых процессов и теплофизических свойств веществ в настоящее время разрабатываются новые мето ды термодинамических исследований.
Г л а в а I
ПАРАМЕТРЫ И УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗА
§ 1. ПОНЯТИЕ ОБ ИДЕАЛЬНОМ И РЕАЛЬНОМ ГАЗАХ
Все вещества могут находиться в любом из трех различных со стояний: твердом, жидком и газообразном Г Каждому из этих со стояний соответствуют различные расстояния, а следовательно, н силы взаимодействия между молекулами.
Втвердых телах молекулы наиболее сближены и силы взаимно го притяжения удерживают молекулы в средних положениях, око ло которых они совершают колебательные движения.
Втелах, перешедших в жидкое состояние, расстояния между молекулами увеличиваются, а силы притяжения уменьшаются. Дви жение молекул становится поступательным, но ограниченным ввиду еще малых расстояний между ними.
При переходе в газообразное состояние объем вещества значи тельно увеличивается вследствие существенного увеличения рас стояний между молекулами. Силы межмолекулярного притяжения в этом случае настолько уменьшаются, что перестают оказывать решающее воздействие на движение молекул. Это движение стано вится хаотическим, что обусловлено частыми столкновениями мо лекул друг с другом и отталкиванием их по закону удара абсолют но упругих шаров.
Хаотическое движение молекул называют тепловым движением, так как оно составляет сущность тепловой энергии и характер его зависит от теплового состояния вещества.
Следствием хаотического движения громадного количества мо лекул, при котором ни одно направление не оказывается преиму щественным, являются два наиболее характерных свойства газа: газ равномерно заполняет весь предоставленный ему объем и ока-
1 Ионизированный газ, именуемый плазмой, иногда называют четвертым со стоянием вещества.
6