РАЗДЕЛ 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА.
ВВЕДЕНИЕ
При изучении введения необходимо уделить внимание работам отечественных ученых и инженеров по разработке теоретических проблем, связанных с данной отраслью науки и созданию наиболее экономичных и перспективных типов и конструкций тепловых машин и агрегатов.
Особое внимание следует обратить на основные тенденции в развитии теплоэнергетического и теплового хозяйства отрасли.
Тема 4.1.Техническая термодинамика.
Изучение законов взаимного превращения теплоты и работы и установ-ление эффективных способов осуществления этого превращения – одна из наиболее важных задач раздела «Техническая термодинамика». В основу технической термодинамики положены l и ll начала (или законы) термодинамики. Приступая к их изучению, студент должен четко представлять себе основные свойства и параметры состояния рабочих тел, используемых в тепловых машинах и знать связи между этими параметрами для идеальных газов (уравнение Клапейрона – Менделеева и его частные случаи).
В тепловых расчетах, связанных с определением количества тепла, большое значение имеет теплоемкость рабочего тела. При изучении вопроса необходимо разобраться в различии между истинной и средней теплоемкостями, а также усвоить разницу между единицами измерения массовой, объемной и мольной теплоемкостей. Необходимо понять разницу между теплоемкостью в процессах при постоянном объеме и при постоянном давлении. Задачи этого раздела можно решать, пользуясь значениями объемной, массовой и мольной теплоемкостей, взятыми из справочных таблиц.
Первый закон термодинамики является частными случаем закона сохранения и превращения энергии и имеет большое прикладное значении при решении вопросов, относящихся к анализу тепловых процессов, в первую очередь, при составлении их энергетических балансов, т.е. соотношения между теплом, механической работой и изменением внутренней и внешней энергии тела.
На основе первого и второго законов термодинамики и газовых законов техническая термодинамика рассматривает сначала обобщающий политропный процесс, а затем основные частные случаи: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы.
Изучению политропного процесса следует уделить большое внимание. Важно уяснить связь между показателем политропы и характером изменения состояния газа. Это удобно сделать путем графического анализа политропного процесса в системах координат V- p, S- T и S- i, так как в этом случае можно наглядно проследить характер процесса при изменении показателя политропы в пределах от -∞ до + ∞.
Следует уяснить, что теплоемкости газа при постоянном объеме и постоянном давлении являются частными случаями общего значения теплоемкости политропного процесса.
Изучение циклов следует начинать с цикла Карно.
Изучение обратимых и необратимых процессов, а также прямых и обратных циклов связано с общим понятием и математическим выражением второго закона термодинамики. Этот закон имеет ряд эквивалентных формулировок, которые справедливы только для изолированных систем. Само понятие об изолированных системах введено для упрощения анализа процессов.
При изучении работы теплового двигателя (прямого цикла Карно) необходимо обратить внимание на определение второго закона термодинамики, согласно которому для возможности превращения тепла в механическую работу необходимо наличие разности температур, а также на положение второго закона о невозможности полного превращения тепла в работу в непрерывно действующей тепловой машине, прямым следствием которого является понятие о термическом к.п.д. цикла. При изучении обратного цикла Карно, лежащего в основе работы холодильных машин и тепловых насосов, следует использовать положение второго закона термодинамики о невозможности передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому без совершения механической работы.
В тесной связи со вторым законом термодинамики находится понятие энтропии. Следует разобраться в математической и физической сторонах этого понятия и рассмотреть энтропийные диаграммы (S- T и S- i), имея в виду, что с помощью этих диаграмм решаются сложные задачи по расчету тепловых машин и аппаратов.
Значительное место в технической термодинамике отводится изучению свойств паров (главным образом водяного пара).
Пары могут менять свое состояние, превращаться в жидкость. При этом законы, которым они подчиняются, в области, близкой к сжижению, очень сильно отклоняются от законов идеального газа. Это исключает возможность применения законов идеальных газов для исследования паров.
Аналитическое определение параметров состояния паров затруднено тем, что зависимость между этими параметрами (уравнения состояния) получается очень сложной. Поэтому параметры состояния определяются по таблицам или диаграммам. Особенно большое значение имеет S- i диаграмма для водяного пара, которая в практике используется очень широко. Каждый студент должен уметь пользоваться этой диаграммой, т.е. определять параметры состояния рабочего тела и строить в ней основные термодинамические процессы (изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный).
В современной технике очень широко используется процесс истечения паров и газов. Работа паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и многих других машин основана на использовании кинетической энергии движущегося пара или газа. При изучении процесса истечения пара или газа необходимо четко проанализировать уравнения, определяющие скорость истечения, секундный расход и площадь сечения сопла, уяснить понятие критической скорости и соответствующих критических параметров (hкр , vкр, Iкр, tкр ), рассмотреть применение сопла Лаваля и т.д. В заключение следует рассмотреть цикл холодильных установок, которые широко используются в промышленности и сельском хозяйстве. При изучении раздела «Техническая термодинамика» от студента требуется не только понимание основных расчетных соотношений и их выводов, но и умение самостоятельно делать эти выводы, а также умение строить в координатах Vp, ST и Si основные термодинамические процессы и циклы с соответствующим их анализом физической сущности, а также запомнить структуру основных критериальных уравнений конвективного теплообмена : уравнения типа Nu= ��( Re, Pr ) и Nu= φ(Gr, Pr ) . Запоминать конкретные эмпирические уравнения не нужно, однако, необходимо на основе анализа этих уравнений уметь объяснять механизм теплообмена в различных условиях. При изучении раздела «Техническая термодинамика» от студента требуется не только понимание основных расчетных соотношений и их выводов, но и умение самостоятельно делать эти выводы, а также умение строить в координатах V- p, S -T и S- i основные термодинамические процессы и циклы с соответствующим их анализом.
|
