ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебное пособие к практическим занятиям
для студентов специальности 270109
«Теплогазоснабжение и вентиляция»
Одобрено методическим советом университета
УДК 697.9:725
В29
Техническая термодинамика: учебное пособие
/ сост. А.С. Штым - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. - 122 с.
Учебное пособие к практическим занятиям по курсу Техническая термодинамика» предназначено для студентов специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция», обучающихся по программам бакалавра, специалиста и магистра. Специфичность учебного пособия отразилась на его содержании. Значительно расширены главы, трактующие вопросы, которые имеют большое значение в теплогазоснабжении, газоснабжении и вентиляции. Приведены разделы, которые расширяют и повышают уровень знаний по термодинамике и в смежных областях: круговые циклы, холодильные машины, первые и второй законы термодинамики и их приложения. В данном пособии имеются контрольные работы по темам и контрольные квалификационные задания по дисциплине «термодинамика», что позволяет проводить обучение по индивидуальным планам студентов и расширяется возможность индивидуального обучения.
Отпечатано с оригинал – макета, подготовленного авторами
© ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2009
Общие указания
Учебное пособие по курсу «Техническая термодинамика» включает задачи по основным разделам технической термодинамики, контрольные работы, тесты, контрольные вопросы, приложение.
Каждый раздел имеет теоретическую часть, дающую определение основных понятий, формулы, пояснения к ним и задачи. Часть задач дана с подробными решениями, по всем остальным задачам приведены ответы.
Все физические величины даны в системе единиц СИ и в единицах, допускаемых к применению наравне с единицами СИ.
При решении задач следует использовать учебную, справочную и нормативную литературу, рекомендуемую преподавателем.
Содержание
1.Параметры состояния рабочего тела. 5
2. Идеальные газы и основные газовые законы. 11
3. Газовые смеси. 19
4. Теплоемкость газов. 24
5. Первый закон термодинамики. 31
6. Круговые процессы.. 38
7. Основные газовые процессы. Изохорный процесс. 41
8. Изобарный процесс. 44
9. Изотермический процесс. 49
10. Адиабатный процесс. 52
11. Политропный процесс. 56
12. Циклы холодильных установок. 62
13. Второй закон термодинамики. 69
14. Влажный воздух. 75
Контрольные работы по темам. Ошибка! Закладка не определена.
Контрольные квалификационные задания по дисциплине «Термодинамика» Ошибка! Закладка не определена.
Приложение. 85
Литература. 101
Параметры состояния рабочего тела.
Величины, характеризующие тело в данном состоянии, называют параметрами состояния. Чаще всего состояние рабочего тела определяется следующими параметрами: удельным объемом, давлением и температурой.
1. Удельный объем тела (v) представляет объем единицы его массы. В технической термодинамике за единицу массы принимают килограмм (кг), за единицу объема – кубический метр (м3). Следовательно, удельный объем равен объему в кубических метрах одного килограмма вещества:
м3/кг (1.1)
Величина, обратная удельному объему:
кг/м3 (1.2)
представляет массу единицы объема и называется плотностью.
2. Давление в международной системе единиц (СИ) измеряют в паскалях. Паскаль (Па) – давление, вызываемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м2. Во всех термодинамических уравнениях пользуются для измерения давления Па=Н/м2, поэтому в формулы следует подставлять числовые значения давления только в этих единицах измерения. Для практических целей давление удобнее измерять в килопаскалях (кПа) и мегапасклях (МПа).
1кПа=103 Па=103 Н/м2; 1МПа=106Па=106Н/м2
В табл. 1.1 приводятся соотношения между единицами измерения давления технической системы и единицами системы СИ. Коэффициенты пересчета, приведенные в табл. 1.1, даны с большой точностью.
Для измерения давления используют барометры, манометры и вакуумметры. Барометрами измеряют атмосферное давление, манометры служат для измерения давления выше атмосферного. В термодинамике параметром состояния рабочего тела является только абсолютное давление. Абсолютное давление определяется из соотношения:
Рабс=Рман+В (1.3)
где В – атмосферное (барометрическое) давление, Па. Вакуумметры служат для измерения давления ниже атмосферного. Абсолютное давление в этом случае находят из равенства:
Рабс=В - Рвак (1.4)
Табл. 1.1
Соотношения между единицами давления
| Единицы измерений | Па | бар | мм.рт.ст. |
| Паскаль | 10-5 | 7,5024 ∙ 10-3 | |
| Бар | 105 | 7,5024 ∙ 102 | |
| Миллиметр ртутного столба | 133,322 | 1,33322 ∙ 10-3 | |
| Миллиметр водяного столба | 9,8067 | 9,8067 ∙ 10-5 | 7,35 ∙ 10-2 |
| Килограмм – сила на квадратный сантиметр | 9,8067 ∙ 104 | 9,8067 | 7,35 ∙ 102 |
| Фунт – сила на квадратный дюйм | 6,8948 ∙ 103 | 6,8948 ∙ 10-2 | 52,2 |
| Единицы измерений | Па | кгс/см2 | Lbf/in2 |
| Паскаль | 0,102 | 1,02 ∙ 10-5 | 1,45 ∙ 10-4 |
| Бар | 1,02 ∙ 104 | 1,02 | 14,5 |
| Миллиметр ртутного столба | 13,6 | 1,36 ∙ 10-3 | 1,934 ∙ 10-2 |
| Миллиметр водяного столба | 10-4 | 1,422 ∙ 10-3 | |
| Килограмм – сила на квадратный сантиметр | 104 | 14,223 | |
| Фунт – сила на квадратный дюйм | 7,0307 ∙ 102 | 7,0307 ∙ 10-2 |
Величина поправки на 1000 мм. рт. ст. для различных температур указана ниже.
| Температура столба ртути | |||||||
| Поправка на 1000 мм | 0,0 | 0,87 | 1,73 | 2,59 | 3,45 | 4,31 | 5,17 |
При температуре ртути выше 0 0Суказанную поправку нужно вычитать из показаний прибора; при температурах ниже 0 0С данную поправку нужно прибавлять к показаниям прибора. Приведение показаний ртутного барометра к 0 0 С также легко получить из следующего соотношения:
В0=В(1 - 0,000172 t), (1.5)
где В0 – барометрическое давление, приведенное к 0 0С;
В – действительное давление при температуре воздуха t 0С;
0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.
3. Температура характеризует степень нагретости тела. Единицей термодинамической температуры является Кельвин (К) и обозначается - Т.
Термодинамическая температура также может быть выражена в градусах Цельсия (0С); она обозначается символом t. Температура таяния льда равна 273 К, что на 0,010 ниже температуры тройной точки воды. Поэтому температура в градусах Цельсия определяется выражением:
t = Т – Т0, О С
где Т – абсолютная температура, выраженная в кельвинах; Т0 =273,15К.
Цена деления стоградусной шкалы Цельсия равна цене деления абсолютной шкалы Кельвина.
В США и Англии для измерения температуры применяют шкалу Фаренгейта. На этой шкале (0F) температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 320 и 2120. для перевода показаний этой шкалы в 0С и обратно служат соотношения:
t 0С=5/9(t 0F - 320); (1.6)
t 0F=9/5∙t 0С+320; (1.7)
Задачи
1.1. Масса 2 м3 метана при определенных условиях составляет 1.4 кг. Определить плотность и удельный объем метана при этих условиях.
Ответ: r=0.7 кг/м3; v=1.429 м3/кг.
1.2. Плотность воздуха при определенных условиях равна 1.293 кг/м3. Определить удельный объем воздуха при этих условиях.
Ответ: v=0.773 м3.
1.3. В сосуде объемом 0.9 м3 находится 1.5 кг окиси углерода. Определить удельный объем и плотность окиси углерода при указанных условиях.
Ответ: v=0.6 м3/кг; r=1.67 кг/м3.
1.4. Давление воздуха по ртутному барометру равно 770 мм рт. ст. при 0 0С.Выразить это давление в паскалях.
Ответ: р=102660 Па=102.7 кПа.
1.5. Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает р=0.13МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В=680 мм рт. ст. (90660 Па) при t=25 0С.
Решение:
По формуле Рабс=Рман+В.
Показание барометра получено при температуре ртути t=25 0C.
Чтобы исключить погрешность ртутного барометра воспользуемся уравнением:
В0=В(1-0.000172t)=90660∙0.9957=90270 Па
Тогда абсолютное давление пара в котле
Рабс=0.13+0.09=0.22МПа.
Ответ: Рабс=0.22МПа
1.6. Определить абсолютное давление в паровом котле, если манометр показывает 0.245 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В=93325 Па (700мм рт.ст.) при t=20 0C.
Ответ:р=0.338 МПа.
1.7. Давление в паровом котле р=0.04 МПа при барометрическом давлении В01= 96660 Па(725 мм рт. ст.).Чему будет равно избыточное давление в котле, если показание барометра повысится до В02=104660 Па(785 мм рт. ст.), а состояние пара в котле (Рабс) останется прежним?
Барометрическое давление приведено к 0 0С.
Решение:
Абсолютное давление в котле
Рабс=40000+96660=136660 Па.
Избыточное давление при показании барометра В02=104660 Па. Следовательно, Ризб=136660-104660=0.032 МПа.
1.8. Ртутный вакууметр, присоединенный к сосуду показывает разрежение Рвак=56 кПа (420 мм рт.ст.) при температуре ртути в вакууметре t=20 0С. Давление атмосферы по ртутному барометру В=102.4 кПа (768 мм рт. ст.) при температуре ртути t=180C. 
Определить абсолютное давление в сосуде.
Рис. 1.1
Решение:
На основании формулы(1.5) получаем, что разрежение в сосуде, приведенное к 00С,
Рвак0 =56(1-0.000172∙20)=56∙0.99656=55.8 кПа=418.5 мм рт.ст.,
а барометрическое давление, приведенное к 0 0С,
В0=102,4(1-0.000172∙18)=102.4∙0.9969=102.1 кПа (765.6 мм рт. ст.).
Абсолютное давление в сосуде по формуле (1.4)
Рабс =102.1-55.8=46.3 кПа.
Ответ: Рабс =46300 Па
1.9. Присоединенный к газоходу парового котла тягомер показывает разряжение, равное 780 Па (80 мм вод. ст.).Определить абсолютное давление дымовых газов, если показание барометра В=102658 Па(770 мм рт.ст.) при t=00C.
Ответ: Рабс =101870 Па (764.1 мм рт. ст.).
1.10. Тягомер показывает разрежение в газоходе, равное 412 Па(42 мм вод. ст.).Атмосферное давление по ртутному барометру В=100925 Па (757 мм рт. ст.) при t=00С.Определить абсолютное давление дымовых газов.
Ответ: Рабс =100250 Па (751.96 мм рт.ст.).
1.11. Температура пара, выходящего из перегревателя парового котла, равна 950 0F.Перевести эту температуру в 0С.
Ответ: t=510 0C.
1.12. Скольким градусам шкалы Цельсия соответствуют температуры 100 0F и -4 0F и скольким градусам шкалы Фаренгейта соответствуют температуры 600 0С и -5 0С?
Ответ: 100 0F=37.8 0C; -4 0F=-20 0C; 600 0C=1112 0F; -5 0C=+23 0F.
1.13. Водяной пар перегрет на 45 0С.Чему соответствует этот перегрев по термометру Фаренгейта?
Решение:
При переводе разности температур, выраженной градусами шкалы Цельсия, в градусы Фаренгейта и наоборот надо исходить только из цены деления того и другого термометров. Поэтому формулы (1.6) и (1.7) принимают следующий вид;
Dt 0C=5/9 Dt 0F; Dt 0F=9/5 Dt 0C
Следовательно, для нашего случая
Dt 0F=9/5Dt 0C=9/5∙45=81 0F.
Ответ: перегрев пара Dt 0F=81 0F.