Общая характеристика, цели и задачи дисциплины.
Дисциплина входит в цикл "Общепрофессиональные дисциплины".
Программа дисциплины составлена с учётом квалификационной характеристики и учебного плана специальности, фонда времени и графика выполнения внеаудиторных самостоятельных работ по дисциплине.
Учебный план по специальности 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство” (заочная форма обучения на базе среднего образования), утверждённый ректором КамПИ Хайруллиным А.Х. предусматривает следующий график учебного процесса.
Лекции – 8 часов, из них: установочные – 2 часа
обзорные – 6 часов.
Лабораторные занятия – 2 часа.
Практические (семинарские) занятия – нет.
Самостоятельная работа – 92 часа, в том числе:
реферат – нет
контрольная работа – 6 семестр
курсовая работа (проект) – нет.
Всего часов – 100.
Итоговый контроль – защита контрольной работы, зачёт.
Предметом изучения курса "Теплотехника" являются фундаментальные законы природы о превращениях энергии в различных процессах и повышение эффективности работы машин и аппаратов, в которых используются эти процессы. Вопросы, рассматриваемые в курсе, являются основой для расчёта и проектирования двигателей и теплоэнергетических машин и установок различного назначения. Целью дисциплины является привитие студентам умения и навыков, необходимых при выполнении термодинамических и тепломассообменных расчётов и для эффективного изучения материала последующих профилирующих дисциплин. Для достижения поставленной в курсе цели студент должен знать:
- основные принципы оценки эффективности работы энергетических установок, базирующихся на фундаментальных законах термодинамики и тепломассопереноса;
- принципы математического и физического моделирования тепловых процессов.
Студент должен уметь:
- сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с расчётом и проектированием энергетических установок различного назначения;
- оценить эффективность работы различных энергетических установок и приборов.
Материал дисциплины опирается на знания студентов, предварительно полученные при изучении математики, физики, химии, алгоритмических языков и программирования.
В процессе преподавания дисциплины должны быть использованы технические средства обучения, ЭВМ, а также комплекс учебно-лабораторных установок, обеспечивающих экспериментальную проверку достоверности изучаемых законов и процессов.
Необходимым условием успешного овладения материалом дисциплины является применение активных форм обучения, включающее проведение лабораторных занятий, выполнение контрольной работы, самостоятельную работу.
Лабораторные работы должны обеспечить изучение студентами основных теплофизических методов измерения, навыков испытаний и эксплуатации установок, прививать навыки к научным исследованиям.
Текущий контроль качества освоения материала осуществляется путём индивидуального собеседования преподавателя со студентами перед проведением лабораторных работ и при приёме контрольной работы.
Содержание дисциплины.
2.1. Введение [1, стр. 5-9], [2, стр. 3-7], [3, стр. 15-18]
Определение термодинамики как научной дисциплины. Термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики в развитии производительных сил.
Характеристика особенностей термодинамического метода: использование фундаментальных законов природы, макроскопическое описание явлений, пределы применимости метода.
Краткие исторические сведения о развитии термодинамики. Роль русских учёных в развитии термодинамики и теплоэнергетики.
2.2. Основные законы термодинамики [1, стр. 25-31, 40-102], [2, стр. 7-71], [3, стр. 18-62]
Виды энергии и формы обмена энергией. Термодинамическая система, окружающая среда и взаимодействия между ними. Состояние термодинамической системы, параметры и уравнение состояния. Внутренняя энергия. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы.
Первый закон термодинамики как форма закона сохранения и превращения энергии. Работа и теплота как формы обмена энергией. Выражение количества работы и теплоты в равновесных процессах через параметры системы и их изменения в бесконечно малых и конечных процессах. Понятие о термодинамических координатах и потенциалах взаимодействия. Энтропия как термическая координата состояния. Основное термодинамическое равенство для равновесных процессов. Уравнения первого закона термодинамики для закрытых и открытых систем. Энтальпия (работа проталкивания, техническая работа, располагаемая работа).
Второй закон термодинамики (сущность и значение). Термодинамическая обратимость и необратимость. Изменение энтропии в необратимых процессах. Т/д неравенство. Т/д анализ круговых процессов (циклов). Условия взаимного превращения теплоты и работы в прямых и обратимых т/д циклах. Термический коэффициент прямого и холодильный коэффициент обратного циклов. Цикл Карно. Формулировки второго закона термодинамики. Понятие о вероятности термодинамического состояния и связь вероятности состояния с энтропией. Энтропийная S-T диаграмма.
Влияние необратимости на эффективность термодинамических циклов. Характеристические термодинамические функции. Дифференциальные уравнения для внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Дифференциальные уравнения для удельных теплоёмкостей Cp и Cv.
Термодинамическое равновесие. Принцип минимальности характеристических функций. Связь принципа минимальности с принципом возрастания энтропии в неравновесных процессах. Фазовая P-T диаграмма. Фазовые переходы I и II родов.
2.3. Применение основных законов термодинамики к идеальным газам [1, стр. 31-63], [2, стр. 71-89], [3, стр. 63-75]
Термодинамические характеристики идеального газа. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия идеального газа. Истинная и средняя теплоёмкость газов. Зависимость теплоёмкости от характеристик термодинамического процесса. Мольная, массовая и объёмная удельные теплоёмкости. Зависимость между ними. Изохорная и изобарная теплоёмкости. Отношение теплоёмкостей. Зависимость теплоёмкости от температуры. Средняя теплоёмкость. Использование данных о теплоёмкости для установления эмпирических уравнений состояния.
Смеси идеальных газов. Состав газовой смеси. Газовая постоянная и уравнение состояния смеси. Средняя молярная масса смеси. Теплоёмкости газовых смесей.
Основные термодинамические процессы идеальных газов. Задачи их изучения. Изохорный, изотермический, изобарный, адиабатный процессы. Политропный процесс.
2.4. Применение основных законов термодинамики к реальным рабочим телам и газам [1, стр. 103-141], [2, стр. 89-153], [3, стр. 75-89, 105-138]
Реальные газы. Качественные особенности реальных газов. Уравнения состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса и в вариальной форме.
Водяной пар. Процесс парообразования (в P-V и T-S диаграммах). Термодинамические свойства поверхности раздела фаз. Параметры воды, влажного, сухого и перегретого пара (характерные состояния пара), S-I диаграмма. Процессы изменения состояния пара (расчёт с помощью таблиц и S-I диаграмм).
Уравнение I закона термодинамики для потока и его анализ.
Термодинамика одномерного потока. Основные уравнения. Адиабатное течение (истечение) газа. Связь скорости потока с энтальпией, температурой и давлением в потоке. Параметры торможения. Критический перепад давления, переход через скорость звука. Сопло Лаваля. Скачки уплотнения. Исследование процессов течения газов и паров с помощью энтропийных диаграмм (скорость и секундный расход газа).
Процесс дросселирования. Дифференциальный и интегральный дроссель-эффект. Сущность эффекта Джоуль-Томсона. Расчёт процессов дросселирования водяного пара по S-I диаграмме.
2.5. Циклы тепловых машин и теплоэнергетических установок [1, стр. 142-184], [2, стр. 148-190], [3, стр. 138-232]
Термодинамический анализ работы поршневых компрессоров. Работа привода компрессора. Индикаторная диаграмма. Многоступенчатый компрессор. Изображение рабочих процессов компрессора в энтропийных и P-V диаграммах. Понятие о работе центробежных и осевых компрессоров. Детайдеры. Процессы в детайдерах.
Циклы двигателей с газообразным рабочим телом. Обобщённый термодинамический цикл тепловых двигателей. Циклы двигателей внутреннего сгорания. Влияние параметров циклов на их термический к.п.д. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Сравнительный анализ циклов тепловых двигателей.
Циклы паросиловых установок. Цикл Рейкина. Регенеративные циклы. Бинарные циклы. Влияние давления и прогрева пара на термический к.п.д. Циклы атомных энергетических установок. Понятие о теплофикационном цикле и цикле МГД установки.
Циклы холодильных машин. Циклы воздушной и паровой компрессорных холодильных установок. Показатели эффективности (обратных) холодильных циклов. Тепловые насосы. Получение сжиженных газов. Общие принципы и способы получения сверхнизких температур. Принцип недостижимости абсолютного нуля.
Лабораторные работы.
| № | Тема |
| Исследование теплоотдачи вертикальной трубы при свободной конвекции воздуха (2 часа) |
Список учебной литературы.
Основная литература:
1. Болгарский А.В. и др. Термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа,1975.
2. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. Учеб. пособие для втузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2001.
3. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. Теплотехника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2002.
Дополнительная литература:
1. Исаченко В.П. и др. Теплопередача: учебник для вузов. – М.: ”Энергоиздат”, 1981.