Гоу впо вологодская государственная

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ГОУ ВПО Вологодская государственная

Молочно -хозяйственная академия им. Н.В.Верещагина

инженерный факультет

Кафедра тракторов, автомобилей

и теплотехники

ТЕПЛОТЕХНИКА

.

Методические указания и задания к

выполнению КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

для студентов инженерного факультета по

с п е ц и а л ь н о с т я м 110301 и 110304

г.Вологда-Молочное

2011 г.

УДК 62.112.9

ББК 31.36

Авторы: доцент Зефиров И.В., старший преподаватель Шевкопляс Л.А., старший преподаватель Ножнин С.Р., старший преподаватель Бирюков А.Л.

Рецензенты: Зав. кафедрой теоретической механики профессор Туваев В.Н.,

Теплотехника. Методические указания/ Сост. Зефиров И.В.,

Шевкопляс Л.А., Ножнин С.Р., Бирюков А.Л.

Вологда-молочное: ИЦ ВГМХА, 2011- с

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по теплотехнике для студентов инженерного факультета составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования от 2000г и УМК по дисциплине для специальностей 110301 ";Механизация сельского хозяйства";, и 110304 ";Технология ремонта и обслуживания машин в АПК";

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по теплотехнике для студентов инженерного факультета рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства (протокол № __ от ___________2011года)

УДК 62.112.9

ББК 31.36

Зефиров И.В.

Шевкопляс Л.А.

Ножнин С.Р.

Бирюков А.Л.

Оформление ИЦ ВГМХА

Таблица вариантов контрольных заданий.

ВВЕДЕНИЕ

Студент-заочник, руководствуясь программой курса и методическими ука­заниями к ней, самостоятельно изучает материал учебника и учебных посо­бий и выполняет письменные контрольные работы. Со всеми непонятными во­просами нужно обращаться за консультацией на кафедру. В пе­риод экзаменационной сессии по наиболее сложным вопросам преподаватели читают лекции.

Курс теплотехники рекомендуется изучать в указан­ной последовательности. Следует иметь в виду, что математические приемы, применяемые в курсе, должны помогать глубокому пониманию разбираемых явлений и процессов, но ни в коем случае не заслонять собой их физической сущности.

При изучении теоретического материала, как и при решении задач, необ­ходимо обращать внимание на единицы измерения величин, с которыми производятся математические операции. Следует помнить, что проверка единиц в процессе математических выкладок помогает не допускать ошибки. Единицы измерения отражают физический смысл величины.

Критерием усвоения темы после изучения теоретического материала является Умение решать задачи и дать правильные ответы на вопросы для само­проверки.

Для лучшего усвоения материала курса рекомендуется составлять кон­спект (реферат) по каждой теме.

Обязательный элемент изучения курса теплотехники — посещение лекций и выполнение студен­том лабораторно-практических заданий под руководством преподавателей.

Цель лабораторно-практических занятий — более прочное и глубокое ус­воение студентами теоретических положений курса, а также приобретение ими расчетных и экспериментальных навыков.

К сдаче экзамена допускают студентов, успешно выполнивших контроль­ные работы и требуемый объем лабораторных работ.

ЛИТЕРАТУРА Основная

1) Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980.

2) Щукин А. А., Сушкин И. Н., Бахмачевский В. И., Лызо Г. П. Тепло­техника. М., 1973.

3) Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче / Под ред. Б. Н. Юдаева. М., 1968.

4) Краснощеков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. М., 1975.

5) Панкратов Г. П. Сборник задач по общей теплотехнике. М., 1977.

ПРОГРАММА,МЕТОДИЧЕСКИЕУКАЗАНИЯ КИЗУЧЕНИЮТЕМКУРСА ИВОПРОСЫДЛЯСАМОПРОВЕРКИ

Методические указания

Теплотехника — общетехническая дисциплина, предмет изучения которой способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а так­же принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенерато­ров, тепловых и холодильных машин, аппаратов и устройств.

Теоретическими основами теплотехники являются техническая термодина­мика и теория тепло- и массообмена.

Теплотехническая подготовка студентов инженерных специальностей имеет ряд особенностей, которые обусловлены характером их будущей прак­тической деятельности. Большинство технологических процессов, применяемых на предприятиях отрасли, протекает с выделением или поглощением теплоты, а также с широким использованием электрической и механической энергий, которые вырабатываются в различных теплосиловых установках и тепловых двигателях.

Инженер в своей практической деятельности имеет дело с раз­личными тепловыми процессами и с их конструктивным оформлением в виде теплотехнического оборудования, встроенного в технологические процессы. Поэтому он должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое обо­рудование, которое применяется в данной отрасли народного хозяйства, руко­водить эксплуатацией энерготехнологических систем производства, заниматься выявлением и использованием вторичных энергоресурсов и активно участво­вать в экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятии. Особую важность теплотехническая подготовка инженеров приобретает в связи с рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов нашей страны. Для этого он должен хорошо разбираться в тепловых процес­сах, конструкциях теплоэнергетических установок и способах экономного ис­пользования теплоэнергетических ресурсов в условиях предприятия. Все воз­растающее использование топливно-энергетических ресурсов в промышленности с особой остротой ставит проблему защиты окружающей среды от загрязне­ния ее продуктами сгорания топлива. Без достаточной теплотехнической под­готовки инженер не сможет принимать активное участие в эффек­тивном решении этой проблемы для конкретного предприятия, конкретного производства.

Основная задача курса теплотехники — дать необходимую квалифицированную теплотехническую подготовку будущему инженеру.

1 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1Основные понятия и определения

Программа

Предмет технической термодинамики и ее метод. Термодинамическая си­стема и ее виды. Рабочее тело и внешняя среда. Теплота и работа как формы энергетического взаимодействия внешней среды и рабочего тела. Основные параметры состояния рабочего тела. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы. Обратимый и необратимый процессы. Графическое изображение обратимых процессов в термодинамических диаграммах. Понятие о круговом обратимом процессе.

Идеальный газ. Уравнения состояния идеального газа. Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей. Определение средней молярной массы и удельной газовой постоянной смеси. Парциальные давления и объемы.

Методические указания

Техническая термодинамика — наука, изучающая взаимопревращения энергии (теп­лоты и работы) и условия, при которых эти превращения совершаются наибо­лее эффективно. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми и механи­ческими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных маши­нах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Теоретическим фундаментом, на котором ба­зируются все выводы технической термодинамики, является первый и второй законы термодинамики, представляющие собой обобщение опыта познания человеком природы. Основная особенность метода термодинамики — логически последовательное применение аналитических выражений первого и второго за­конов термодинамики совместно с уравнением состояния рабочего тела. При изучении темы студент должен внимательно разобрать такие понятия, как тер­модинамическая система, рабочее тело и внешняя среда, равновесное и нерав­новесное состояния рабочего тела, термодинамический процесс.

Необходимо усвоить определения и физическую суть таких понятий, как равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый термодинамические процессы. Понять, что равновесное состояние рабочего тела, так же как рав­новесный и обратимый процессы, является научной абстракцией, как некото­рые идеализированные модели реальных состояний и процессов. Реальные со­стояния и процессы приближаются к идеализированным при условии очень ма­лых изменений параметров состояния и когда время между последовательны­ми изменениями состояния достаточно велико. Однако именно введение этих идеализированных понятий позволило построить стройный математический ап­парат термодинамики, позволяющий получать результаты, достаточно близкие к практике.

Для усвоения последующего материала необходимо уяснить, что теплота и работа представляют собой определенные формы энергии — теп­ловую и механическую, причем работа может переходить в теплоту, а теп­лота в работу, т. е. они взаимопревращаемы.

Работа всегда полностью превращается в теплоту, в то время как пере­ход теплоты в работу имеет определенные ограничения даже в идеальном процессе. Взаимное превращение теплоты и работы в теп­ловой машине осуществляется ^с помощью рабочего тела, которое благодаря тепловому и механическому воздействию должно обладать способностью зна­чительно изменять свой объем. Поэтому в качестве рабочего тела в тепло­вых машинах используется газ или пар. Усвоить, что физическое состояние рабочего тела в термодинамике определяется тремя параметрами: абсолютным давлением р(Па),удельным объемом v(м³/кг)и абсолютной температурой Т(К).Эти три параметра называются основными и связаны между собой уравнением состоя­ния F(p,v,Т)=0. Независимые, т. е. выбираемые произвольно - два любых параметра, а третий определяют из уравнения состояния. Например, если р и v— независимые параметры, то Т=f (р,v),где f(р,v)— функция, опре­деляемая при решении уравнения состояния относительно зависимого пара­метра Т.

Для четкого понимания физической сути изучаемых закономерностей тер­модинамики и принципов работы различных теплотехнических устройств нужно овладеть принципом графического изображения любых процессов, включая круговые (т.е.циклы) в термодинамических диаграммах. Необходимо уяснить, что графически можно изображать только равновесные обратимые процессы и цик­лы, которые совершаются рабочим телом.

Во всех теплотехнических установках, в которых в качестве рабочего те­ла используют газ, он считается идеальным, т. е. газом, состоящим из моле­кул — материальных точек, не имеющих размеров и между которыми отсут­ствуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), кроме упругих соударений. Как известно из физики, такой газ подчиняется уравнению со­стояния Клапейрона, которое может быть записано для mкг газа (pV=mRT) и для 1 кг газа (pv=RT,где v= V/m— удельный объем газа, м³/кг).

Понятие идеального газа является научной абстракцией, моделью реаль­ного газа, дающей хорошую сходимость с практикой, когда состояние газа далеко от состояния сжижения и силы взаимодействия практически равны нулю, т.е. потенциальная энергия молекул намного меньше их кинетической Применение этой модели позволяет построить достаточно простые аналитические зависимости термодинамики, применение ко­торых к тепловым машинам дает, как правило, приемлемую сходимость с прак­тикой.

Для насыщенного пара, т. е. для состояния, близкого к состоянию сжи­жения, модель идеального газа неприемлема. В этом случае приходится при­менять очень сложные модели и уравнения реальных газов, в которых учи­тывают собственные размеры молекул, а также силы взаимодействия между ними.

При изучении материала необходимо разобрать получение уравнения состояния Клапейрона—Менделеева для 1 моля идеального газа. Важно понять различие между удельной газовой по­стоянной, принимающей определенное значение для каждого газа, и универ­сальной газовой постоянной, одинаковой для всех газов и равной R_m=8314 Дж/(Кмоль•К).

При изучении газовой смеси необходимо понять, что основным здесь явля­ется умение определять газовую постоянную смеси газов, заданной массовым и объемным составом. Знание газовой постоянной смеси позволяет при иссле­довании термодинамических процессов пользоваться уравнением Клапейрона так же, как и для отдельного газа.

Литература: [1], с. 5—20, 22—26, 28—32, 54—56.

Вопросыдлясамопроверки

1. Приведите определение термодинамической системы.

2. Что такое ра­бочее тело?

3. Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? почему?

4. В чем состоит энергетическое воздействие внешней среды на рабочее тело?

5. Какой процесс называют термодинамическим?

6. Ка­кие процессы называют равновесными и какие неравновесными?

7. Какие про­цессы называют обратимыми, а какие необратимыми?

8. Какая разница меж­ду разомкнутым термодинамическим процессом и круговым (циклом)?

9. Ка­кой газ называют идеальным?

10. Какие известны уравнения состояния иде­ального газа?

11. Что такое моль газа? Что называют нормальными физиче­скими условиями? 12. Какое соотношение между удельной газовой постоянной и универсальной газовой постоянной и в каких единицах их выражают?

13. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную массовыми долями?

14. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, за­данную объемными долями?

1.2Первыйзаконтермодинамики

Программа

Сущность первого закона термодинамики. Внутренняя энергия. Работа процесса. Графическое изображение работы в pv-диаграмме. Теплота процес­са. Принцип эквивалентности теплоты и работы. Аналитическое выражение и формулировка первого закона термодинамики. Энтальпия. Теплоемкость га­зов. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкость смеси идеальных газов. Применение первого закона термодинамики к идеальному газу. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и при постоянном объеме. Энтропия. Вычисление изменения энтропии идеальных газов. Диаграмма Ts.Графическое изображение теплоты в диаграмме Ts.

Методические указания

Студент должен понять особенности применения в термодинамике общего закона сохранения и превращения энергии. Энергетические изменения, проис­ходящие в термодинамической системе, определяют по изменению параметров рабочего тела, которое является объектом анализа.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики имеет две фор-

мы: и  .Следует четко разобраться в разнице понятий „работа расширения"; и „располагаемая работа"; и уметь дать геометрическую интерпретацию их в диаграмме pv.

Уяснить принципиальную разницу между внутренней энергией, однозначно определяемой данным состоянием рабочего тела, а также работой и теплотой, которые появляются лишь при наличии процесса перехода рабочего тела из одного состояния в другое и, следовательно, зависят от характера этого про­цесса. Следует понять разницу между функцией состояния и функцией про­цесса.

При изучении темы необходимо разобраться с вопросом, что внутренняя энергия

функция (параметр) состояния, которая называется энтропией. Здесь этот параметр служит лишь для упро­щения термодинамических расчетов, а главное позволяет графически изобра­зить теплоту, участвующую в процессе, в диаграмме Ts.Нужно понять, как из выражения можно установить знак теплоты, участвующей в про­цессе. Знание этого вопроса поможет при пользовании Ts-диаграммой, в которой ,т. е. площадь под кривой процесса в диаграмме Tsопределяет в масштабе количество теплоты, подведенной к рабочему телу (если ds> 0) или отведенной от него (если ds< 0).

Уяснить, почему для всех процессов, в которых рабочим телом является идеальный газ, всегда .

Литература: [1], с. 45—78.

Вопросыдлясамопроверки

1.Что такое внутренняя энергия рабочего тела?

2. Что такое теплота и работа процесса?

3. В чем сущность первого закона термодинамики?

. Что такое энтальпия и энтропия? в чем они выражаются?

. В чем разница меж­ду функцией состояния и функцией процесса?

6. Как доказать на примере иде­ального газа, что энтальпия и энтропия являются функциями состояния?

7. Как графически изобразить работу и теплоту процесса?

8. Что такое тепло­емкость? какие существуют теплоемкости?

9. В чем разница между средней и истинной теплоемкостями?

10. Как вычислить теплоемкость смеси идеальных газов?

11. Каков физический смысл удельной газовой постоянной? в чем фи­зический смысл уравнения Майера?

12. Как вычислить изменение энтропии идеального газа?

1.3Второйзаконтермодинамики

Программа

Круговые термодинамические процессы (циклы). Прямой и обратный (об­ратимый) цикл Карно. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Сущность второго закона термодинамики и его основные формулировки. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы. Максимальная работа и понятие об эксергии.

Методические указания

Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе. Поэтому следует тща­тельно изучить все вопросы, относящиеся к циклам, особенно к циклу Карно, который имеет большое значение в термодинамике, так как с его помощью выводят все аналитические зависимости, относящиеся ко второму закону тер­модинамики, а формула для к. п. д. этого цикла, по существу, является ";техни­ческим выражением существа второго закона термодинамики в применении к тепловым машинам.

Обратимый цикл Карно при выбранных температурах Т_mах горячего ис­точника теплоты и T_mhnхолодильника имеет наивысший термический к. п. д. среди любых других обратимых циклов.

Первый закон термодинамики не устанавливает условий, при которых теп­лота в машине превращается в работу. Это легко уяснить из следующих рас­суждений.

Если применить уравнение первого закона термодинамики к циклу и про­интегрировать его по замкнутому контуру цикла, то получим

поскольку и— функция состояния. Отсюда вытекает, что теплота, подведен­ная к рабочему телу в цикле (#_ц), равна работе, полученной в результате совершения цикла (/_ц). Последнее может привести к неверному выводу о пол­ном превращении теплоты в работу цикла, что равносильно возможности соз­дания вечного двигателя второго рода. Это противоречие легко устранить с помощью понятия энтропии, как функции состояния. Проинтегрировав выражение по замкнутому контуру цикла, получим , так как S— функция состояния. Учитывая, что абсолютная температура Тне может быть величиной отрицательной, приходим к выводу, что интеграл  может быть равен нулю только в том случае, если на отдельных участ­ках цикла будет иметь место неравенство , т. е. будет осуществляться отвод теплоты. Следовательно, при совершении цикла наряду с подводом теп­лоты к рабочему телу () обязательно должны быть процессы с отводом теплоты (). Именно это и означает, что подведенную к рабочему телу теплоту в цикле нельзя полностью превратить в работу.

1. Гоу впо (11)

   Учебное пособие
   ... ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУВПО УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА ... , Тверской, Ярославский, Вологодский уезды. Центрами солеварения ... (с центром в Ташкенте). Государственную самостоятельность сохранили Хивинское ханство и ...

2. Гоу впо (22)

   Учебное пособие
   ... ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУВПО УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА ... , Тверской, Ярославский, Вологодский уезды. Центрами солеварения ... (с центром в Ташкенте). Государственную самостоятельность сохранили Хивинское ханство и ...

3. ВЕСТНИК САНКТ_ПЕТЕРБУРГСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ им (ПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ И КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА) НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ 2009 № 2 ОБЩЕСТВЕННОЕ ЗДОРОВЬЕ И ЗДРАВООХРАНЕНИЕ 01_1097 © 2009

   Документ
   ... ассистент кафедры акушерства и гинекологии ГОУВПО Росздрава Тверской государственной медицинской академии, e-mail: ... – доцент кафедры водоснабжения и водоотведения ГОУВПО «Вологодскийгосударственный технический университет», 160000, ул. Ленина ...

4. Минобрнауки россии (гоу впо «вгпу») (19)

   Основная образовательная программа
   ... , холуй, гжель, хохлома, вологодская роспись, владимирские узоры, липецкие ... ГОУВПО «Волгоградский государственный педагогический университет» Маглеванный И.И. к.ф.м.н, доцент кафедры математического анализа, ГОУВПО «Волгоградский государственный ...

5. Минобрнауки россии (гоу впо «вгпу») (32)

   Основная образовательная программа
   ... ГОУВПО «Волгоградский государственный педагогический университет». Лопанцев Ю.М. к.ф.н. профессор кафедры философии и политологии ГОУВПО «Волгоградский государственный ... мстера, холуй, гжель, хохлома, вологодская роспись, владимирские узоры, липецкие ...

Другие похожие документы..