Основы технической термодинамики

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ю.В. ОВЧИННИКОВ

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ 

ТЕРМОДИНАМИКИ

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.1.016.7(075.8)

О-355

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Г.В. Ноздренко,

д-р техн. наук Л.А. Огуречников

Овчинников Ю.В.

О-355
Основы технической термодинамики : учебник / Ю.В. Овчинников. –

Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. – 292 с. (серия «Учебники НГТУ»)

ISBN 978-5-7782-1303-6

Учебник включает в себя основные понятия и законы технической термо
динамики, приложения этих законов к термодинамическим процессам и системам. Хорошо представлены материалы двух основных методов инженерных 
расчетов – аналитического и метода термодинамических диаграмм.

Рассмотрены термодинамические основы химических реакций с введением 

«свободной» энергии и энтальпии, что закладывает основы многих технических процессов в промышленной теплоэнергетике: в топливных элементах, в 
электрохимических генераторах, в различного рода преобразованиях энергии, 
не связанных с работой изменения объема рабочего тела.

Учебник написан на высоком научном и методическом уровне, доступно и 

просто,  предназначен для студентов-теплоэнергетиков.

УДК 621.1.016.7(075.8)

ISBN 978-5-7782-1303-6
© Овчинников Ю.В., 2010
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................................................................................11

Введение...................................................................................................................13

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ

ТЕРМОДИНАМИКИ ............................................................................21

1.1. Термодинамическая система .....................................................................21

1.2. Источник и приемник теплоты..................................................................22

1.3. Рабочее тело ................................................................................................23

1.4. Теплота ........................................................................................................23

1.5. Механическая работа .................................................................................23

1.6. Нулевое начало термодинамики (закон теплового равновесия)............23

1.7. Первое начало термодинамики .................................................................24

1.8. Второе начало термодинамики..................................................................24

1.9. Третье начало термодинамики ..................................................................25

ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ПОНЯТИЙ

И ЗАКОНОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ .....................27

2.1. Состояние рабочего тела, параметры состояния, свойства

параметров состояния ................................................................................27

2.2. Уравнение состояния рабочего тела, идеальный и реальный газ,

термодинамическая поверхность, термодинамический процесс...........33

ОГЛАВЛЕНИЕ
6

ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ИДЕАЛЬНОГО

И РЕАЛЬНОГО ГАЗА. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ,

ВОДЯНОЙ ПАР....................................................................................39

ГЛАВА 4. ПЕРВЫЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ .......................47

4.1. Механическая работа .................................................................................47

4.2. Теплота ........................................................................................................49

4.3. Теплоемкость, свойства теплоемкости.....................................................51

4.4. Соотношение между теплотой и работой. Внутренняя энергия............53

4.5. Первый закон термодинамики для изолированной (закрытой)

термодинамической системы ....................................................................54

4.6. Первый закон термодинамики для открытой термодинамической

системы........................................................................................................56

4.7. Некоторые частные случаи открытых термодинамических систем......61

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ......65

5.1. Политропный термодинамический процесс ............................................66

5.2. Частные термодинамические процессы ...................................................70

ГЛАВА 6. СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ, ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ ..................81

6.1. Следствия из закона Дальтона...................................................................81

6.2. Способы задания газовой смеси................................................................84

6.3. Смешение газообразных и жидких тел......................................................86

6.4. Влажный воздух..........................................................................................91

6.5. h – d-диаграмма влажного воздуха ...........................................................94

ГЛАВА 7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ВОДЯНОГО ПАРА,

ПРОЦЕССЫ В ДИАГРАММАХ..........................................................99

7.1. t – s-диаграмма водяного пара.................................................................100

7.2. h – s-диаграмма водяного пара................................................................103

ОГЛАВЛЕНИЕ
7

7.3. p – s-диаграмма воды и водяного пара ...................................................107

7.4. p – h-диаграмма реального газа...............................................................109

ГЛАВА 8. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ......................111

8.1. Общие свойства циклов ...........................................................................111

8.2. Анализ циклов Р. Клаузиуса....................................................................117

8.3. Цикл Карно................................................................................................119

8.4. Энтропия как параметр состояния рабочего тела .................................121

8.5. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы

при наличии необратимой теплопередачи. Потеря работы..................123

8.6. Интеграл Клаузиуса..................................................................................124

8.7. Формулировки второго закона термодинамики ....................................127

ГЛАВА 9. МАКСИМАЛЬНАЯ И ТЕРЯЕМАЯ РАБОТА .................................129

9.1. Максимальная работа, свободная энергия и свободная энтальпия .....129

9.2. Эксергия и потеря работы вследствие необратимости реальных

процессов...................................................................................................131

9.3. Баланс энергии и эксергии парового котла............................................134

ГЛАВА 10. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ.............141

10.1. Основные понятия и уравнения газодинамики ...................................141

10.2. Скорость звука и критические параметры ...........................................143

10.3. Скачки уплотнения.................................................................................148

10.4. Течение газа через сопла и диффузоры................................................153

10.5. Влияние трения на истечение................................................................158

10.6. Течение в длинных трубах.....................................................................161

10.7. Дросселирование газов и паров.............................................................163

ГЛАВА 11. ЦИКЛЫ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК....................167

11.1. Цикл Ренкина на насыщенном паре......................................................168

ОГЛАВЛЕНИЕ
8

11.2. Эквивалентный цикл Карно...................................................................169

11.3. Цикл Ренкина на перегретом паре ........................................................170

11.4 Влияние начального давления на эффективность цикла Ренкина

на перегретом паре ..................................................................................172

11.5. Влияние давления в конденсаторе на эффективность

цикла Ренкина .........................................................................................173

11.6. Цикл на сверхкритических параметрах пара .......................................175

11.7. Регенеративный цикл .............................................................................178

11.8. Теплофикационный цикл.......................................................................181

11.9. Энергетическая и эксергетическая эффективность

пароэнергетических установок..............................................................183

ГЛАВА 12. ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .......................187

12.1. Обобщенный теоретический цикл тепловых газовых двигателей ....188

12.2. Цикл ДВС со сжиганием при V = const ................................................190

12.3. Цикл со сжиганием при Р = const .........................................................191

12.4. Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера...............192

12.5. Теоретические циклы газотурбинных двигателей ..............................193

12.6. Сравнение теоретических циклов газовых двигателей.......................200

12.7. Теоретический цикл тепловой машины Стирлинга ............................202

ГЛАВА 13. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЦИКЛЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК ...................................................................................209

13.1. Бинарный паротурбинный цикл............................................................209

13.2. Теплофикационные циклы.....................................................................212

13.3. Комбинированный парогазовый цикл..................................................217

13.4. Комбинированный цикл МГД и ПЭУ...................................................219

13.5. Цикл СПГГ и газовой турбины .............................................................221

ОГЛАВЛЕНИЕ
9

ГЛАВА 14. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПРИМИРОВАНИЯ

ГАЗОВ................................................................................................225

14.1. Термодинамический анализ компримирования газов.........................225

14.2. Многоступенчатое компримирование..................................................230

ГЛАВА 15. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

И ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ...................................................233

15.1. Цикл воздушной компрессорной холодильной установки.................233

15.2. Цикл воздушного компрессорного термотрансформатора

(теплового насоса) ..................................................................................236

15.3. Цикл парокомпрессорной холодильной установки.............................238

15.4. Парокомпрессорная теплонасосная отопительная установка............239

15.5. Пароэжекторная холодильная установка .............................................240

15.6. Пароэжекторная термотрансформаторная установка.........................243

15.7. Абсорбционная холодильная установка...............................................244

15.8. Установка с вихревой трубой................................................................246

ГЛАВА 16. ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.......................249

16.1. Основные понятия химической термодинамики.................................249

16.2. Основные законы химической термодинамики...................................253

16.3. Максимальная работа химических реакций.........................................263

16.4. Зависимость скорости реакции от температуры .................................273

16.5. Тепловой закон Нернста ........................................................................277

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Понятие о термодинамике необратимых процессов..........280

ПРИЛОЖЕНИЕ II. Синергетика и новые способы преобразования энергии.

Самоорганизующиеся системы и их роль в эффективном

производстве энергии...........................................................284

ОГЛАВЛЕНИЕ
10

ПРИЛОЖЕНИЕ III. Первый закон термодинамики и метод согласования

балансовых уравнений для повышения точности

исходной информации при математическом

моделировании функционирующих энергоблоков .........287

Библиографический список..................................................................................291