Термодинамика

М Г I У 

м о с к о в с к и й 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Р Е Д А К Ц И О Н Н Ы Й 

С
О
В
Е
Т 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены редсовета 

И.В.ДЕМЕНТЬЕВ 

A. 
П.ДМИТРИЕВ 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 

В.В. КУРЕХИН 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 
э.м. соколов 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. ХРОНИН 

B. А. 
ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

СЛ. 
ГОНЧАРОВ 

ТЕРМО 
ДИНАМИКА 

Издание 2-е, 
стереотипное 

Рекомендовано 
Министерством 
образования 
Российской 
Федерации в качестве 
учебника 
для студентов 
высших учебных 
заведений, 
обучающихся 
по направлению 
«Горное 
дело» 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2 
0 0 2 

УДК 536:622.02(075.8) 
Г 65 

Гончаров С.А. 

Г 65 
Термодинамика: Учебник. — 2-е изд., стер. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. — 440 с. 

ISBN 5-741 §-0010-6 

Учебник состоит иэ трех разделов. В первом приведены сведения об основных законах термодинамики, фазовых переходах, химической термодинамики, тепловых свойствах твердых тел и их изменении в зависимости от 
температуры. Во втором разделе (теплоыассо перенос) приведены уравнения, 
описывающие потоки жидких и газовых теплоносителей, теплообмена и 
распространения тепла в твердых телах. Третий раздел посвящен термодинамическим процессам горного производства (тепло земных недр, теплообмен в горных выработках, промерзание и оттаивание связных пород при 
открытой разработке месторождений, замораживание пород при строительстве подземных сооружений, подземная выплавка серы, подземная газификация твердого топлива, термическое разрушение скальных и мерзлых связных пород, сушка горной массы). 

Для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по направлению «Горное дело», а также аспирантов и специалистов в области термодинамических процессов горного производства. 

УДК 536:622.02(075.8) 

ISBN 5-7418-0010-6 

J 

ISBN 5-7418-0010-6 
шишки циннии 
7 8 5 7 4 1 8 0 0 1 0 2 

© С.А. Гончаров, 1997, 2002 
© Издательство МГГУ, 1997, 2002 

MINING EDUCATION 

S.A. 
GONCHAROV 

THERMO
DYNAMICS 

MOSCOW 

PUBLISHING 
HOUSE 

OF MOSCOW STATE 
MINING 
UNIVERSITY 

2 
0 0 2 

A 

UDC 536:622.02(075.8) 

Goncharov S.A. 

Thermodynamics: A Textbook for College Students. — 

Moscow: Publishing house of Moscow State Mining University, 
2002. —440 c. 

ISBN 5-7418-0010-6 

The textbook consists of three parts. In the first part information is given 
about the fundamental laws of thermodynamics, phase transitions, chemical thermodynamics, heat properties of solids and their variation with temperature. In the 
second part (heat-and-mass Transfer) equations are provided which describe the 
flows of liquid and gaseous heat-transfer agents, heat exchange, and heat propagation in solids. The third part is concerned with thermodynamic processes in mining 
operation (heat in the Earth interior, beat exchang in mine workings, freeze/thaw 
of coherent rock in open-cast mining, rock freezing in underground construction, 
underground sulfur melting, underground gasification of solid fuel, thermal destruction of hard and frozen coherent rock, drying of rock mass). 

The textbook is designed for students of schools of mines and mining faculties majoring in mining, as well as for post-graduates and specialists in the field of 
thermodynamic processes of mining. 

U D C 536:622.02(075.8) 

ISBN 5-7418-0010-6 
© S.A. Goncharov, 1997, 2002 
© Publishing house of Moscow State 
Mining University, 1997, 2002 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
17 

РАЗДЕЛ I . ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 
19 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 
. . 
19 

1.1. Термодинамические системы и их параметры . . . . 
19 

1.2. Внутренняя энергия и внешняя работа. Первый закон термодинамики 
23 

1.3. Энтальпия и энтропия 
27 

1.4. Возрастание энтропии в необратимых процессах. 
Второй и обединенный закон термодинамики 
34 

1.5. Термодинамические процессы 
35 

1.6. Термодинамическая вероятность 
39 

1.7. Работа цикла. Цикл Карно 
41 

ГЛАВА 2. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 
46 

2.1. Общие сведения о фазовых переходах 
46 

2.2. Основные уравнения термодинамики фазовых переходов 
52 

2.3. Фазовые переходы при неодинаковом давлении фаз 
58 

2.4. Давление в сосуществующих фазах при искривленной поверхности их раздела 
59 

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 
63 

3.1. Теловые эффекты химических реакций 
63 

3.2. Закон Гесса 
64 

3.3. Уравнение Кирхгофа 
67 

ГЛАВА 4. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ 
. . . . 
72 

4.1. Теплоемкость 
72 

4.2. Тепловое расширение однородных твердых тел . . . 
74 

4.3. Тепловое расширение неоднородных твердых тел 
77 

4.4. Теплопроводность 
81 

ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ 
85 

5.1. Теплоемкость, тепло-и температуропроводность 
85 

5.2. Тепловое расширение и остаточные температурные 
деформации в горных породах 
90 

5.3. Упругие свойства 
95 

5.4. Прочностные свойства 
99 

7 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

5.5. Электрические и магнитные свойства 
102 

5.6. Изменение комплексов физических свойств горных 
пород в зависимости от температуры 
107 

РАЗДЕЛ И. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС 
ПО 

ГЛАВА 6. ПОТОКИ Ж И Д К И Х И ГАЗОВЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ 
ПО 

6.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока 
ПО 

6.2. Основные уравнения процессов течения жидкости и 
газа 
114 

6.3. Сопло Ловаля 
116 

6.4. Температура адиабатного торможения потока 
. . . 
121 
ГЛАВА 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТЕПЛА В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ 
123 

7.1. Основной закон теплопроводности 
123 

7.2. Дифференциальное уравнение телопроводности 
. . 
124 

7.3. Краевые условия 
128 

7.4. Источники тепла 
131 

7.5. Тепловые режимы 
132 

ГЛАВА 8. ТЕПЛООБМЕН 
134 

8.1. Критерии подобия в термодинамике 
134 

8.2. Физический смысл критериев и пределы их изменений 
139 

8.3. Методы расчета основных параметров тепловых 
процессов 
142 

8.4. Виды теплоносителей и теплообмена 
146 

8.5. Пограничный слой и механизм конвективного теплообмена 
149 

8.6. Определение термодинамических параметров теплоносителей 
151 

РАЗДЕЛ I I I . ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА 
156 

ГЛАВА 9. ТЕПЛО ЗЕМНЫХ НЕДР 
156 

9.1. Термодинамические параметры земной коры . . . . 
156 

9.2. Источники тепла земных недр 
159 

9.3. Процессы теплопереноса в недрах Земли 
162 

9.4. Использование тепла земных недр 
167 

8 

9.5. Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников 
170 
ГЛАВА 10. ТЕПЛООБМЕН В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ 
. . 
176 

10.1. Требования к тепловому режиму в подземных выработках 
176 

10.2. Влияние теплового режима на процессы ведения 
подземных работ 
179 

10.3. Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке 
183 

10.4. Теплообмен при проветривании подземных выработок 
187 

10.5. Источники тепла в подземных выработках 
190 

10.6. Методы нормализации температурного режима 
рудничного воздуха 
194 

ГЛАВА 11. ПРОМЕРЗАНИЕ СВЯЗНЫХ ПОРОД ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ 
199 

11.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами 
199 

11.2. Месячные колебания температуры внешней среды 
200 

11.3. Расчет глубины промерзания связных пород . . . . 
202 

11.4. Полное предотвращение промерзания грунта при 
использовании теплоизоляционных покрытий 
208 

11.5. Промерзание грунта на допустимую глубину при 
использовании теплоизоляционного покрытия 
213 

11.6. Технология получения теплоизоляционных покрытий 
218 

ГЛАВА 12. ЗАМОРАЖИВАНИЕ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ШАХТ 
. . . 
220 

12.1. Сущность способа и область его применения . . . . 
220 

12.2. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра 
224 

12.3. Параметры образования ледопородных ограждений 
231 

12.4. Температурное поле в ледопородных ограждениях 
236 

12.5. Технологические основы замораживания пород . . 
241 
ГЛАВА 13. ПОДЗЕМНАЯ ВЫПЛАВКА СЕРЫ ( П В О 
. . . . 
246 

13.1. Свойства серы и серных руд 
246 

13.2. Принцип и условия применения ПВС 
249 

9 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

13.3. Тепловой баланс при ПВС 
251 

13.4. Параметры процесса ПВС 
252 

13.5. Бурение скважин для ПВС 
256 

13.6. Исследование скважин и их кислотная обработка . 
262 

13.7. Монтаж серодобычных скважин и коллекторов 
. . 
263 

13.8. Технология и технико-экономические показатели 
ПВС 
266 

ГЛАВА 14. ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДОГО 
ТОПЛИВА 
271 

14.1. Свойства угля как сырья для подземной газификации 
271 

14.2. Частичная и полная газификация угля 
272 

14.3. Физико-химические основы подземной газификации угля 
274 

14.4. Технические основы полной газификации угля 
. . 
276 

14.5. Распределение температуры подлине канала газификации 
280 

14.6. Технологические параметры канала газификации 
282 

14.7. Проходка канала газификации 
284 

14.8. Технология и показатели подземной газификации 
угля 
288 

14.9. Станции подземной газификации угля 
290 

ГЛАВА 15. ТЕРМИЧЕСКОЕ ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ 
СКАЛЬНЫХ ПОРОД 
296 

15.1. Модель процесса и механизм хрупкого термического разрушения (ХТР) горных пород 
296 

15.2. Расчет линейной скорости ХТР скальных пород . . 
304 

15.3. Расчет объемной скорости ХТР скальных пород . . 
307 

15.4. Основные типы реактивных горелок 
316 

15.5. Расчет параметров реактивных горелок 
324 

15.6. Техника и технология термического разрушения 
горных пород 
337 

ГЛАВА 16. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТАЛЫХ И 
МЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ ИХ РАЗРАБОТКЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ 
348 

16.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород 
348 

10