Теоретические основы теплотехники

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ТЕПЛОТЕХНИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА
КУРС 
ИНФРА-М 
2019

В.И. Ляшков

Второе издание, исправленное и дополненное

Редактор М.А. Рожкова
Технический редактор Л.А. Маркова
Корректор Г.Н. Петрова
Компьютерная верстка О.М. Черновой

Подписано в печать 28..201 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать офсетная. Усл. печ. л. 20,5. Уч.-изд. л. 20. 
Тираж 500 экз. Заказ №
ТК 333100—496993—281114

ООО Издательство «КУРС»
127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.
Тел.: (49E-mail: kursizdat@gmail.com

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru     http://www.infra-m.ru

УДК
621.1(075.8)
ББК
31.3я73
Л99

Ляшков В.И.
Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие для вузов / 
В.И. Ляшков, 2-е изд., испр. и доп. — М.: КУРС: ИНФРА-М, 2019. — 
328 с.: ил.

ISBN 978-5-905554-85-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-010639-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102649-6 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические 
основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена 
и теории горения), составляющие необходимый и достаточный минимум для 
того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в 
тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен 
отдельными, сравнительно небольшими подразделами, структурированность и 
последовательность которых продиктована внутренней логикой названных наук.
Для студентов, обучающихся по специальности «Энергообеспечение 
предприятий», а также для студентов других специальностей при изучении ими 
дисциплин теплотехнического профиля.
 
УДК 621.1(075.8)
ББК 31.3я73

Л99

©  Ляшков В.И. 
©  КУРС, 2015

ISBN 978-5-905554-85-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-010639-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102649-6 (ИНФРА-М, online)

ФЗ
№ 436-ф3
Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Р е ц е н з е н т ы :
С.П. Рудобашта – проф., д-р техн. наук, зав. кафедрой 
теплотехники (Московский государственный агротехнический 
университет);
В.Ф. Симонов – проф., д-р техн. наук  
(Саратовский государственный технический университет)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее десятилетие ощущается определенный дефицит
учебной литературы по техническим дисциплинам, что легко объяснить
значительным
сокращением
государственного
учебного
книгоиздания. Возможно, на полках библиотек хранится еще достаточно учебников по общей теплотехнике, изданных большими
тиражами в 60—70е годы XX в., но неумолимое время, выдвигая
новые задачи и подходы и осваивая новые научные достижения,
делает их малопригодными для того, чтобы безоговорочно рекомендовать современным студентам, выбравшим благородную жизненную стезю: получив специальность теплоэнергетика, отдать
свои силы и знания решению важнейшей общегосударственной задачи — предотвратить энергетический кризис, полностью обеспечить нашу страну электричеством и теплом. Автор надеется, что существенно облегчит студентам освоение теоретических основ теплотехники — поистине безграничной науки, изучающей принципы
работы, основы конструирования и особенности расчета всевозможных машин, аппаратов и устройств, использующих тепловую
энергию.
Сегодня при организации учебного процесса важное значение
приобретает возможность самостоятельной работы студентов. При
этом лекционные курсы все более сокращаются, лекции чаще носят обзорный или проблемный характер. В такой ситуации бывает
нелегко правильно отобрать и расположить учебный материал так,
чтобы он отражал внутреннюю логику науки, чтобы изложение
было целостным, последовательным и доступным для студентов,
только начинающих знакомиться с этой наукой.
Учебное пособие отражает многолетний опыт работы автора
со студентами второго — третьего курсов. Представляя собой последовательное и лаконичное изложение основ термодинамики,
теплопередачи, теории массообмена, теории горения и др., оно
разработано не для того, чтобы заменить популярные учебники:
это скорее введение в большую и интересную область научных
знаний, связанных с теплотехникой. Поэтому в пособие включен
только тот учебный материал, усвоение которого необходимо для
приобретения такого уровня теоретической подготовки, который

3

позволит в дальнейшем легко расширять знания при последующей самостоятельной работе с учебниками, монографиями, справочниками и т.п.
Содержание книги неоднократно обсуждалось автором с коллегами по кафедре и отдельными студентами, много полезных и ценных замечаний и предложений было внесено официальными рецензентами данного издания, а также рецензентами, назначенными учебнометодическим объединением в области энергетики и
электротехники, — А.Б. Горяевым и В.Ю. Демьяненко. Автор выражает всем искреннюю признательность и сердечную благодарность за ряд ценных замечаний, учтенных при работе над книгой.

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня практически любая область инженерной деятельности
во многом связана с проблемами энергосбережения, разработкой,
внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с
вопросами трансформации и передачи энергии. Учебная дисциплина «Теоретические основы теплотехники» призвана вооружить
будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на
этом инженерных методик расчета процессов, возникающих при
получении, трансформации и распространении в пространстве тепловой энергии. Структурно сюда входят три отдельные науки: термодинамика, теплопередача и основы теории горения.
Термодинамика изучает законы превращения различных видов
энергии в теплоту (и наоборот — теплоты в другие виды энергии),
а также особенности физических процессов, сопровождающих эти
превращения. Как самостоятельная наука термодинамика начала
складываться в начале XIX в., хотя многие принципиальные ее положения были открыты и сформулированы еще ранее в рамках общефизической теории. Среди основоположников и ученых, внесших наибольший вклад в развитие термодинамики, — известные
имена: М. В. Ломоносов, который в работе «Размышления о причинах тепла и холода» (1744) предложил единую теорию теплоты и
строения вещества, сформулировав законы сохранения массы и
энергии, Д. Джоуль, В. Томсон, Р. Клаузиус, С. Карно, Г. Гесс,
Л. Больцман, В. Гиббс, М. П. Вукалович, А. А. Гухман, И.Р. Пригожин и др. [1]. За более чем 150летнюю историю своего развития
эта наука приобрела методологически безупречные формы и строгую аксиоматику, так что сегодня ее заслуженно называют классической термодинамикой.
Термодинамика не имеет собственного предмета изучения в отличие, например, от биологии, изучающей живые организмы, или
геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического плана, вооружающая специфическим методом исследования,
основу которого составляет рассмотрение любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов природы.

5

Теплопередача, а точнее теория теплои массообмена — это
наука, которая изучает процессы распространения теплоты (или
массы, поскольку выявлена явная аналогия таких процессов) в
пространстве. Процессы распространения теплоты в пространстве
при всем их многообразии и являются предметом изучения этой
науки. Основные понятия и законы теории теплопереноса также
сформулированы в рамках общефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основы аналитической теории теплопроводности заложены Ж. Фурье еще в 1822 г. В середине XIX в.
сформулированы основы теории подобия, а в 1915 г. эта теория
впервые применена В. Нуссельтом для исследования процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдс использовал ее при
изучении гидродинамических процессов, высказав идею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими явлениями.
Как самостоятельная наука теплопередача сложилась в начале
XX в. и особенно бурно стала развиваться в послевоенные годы.
Решающий вклад внесен нашими соотечественниками, среди которых выделяют работы академиков В. М. Кирпичева, М. А. Михеева,
С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина, профессора Г.А. Дрейцера и др.
Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно развиваться, все в большей мере
осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая техника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы
решения возникающих проблем. И сегодня большой вклад в дальнейшее развитие этой науки вносят авторитетные ученые: академики А. И. Леонтьев, В. П. Скрипов, А. Г. Шашков, профессора
Г. Н. Дульнев, С. П. Рудобашта и др., а также научная молодежь,
посвящающая свои диссертационные работы решению отдельных
актуальных теоретических и практических задач.
В основах теории горения рассматривается механизм химической
реакции горения, раскрытый Нобелевским лауреатом академиком
Н. Н. Семеновым и его последователями, а также физические особенности процессов горения в различных условиях сжигания наиболее распространенных видов топлива. Здесь же приведена методика технических расчетов горения.
Отметим еще одну важную особенность этих трех разделов науки: они ориентированы на конкретную инженерную практику и
всегда доводят свои выводы и заключения до однозначных практических рекомендаций и расчетных методик.

6

Бурное развитие компьютерной техники и информационных
технологий вооружает исследователей мощнейшим инструментарием, позволяющим сравнительно просто проводить численное моделирование изучаемых явлений. Именно такой подход к решению
многих вопросов теплопередачи становится сегодня одним из основных, поскольку при этом заметно сокращаются трудовые и финансовые затраты на решение поставленной задачи.
Совершенно ясно, что без глубоких знаний по всем трем разделам данной учебной дисциплины невозможна успешная инженерная
деятельность, поэтому изучению теоретических основ теплотехники
придается все возрастающее значение, особенно для будущих специалистов, непосредственно связанных с теплоэнергетикой.

1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
АНАЛИЗА

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1.1 Основные термины термодинамики

Окружающий мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Наиболее распространенные формы движения материи — механическая и
тепловая. В первом случае движение связано с перемещением в
пространстве макрообъемов материи, во втором — с движением
только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения
энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.
Тело или группу макротел, энергетические свойства которых
подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все
остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, систему называют открытой, если же такой обмен невозможен, систему называют закрытой. Закрытые системы проще и именно с них
начинают изучение основ термодинамики.
Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило:
всякие изменения в системе возможны только в результате взаимодействия с окружающей средой, а любые случайные изменения в
системе вызывают процесс, возвращающий ее в первоначальное
состояние. Априорно принимая это положение, из объектов анализа исключают многие биологические системы, обладающие способностью самопроизвольных изменений, или отдельные химические реакции (см., например, материал в Интернете о колебательной реакции Белоусова — Жаботинского).
Аналогично Н.И. Лобачевскому критически анализируя названную аксиому и опираясь на современные научные теории и факты,

8

бельгийский профессор И.Р. Пригожин разработал стройную теорию, в соответствии с которой в результате внутренних флуктуаций
система может перейти в новое состояние без внешних воздействий со стороны окружающей среды. Автор этой теории, открывшей
новый этап в развитии термодинамики, в 1977 г. отмечен Нобелевской премией.
Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с окружающей средой некоторые из них изменяются, их называют параметрами состояния системы. Другие же величины практически не меняют своего численного значения, их называют физическими константами. Физические константы характеризуют свойства вещества, заполняющего
систему, а параметры состояния — особенности состояния этого
вещества. Примеры параметров: р, Т, V (давление, температура,
объем); примеры физических констант: ср, r (теплоемкость, теплота
парообразования).
Систему называют однородной, если ее параметры не изменяются в пространстве, и равновесной, если они не изменяются по времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют и так:
при отсутствии внешних воздействий система рано или поздно
приходит к однородному и равновесному состоянию.
Параметры состояния можно разделить на две группы. Потенциалами ~p называют такие параметры, разница которых в среде и
системе является движущей силой взаимодействия. При ~
~
p
p
i
i
н
в

взаимодействие iго рода невозможно. Взаимодействие в принципе
возможно только при ~
~
p
p
i
i
н
в . Примеры потенциалов: р, Т, Е
(электрический потенциал). Координатами ~x называют такие параметры, изменение которых в системе свидетельствует о протекании
взаимодействия. Если d~xi
0, то взаимодействие совершается, при

dxi
0 взаимодействие не совершается даже при наличии необходимой разности потенциалов (изза наличия частичной или полной изоляции системы). Примеры координат: V, m (при химических взаимодействиях), число электрических зарядов, протекающих при электрических взаимодействиях, и др. Вдумчивый анализ
позволяет обнаружить для любого типа взаимодействий и потенциал, и координату состояния.
По аналогии с математической теорией поля в термодинамике
принято следующее правило знаков для потенциалов: разность
~
~
p
p
i
i
н
в
считается положительной (т.е. ~
~
p
p
i
i
н
в ), если при этом
возникает процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей координаты состояния (d~xi
0).

9

Координату теплового состояния называют энтропией. Сложность этого параметра состоит в том, что он носит статистический
характер и не обнаруживается непосредственным опытом или измерениями. Энтропия системы определяется вероятностью ее состояния. Под вероятностью состояния системы понимают число
способов, которыми можно достичь данного состояния, начиная от
некоторого первоначального. Поэтому вероятность состояния системы в числовой форме отражает меру хаотичности расположения
составляющих ее элементов. Минимальной частицей макромира
является молекула. Значит, вероятность состояния характеризует
степень упорядоченности (или беспорядка) распределения молекул
в объеме термодинамической системы. Л. Больцман показал, что
величина энтропии пропорциональна вероятности состояния W и
определяется формулой S = k ln W, где k — постоянная Больцмана
(одна из универсальных физических констант).
При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового
движения молекул, растет и степень хаотичности распределения
их в пространстве. Значит, при этом численно возрастают и W, и
S. При отводе тепла все происходит наоборот: энтропия S уменьшается.
Отметим, что изложенный подход при введении понятия об энтропии [2] сложился сравнительно недавно и в большинстве учебников и пособий это излагается несколько подругому, на основе
подхода, предложенного еще Р. Клаузиусом. В то же время в современных научных монографиях [3], [4] энтропия определяется как
координата состояния и используется именно изложенный выше
подход. Для более подробного изучения этого раздела термодинамики можно порекомендовать учебное пособие [5].

1.1.2. Первый закон термодинамики в общем виде

Первый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения при переходе различных форм энергии друг в друга.
Пусть некоторая термодинамическая система (рис. 1.1) обладает
способностью совершать одновременно несколько видов взаимодействия с окружающей средой, например механическое, тепловое, химическое и др. В результате такого сложного взаимодействия из среды в систему (или наоборот) передаются потоки энергии
разных видов ∆Е1, ∆Еi, …, ∆Еn. Энергия системы, или внутренняя
энергия, изменится на величину ∆U. В соответствии с законом сохранения энергии (энергия не исчезает и не возникает вновь, ко10