Термодинамика и теплопередача

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 

 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 
 
 

 

 

УДК 536.24 + 536.7] (075.8) 
         Ш 264 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников, 
д-р техн. наук, профессор А.В. Чичиндаев 

Ш 264  

Шаров Ю.И. 
 
Термодинамика и теплопередача : учебник / Ю.И. Шаров. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. – 311 с. – 
(Серия «Учебники НГТУ»).

ISBN 978-5-7782-4024-7 

Учебник включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики и теплопередачи, приложения этих законов к 
процессам и системам. 
Учебник написан доступно и просто, предназначен для студентов направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Производство тепловой и электрической энергии» и для студентов направления 20.03.01 «Техносферная безопасность», профиль «Безопасность жизнедеятельности в техносфере». 

УДК 536.24 + 536.7] (075.8) 

ISBN 978-5-7782-4024-7 
 Шаров Ю.И., 2019 
 Новосибирский государственный 
технический университет, 2019         

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ТЕРМОДИНАМИКА ............................................. 9 
Предисловие .................................................................................................... 11 
Введение .......................................................................................................... 12 

Глава 1. Идеальные газы ............................................................................. 17 
   1.1. Уравнение Клапейрона ......................................................................... 17 
   1.2. Первый закон термодинамики ............................................................. 24 
   1.3. Смеси идеальных газов ........................................................................ 25 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 30 

Глава 2. Теплоемкости газов. Влажный воздух ...................................... 31 
   2.1. Теплоемкости газов .............................................................................. 31 
   2.2. Влажный воздух .................................................................................... 38 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 40 

Глава 3. Термодинамические поверхности идеального 
и реального газа ............................................................................................ 41 
   3.1. Термодинамические поверхности ....................................................... 41 
   3.2. Термодинамические диаграммы водяного пара ................................ 44 
   3.3. pv-диаграмма водяного пара ................................................................ 47 
   3.4. ts-диаграмма водяного пара ................................................................. 51 
   3.5. hs-диаграмма водяного пара ................................................................ 53 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 54 

Глава 4. Исследование термодинамических процессов ........................ 55 
   4.1. Политропный термодинамический процесс [3–5] ............................. 55 
   4.2. Энтропия идеального газа .................................................................... 62 
   4.3. Частные термодинамические процессы .............................................. 64 
   4.4. Первый закон термодинамики для потока газа [12] .......................... 75 

4.5. Истечение газов и паров [4] ................................................................. 77 
   4.6. Дросселирование газов и паров [4] ..................................................... 83 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 86 

Глава 5. Второй закон термодинамики [4, 5] ........................................... 87 
   5.1. Основные определения ......................................................................... 87 
   5.2. Цикл Карно ............................................................................................ 90 
   5.3. Энтропия как параметр состояния рабочего тела .............................. 92
   5.4. Изменение энтропии термодинамической системы  
          при необратимой теплопередаче ......................................................... 94 
   5.5. Интеграл Клаузиуса .............................................................................. 95 
   Контрольные вопросы ................................................................................. 98 

Глава 6. Максимальная и теряемая работа [5] ....................................... 99 
   6.1. Максимальная работа ........................................................................... 99 
   6.2. Эксергия ............................................................................................... 101 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 104 

Глава 7. Циклы паротурбинных установок (ПТУ) .............................. 105 
   7.1. Цикл Ренкина ...................................................................................... 105 
   7.2. Цикл Ренкина на перегретом паре .................................................... 106 
   7.3. Влияние начального давления на КПД цикла Ренкина ................... 107 
   7.4. Цикл ПТУ на сверхкритических параметрах пара .......................... 108 
   7.5. Регенеративный цикл ПТУ ................................................................ 110 
   7.6. Теплофикационный цикл ПТУ .......................................................... 113 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 116 

Глава 8. Циклы тепловых двигателей .................................................... 117 
   8.1. Обобщенный цикл тепловых газовых двигателей ........................... 117 
   8.2. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты ..................................... 119 
   8.3. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты ..................................... 121 
   8.4. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (Тринклера) ............ 122 
   8.5. Принцип действия ДВС...................................................................... 123 
   8.6. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) ........................................... 128 
      Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты ......................................... 128 
      Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты .......................................... 130 
      Регенеративный цикл ГТУ ..................................................................... 131 
      Регенеративный цикл ГТУ с промежуточным  
      подводом теплоты и охлаждением ........................................................ 133 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
7 

   8.7. Комбинированная парогазовая установка (ПГУ) ............................ 135 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 136 

Глава 9. Циклы холодильных установок и компрессоров ................. 137 
   9.1. Цикл воздушной холодильной установки ........................................ 137 
   9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки ....................... 139 
   9.3. Абсорбционная холодильная установка ........................................... 141 
   9.4. Термодинамические процессы компрессоров .................................. 143 
      Реальные компрессоры ........................................................................... 145 
      Условия разделения на ступени ............................................................ 147 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 149 

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ............................................ 151 
Введение ........................................................................................................ 153 

Глава 1. Теплопроводность ....................................................................... 155 
   1.1. Температурное поле ........................................................................... 155 
   1.2. Градиент температуры ....................................................................... 156 
   1.3. Тепловой поток. Закон Фурье ............................................................ 157 
   1.4. Дифференциальное уравнение теплопроводности .......................... 159 
   1.5. Условия однозначности ...................................................................... 163 
   1.6. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку ................ 165 
   1.7. Теплопроводность через трехслойную плоскую стенку ................. 168 
   1.8. Теплопроводность через однослойную цилиндрическую стенку ....... 170 
   1.9. Теплопроводность через трехслойную цилиндрическую стенку ........ 174 
   1.10. Теплопроводность через сферическую стенку .............................. 175 
   1.11. Теплопроводность в однородной пластине при наличии  
            внутренних источников теплоты ..................................................... 177 
   1.12. Теплопроводность в однородном цилиндре ................................... 181 
   1.13. Тепловая изоляция. Критический диаметр изоляции .................... 183 
   1.14. Теплопроводность в стержне (ребре) .............................................. 187 
   1.15. Нестационарная теплопроводность ................................................ 192 
      Общие определения ................................................................................ 192 
      Охлаждение (нагревание) пластины ..................................................... 193 
      Охлаждение (нагревание) цилиндра ..................................................... 202 
      Регулярный режим охлаждения (нагревания тел) ............................... 204 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 210 

Глава 2. Конвективный теплообмен ....................................................... 211 
   2.1. Физические свойства жидкостей ....................................................... 211 
   2.2. Гидродинамический пограничный слой ........................................... 213 
   2.3. Математическое описание конвективной теплоотдачи .................. 215 
   2.4. Уравнения подобия ............................................................................. 227 
   2.5. Три теоремы подобия физических явлений ..................................... 228 
   2.6. Методы моделирования ..................................................................... 230 
   2.7. Обработка и обобщение экспериментальных данных .................... 232 
   2.8. Вынужденная конвекция в трубах и каналах ................................... 235 
   2.9. Теплообмен при поперечном обтекании труб и трубных пучков .... 240 
   2.10. Теплообмен при свободной конвекции .......................................... 247 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 251 

Глава 3. Теплообмен при фазовых превращениях ............................... 253 
   3.1. Теплообмен при кипении жидкостей ................................................ 253 
   3.2. Теплообмен при конденсации чистых паров ................................... 262 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 265 

Глава 4. Теплообмен излучением............................................................. 267 
   4.1. Основные понятия и определения ..................................................... 267 
   4.2. Основные законы лучистого теплообмена ....................................... 271 
   4.3. Лучистый теплообмен между параллельными поверхностями ...... 275 
   4.4. Особенности лучистого теплообмена в газах .................................. 278 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 284 

Глава 5. Теплообменные аппараты ......................................................... 285 
   5.1. Основные понятия и определения ..................................................... 285 
   5.2. Теплопередача через плоские стенки................................................ 286 
   5.3. Теплопередача через цилиндрические стенки ................................. 287 
   5.4. Теплопередача через сферическую стенку ....................................... 289 
   5.5. Интенсификация теплопередачи ....................................................... 291 
   5.6. Теплообменные аппараты .................................................................. 293 
   5.7. Гидравлический расчет теплообменников ....................................... 304 
   5.8. Теплоносители .................................................................................... 306 
   Контрольные вопросы ............................................................................... 308 
Библиографический список ......................................................................... 309 

 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 

 
9 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
×àñòü ïåðâàÿ 

 
 
ÒÅÐÌÎÄÈÍÀÌÈÊÀ