Основы теплофизики

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ 
ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 
__________________________________________________ 
Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного 
транспорта» 
А.В.КОСТИН, Л.А.ВОРОНОВА 
 
ОСНОВЫ ТЕПЛОФИЗИКИ 
 
 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 
 
 
 
 
 
Москва - 2020 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ 
ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 
 
Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного 
транспорта» 
А.В.КОСТИН, Л.А.ВОРОНОВА 
 
 
ОСНОВЫ ТЕПЛОФИЗИКИ 
 
 
Учебное пособие 
для бакалавров направления подготовки 20.03.01 
«Техносферная безопасность» 
   
 
 
 
Москва - 2020 

УДК: 536:656.2 
К 72 
Костин А.В., Воронова Л.А.. Основы теплофизики: Учебное 
пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2020. – 101 с. 
     Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
бакалавров 
направления 
подготовки 
20.03.01 
«Техносферная 
безопасность». 
     Рассмотрены 
закономерности 
превращений 
различных 
видов энергии, процессов обмена энергией между телами, 
свойства тел, проявляющихся в этих процессах основные 
законы 
переноса 
теплоты, 
механизмы 
протекания 
теплообменных и массообменных процессов, методы их 
расчёта. Каждая 
тема 
сопровождается 
вопросами 
для 
самопроверки и тестовыми заданиями. 
     Учебное пособие может быть рекомендовано также для 
других специальностей вузов железнодорожного транспорта, 
учебные 
планы 
которых 
включают 
дисциплины 
теплотехнического содержания. 
 
     Рецензенты: 
зав. 
кафедрой 
«Наземные 
транспортнотехнологические средства» РУТ (МИИТ) канд. техн. наук 
А.Н.Неклюдов; главный специалист по отоплению, вентиляции 
и кондиционированию воздуха ООО «Проектное бюро 
АПЕКС» Стоякин Г.М. 
 
 
 
 
                                                                             © РУТ (МИИТ), 2020 
 

     Введение  
    Теплофизика - совокупность дисциплин, представляющих 
теоретические основы энергетики. Такими дисциплинами 
являются термодинамика и тепломассообмен, в которых 
исследуются законы взаимного превращения тепловой и 
механической энергии, свойства тел, участвующих в этих 
превращениях; развитие процессов распространения теплоты и 
массы в пространстве и времени. 
 
     1. Техническая термодинамика 
 
     Техническая 
термодинамика 
представляет 
собой 
раздел термодинамики, занимающийся приложениями законов 
термодинамики 
в теплоэнергетике, теплотехнике и хладотехнике. 
 
     1.1 Основные понятия и определения  
     1.1.1Термодинамическая система 
     Тело или совокупность тел любой физико-химической 
природы, участвующих в энергетическом взаимодействии 
между собой и с окружающей (внешней) средой, представляют 
собой термодинамическую систему (ТС). ТС состоят из 
источников теплоты, приемников теплоты и рабочего тела. 
     Различают следующие ТС: 
 Открытая, обменивающаяся веществом и энергией с 
другими системами и (или) окружающей средой; 
 Закрытая, в которой отсутствует обмен веществами с 
другими системами и (или) окружающей средой; 
 Изолированная, которая не обменивается энергией и 
веществом с другими системами (рабочее  тело  с  жёсткой 
адиабатной оболочкой); 
 Адиабатная, в которой отсутствует теплообмен с другими 
3 

системами и (или) с окружающей средой. 
     ТС  называют гетерогенной, если она состоит из нескольких 
различных частей отделённых друг от друга поверхностями 
раздела. Если внутри ТС отсутствуют поверхности раздела и 
она состоит из одной фазы, то она называется гомогенной. 
     ТС, имеющую во всех своих частях одинаковый состав и 
физические свойства, называют однородной. 
     1.1.2. Рабочее тело термодинамической системы 
     Рабочим телом ТС называется промежуточное тело, при 
помощи 
которого 
осуществляются 
процессы 
взаимного 
преобразования тепловой и механической энергии. 
     В качестве рабочего тела можно использовать твердое, 
жидкое 
или 
газообразное 
вещество, 
но 
чаще 
всего 
применяются газы и пары. Это объясняется тем, что газы и 
пары 
обладают 
значительно 
большим 
коэффициентом 
теплового расширения, по сравнению с жидкостями и 
твердыми телами. 
     При 
теоретических 
исследованиях 
в 
технической 
термодинамике в качестве рабочего тела принимается так 
называемый идеальный газ, в котором нет взаимодействия 
между 
молекулами, 
а 
молекулы 
принимаются 
геометрическими точками. 
     1.1.3 Состояние термодинамической системы 
     Состояние 
ТС 
однозначно 
определяется 
некоторым 
количеством 
независимых 
физических 
параметров, 
называемых термодинамическими параметрами состояния. Они 
делятся на интенсивные – не зависящие от массы вещества 
(давление, температура) и экстенсивные – пропорциональные 
массе вещества (объём, внутренняя энергия). 
     Равновесная 
(стационарная), 
ТС 
характеризуется 
неизменностью во времени  термодинамических  параметров  и 
отсутствием в системе потоков вещества и теплоты. В 
неравновесной (нестационарной)  ТС  отсутствует  равновесие, 
4 

 то есть имеются конечные разности температур или давлений. 
     Изменение  состояния ТС,  характеризующееся  изменением 
хотя 
бы 
одного 
из 
её 
параметров 
называется 
термодинамическим процессом. Термодинамический процесс, 
рассматриваемый 
как 
непрерывный 
ряд 
равновесных 
состояний ТС, называется равновесным. В этом процессе 
физические параметры изменяются бесконечно медленно, 
поэтому ТС все время находится в равновесном состоянии. Все 
её части при этом имеют одинаковые температуру и давление. 
Неравновесный термодинамический процесс, представляет 
собой последовательность состояний, среди которых не все 
являются равновесными. В неравновесном процессе различные 
части 
системы 
имеют 
разные 
температуры, 
давления, 
плотности. Все реальные процессы являются неравновесными. 
     1.1.4. Термические параметры состояния 
     В  технической  термодинамике  основными    термодинами- 
ческими 
параметрами 
состояния 
являются 
давление, 
температура и удельный объем, называемые термическими 
параметрами состояния. 
     1. Температура  
     Температура – мера нагретости тела, определяющая 
направление переноса теплоты. В технической термодинамике 
под температурой понимается величина, пропорциональная 
энергии движения молекул и атомов данного тела. Температура 
не поддаётся непосредственному измерению. Поэтому о 
состоянии теплового равновесия и о  значении температуры 
судят по изменению физических свойств тел. 
     Для измерения температуры приняты две международные 
шкалы, для  которых  приняты   две   единицы   температуры:   
Кельвин  Т(К) и градус Цельсия t(0С). Соотношение между 
этими единицами 
Т = t + 273,15 
  
5 

    2. Давление 
     Абсолютное давление, отсчитываемое от абсолютного  
вакуума с точки зрения молекулярно-кинетической теории, 
является средним результатом ударов молекул о поверхность, 
ограничивающую 
объём, 
занимаемый 
рабочим 
телом. 
Давление имеет размерность силы, отнесённой к единице 
площади поверхности. Поэтому основной единицей измерения 
давления принят Паскаль 1 Па = 1 Н/м2. 
     Другие единицы измерения давления 
1 техническая атмосфера 1 кгс/см2 = 9,81 ·104 Па. 
1 бар = 105 Па. 
1 мм.в.ст. = 9,81 Па. 
1 мм рт.ст. = 133,32 Па. 
     Так как термодинамические расчеты должны производиться 
по значениям абсолютного (истинного) давления Рабс, а 
приборы,   измеряющие  давление  (манометры,  вакуумметры), 
показывают не абсолютное давление, а разность между  
давлением в месте замера и давлением окружающей среды 
(Рбар), то следует использовать следующие соотношения. 
     Для 
манометров, 
приборов 
измеряющих 
избыточное 
давление (Рман) 
Рабс  Рбар;    Р абс = Рбар + Рман 
     Для вакууметров, приборов измеряющих разрежение  (Рвак)   
Р абс  Рбар;    Р абс = Рбар – Рвак 
3. Удельный объём 
     Удельным объёмом называется объём единицы массы 
вещества 
v =V/m 
     где V – полный объём, м3; m – масса, кг. 
     1.1.5. Уравнение состояния идеального газа 
     Простая гомогенная ТС в каждом равновесном состоянии 
характеризуется определенными  значениями  термических  па- 
6 

раметров состояния, которые должны быть одинаковыми  во 
всей 
системе. 
Между 
этими 
величинами 
существует 
функциональная зависимость: 
f(P,v,T)=0 
     Такая зависимость называется термическим уравнением 
состояния. Если известно уравнение состояния, то для 
определения состояния простейших систем достаточно знать 
две независимые переменные из 3-х 
Р = f1 (v, Т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р) 
      Простейшим уравнением состояния является уравнение 
состояния 
идеального 
газа, 
называемое 
уравнением 
Клапейрона-Менделеева. 
р·v/Т=R (для одного килограмма газа) 
     где R – характеристическая постоянная идеального газа 
(газовая постоянная). 
     Это уравнение было получено Клапейроном  в 1834 году. 
     Для произвольного количества газа m, кг 
р·V= m·R·Т 
     где V= m·v – полный объём газа, м3. 
     Для 1 киломоля газа уравнение состояния было предложено 
Д.И.Менделеевым в виде 
р·v=R·Т 
     где v - мольный объём, м3/кмоль; R – универсальная 
газовая постоянная, Дж/(кмоль·К). 
      Из уравнения состояния для 1 киломоля газа при 
нормальных физических условиях (pн =101325 Па, Tн =  273 К, 
объём 
киломоля 
газа 
v=22,414м3) 
получаем 
значение  
универсальной газовой постоянной R=8314 Дж/(кмоль·К).  
     Характеристическая постоянная газа  R=8314/ имеет 
размерность работы, совершаемой 1 кг рабочего тела 
Дж/(кг·К). 
 
 
7 

     1.1.6 Теплоёмкость идеальных газов 
     Теплоёмкостью в каком-либо термодинамическом процессе 
называется величина равная производной от количества 
теплоты q по температуре.  
dq
Cn 
 
dT
      Индекс "n" означает принадлежность теплоёмкости к 
некоторому термодинамическому процессу, например Сv - 
теплоёмкость изохорного процесса. Теплоёмкость измеряется в 
Дж/К. 
Теплоёмкость является экстенсивной величиной и может 
быть преобразована в интенсивную величину путём деления на 
количество вещества (удельная теплоёмкость).  
     Удельной теплоёмкостью называется количество теплоты, 
необходимое для нагревания единицы количества вещества на 
один градус. 
     В зависимости от принятой единицы количества вещества 
различают массовую сn, Дж/(кг·К), объёмную 
n
C , Дж/(мз·К) 
молярную сn, Дж/(кмоль·К) удельные теплоёмкости. 
Соотношение между удельными теплоёмкостями:  
сn = сn/ = 
n
C  ·22,4/ 
В дальнейшем рассмотрении под теплоёмкостью будем 
понимать удельную массовую теплоёмкость сn. 
     Анализируя определение теплоёмкости можно сделать 
заключение, что понятие теплоёмкости имеет смысл в том 
случае, когда известен характер термодинамического процесса, 
так как от этого зависит величина подвода или отвода теплоты. 
В зависимости от характера процесса теплоёмкость с 
принимает значение от -∞ до +∞, являясь функцией 
температуры. 
сn = а +b·t + d·t2 
     где a, b, d – постоянные для каждого газа коэффициенты. 
8 

Для двухатомных газов 
cn = а + b·t 
     Следует различать истинную сn и среднюю сnm  (в некотором  
интервале температур) теплоёмкости.  
     Под 
средней 
теплоёмкостью 
понимают 
отношение 
количества теплоты сообщаемой газу в процессе к конечной 
разности температур. То есть 


 
q
сnm

t
        Связь между истинной и средней теплоёмкостями для 
некоторого 
термодинамического 
процесса 
в 
интервале 
температур t1–t2 определяется из равенства       
t
2
n
nm
dt
c
t
t
c
 
)
(
1
2





t
1
отсюда 
t
t
2
2




dt
c
dt
t
b
а
)
(
n


t
t
1
1
2

c
 
2
1
t
t
nm







1
t
t
b
a
t
t
t
t
)
(
2
1
2
1
2
     Для определения теплоёмкостей в интервале температур 
используют таблицы средних теплоёмкостей, в которых 
каждому значению температуры t соответствует своё значение 
теплоёмкости средней в интервале температур от 0 до t˚С. 
      По табличным данным средняя  теплоёмкость  в  интервале 
температур  t1–t2,  определяется из соотношения 
 
9