Техническая термодинамика

 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКАЯ  
ТЕРМОДИНАМИКА 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 536:533.6.011.6 
ББК 31.3122.253.3 
Т38
Авторы: 
Карнаух В. В., Бирюков А. Б., Ржесик К. А., Лебедев А. Н. 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Трубаев П. А.; 
доктор технических наук, профессор Белоусов В. В.; 
доктор технических наук, профессор Поперечный А. Н.; 
кандидат технических наук, доцент Угланов Д. А. 
Т38  
Техническая термодинамика : учебник / [Карнаух В. В. и др.]. 
- Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 500 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0862-2 
Рассмотрены основные положения классической и современной термодинамики: идеальный газ и его прикладные аспекты, газовые смеси, теплоёмкость, анализ термодинамических процессов, законы термодинамики и 
их приложения, термодинамика реальных газов и потоков, влажный воздух 
и основы кондиционирования, анализ прямых и обратных термодинамических циклов, работоспособность термодинамической системы - эксергия. 
Включены разделы, касающиеся анализа работы установок низкопотенциальной энергетики.  
Для студентов и аспирантов технических специальностей, а также инженерно-технических работников металлургической и энергетической отраслей промышленности. 
УДК 536:533.6.011.6 
ББК 31.3122.253.3 
ISBN 978-5-9729-0862-2 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
...................................................... 6 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................... 10 
 
ГЛАВА 1. Термодинамическая система:  
основные понятия и определения 
................................................ 13 
1.1. Основные понятия ..................................................................... 13 
1.2. Параметры: молекулярная масса, масса и вес 
......................... 18 
1.3. Параметры: плотность и удельный объём ............................... 20 
1.4. Параметр: давление ................................................................... 21 
1.5. Параметр: температура 
.............................................................. 25 
1.6. Калорические параметры вещества.......................................... 30 
 
ГЛАВА 2. Законы идеального газа. Теплоёмкость .................. 37 
2.1. Законы идеального газа 
............................................................. 37 
2.2. Уравнение состояния идеального газа 
..................................... 43 
2.3. Теплоёмкость газов 
.................................................................... 48 
2.4. Параметры процесса: работа и теплота ................................... 60 
 
ГЛАВА 3. Смеси идеальных газов 
............................................... 66 
3.1. Закон Дальтона 
........................................................................... 66 
3.2. Теплоёмкость газовой смеси 
..................................................... 72 
 
ГЛ.АВА 4. Первый закон термодинамики 
................................. 75 
4.1. Тепловое равновесие: нулевой закон термодинамики  .......... 75 
4.2. Первый закон термодинамики как форма закона сохранения  
и превращения энергии .................................................................... 76 
3 
 

Техническая термодинамика 
4.3. Уравнение первого закона термодинамики для закрытых  
и открытых термодинамических систем 
......................................... 82 
 
ГЛАВА 5. Основные термодинамические  
процессы идеальных газов 
............................................................ 89 
5.1. Алгоритм анализа термодинамических процессов 
................. 89  
5.2. Изохорный процесс. Примеры применения ............................ 90 
5.3. Изобарный процесс. Примеры применения ............................ 95 
5.4. Изотермический процесс. Примеры применения ................. 101 
5.5. Адиабатный процесс. Примеры применения ........................ 107 
5.6 Политропный процесс. Примеры применения 
....................... 117 
 
ГЛАВА 6. Второй закон термодинамики ................................. 123 
6.1. Обратимые и необратимые процессы и циклы ..................... 123 
6.2. Формулировки второго закона термодинамики 
.................... 127 
6.3. Энтропия. Принципы существования  
и возрастания энтропии 
.................................................................. 131 
6.4. Объединённое уравнение первого и второго законов 
термодинамики ............................................................................... 135 
6.5. Цикл Карно. Термический коэффициент  
полезного действия цикла Карно .................................................. 136 
 
ГЛАВА 7. Дифференциальные уравнения термодинамики . 144 
7.1. Уравнение Максвелла 
.............................................................. 144 
7.2. Дифференциальные уравнения для внутренней энергии, 
энтальпии и энтропии 
..................................................................... 146 
7.3. Дифференциальное уравнение теплоёмкости ....................... 150 
 
ГЛАВА 8. Термодинамика реальных газов ............................. 154 
8.1. Реальные газы: уравнение состояния 
..................................... 154 
4 
 

Содержание 
8.2. Реальные газы: фазовые превращения, фазовые диаграммы  
и таблицы 
......................................................................................... 162 
8.3. Термодинамические процессы водяного пара ...................... 177 
8.4. Устройства для получения пара и горячей воды  ................. 181 
 
ГЛАВА 9. Истечение газов и паров ........................................... 189 
9.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока ....... 189 
9.2. Основные уравнения процессов течения 
............................... 193  
9.3. Скорость звука ......................................................................... 199 
9.4. Истечение из суживающихся сопл 
......................................... 206 
9.5. Переход через скорость звука. Сопло Лаваля ....................... 215  
9.6. Истечение газов и паров с учётом трения ............................. 220 
9.7. Температура адиабатного торможения 
.................................. 222 
 
ГЛАВА 10. Влажный воздух  
и основы кондиционирования 
.................................................... 224  
10.1. Влажный воздух 
..................................................................... 224 
10.2. Психрометрические диаграммы ........................................... 234 
10.3. Процессы кондиционирования воздуха 
............................... 239 
10.4. Гигиенические основы кондиционирования.  
Классификация систем кондиционирования воздуха 
.................. 256 
 
ГЛАВА 11. Прямые термодинамические циклы тепловых 
машин 
.............................................................................................. 262 
11.1. Общие сведения о двигателе внутреннего сгорания .......... 263 
11.2. Термодинамический анализ циклов поршневых двигателей 
внутреннего сгорания 
..................................................................... 267 
11.3. Циклы газотурбинных установок 
......................................... 277 
11.4. Теплосиловые паровые циклы 
.............................................. 289 
 
 
5 
 

Техническая термодинамика 
ГЛАВА 12. Обратные термодинамические циклы  
................ 315 
12.1. Обратный цикл Карно ........................................................... 315 
12.2. Основные элементы холодильной машины (теплового 
насоса) 
.............................................................................................. 319 
12.3. Цикл и термодинамический анализ газовой холодильной 
машины 
............................................................................................ 326 
12.4. Цикл и термодинамический анализ парокомпрессионной 
холодильной машины 
..................................................................... 329 
12.5. Фазовые диаграммы холодильных агентов  ........................ 335 
12.6. Цикл и термодинамический анализ пароэжекторной 
холодильной машины 
..................................................................... 342 
12.7. Цикл и термодинамический анализ абсорбционной 
холодильной машины 
..................................................................... 347 
12.8. Тепловые насосы 
.................................................................... 351 
12.9. Теорема Нернста. Третий закон термодинамики 
................ 357 
 
ГЛАВА 13. Работоспособность термодинамической системы. 
Эксергия ......................................................................................... 361 
13.1. Эксергия, её виды и составляющие 
...................................... 362 
13.2. Анергия 
................................................................................... 378 
13.3. Уравнение эксергетического баланса.  
Эксергетический КПД .................................................................... 384 
13.4. Эксергетические диаграммы 
................................................. 388  
13.5. Примеры эксергетичеcкого анализа работы тепловых  
и холодильных установок .............................................................. 397 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................... 409 
 
ГЛОССАРИЙ ................................................................................ 413 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
............................................................................ 424 
 
6 
 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
L, l 
- работа, Дж; удельная работа, Дж/кг; 
Q, q 
- теплота, Дж; удельная теплота, Дж/кг; 
Ri 
- удельная газовая постоянная, Дж/(кгÂК); 
R— 
- универсальная газовая постоянная, Дж/(мольÂК); 
r 
- удельная теплота парообразования, Дж/кг; 
t 
- температура, ƒС; 
Т 
- абсолютная температура тела, К; 
tж 
- температура жидкости, ƒС; 
tc 
- температура стенки, ƒС; 
ts 
- температура насыщения, ƒС; 
p 
- давление, Па; 
р* 
- критическое давление истечения, соответствующее 
максимальному расходу газа через сопло, Па; 
H(I); h(i) - энтальпия, Дж; удельная энтальпия, Дж/кг; 
S; s 
- энтропия, Дж/К; удельная энтропия, Дж/(кгÂК);  
U, u 
- внутренняя энергия, Дж; удельная внутренняя энергия, 
Дж/кг; 
Е, е 
- эксергия, Дж; удельная эксергия, Дж/кг; 
P 
- молярная масса, кг/кмоль; 
m 
- масса, кг; 
V; v 
- объём, м3; удельный объём, м3/кг; 
G 
- массовый расход, кг/с; 
N 
- мощность, Вт; 
cp 
- удельная массовая теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(кгÂК); 
cv 
- удельная массовая теплоёмкость при постоянном объёме, Дж/(кгÂК); 
cn 
- удельная массовая политропная теплоёмкость, Дж/(кгÂК); 
а 
- скорость звука в газах, м/с; 
k 
- показатель адиабаты (показатель Пуассона); 
Ȉ 
- площадь сечения канала, м2; 
М 
- число Маха; 
7 
 

Техническая термодинамика 
W 
- время, с; 
ȡ 
- плотность, кг/м3; 
Q 
- коэффициент кинематической вязкости, м2/с; 
P 
- 
коэффициент динамической вязкости, кг/(м˜с); коэффициент преобразования теплоты (коэффициент теплотрансформации или отопительный коэффициент) тепловых насосов; 
ȥ 
- отношения давления газа на выходе из сопла к давлению 
перед соплом; 
w, Z 
- скорость движения потока, м/с; 
х 
- степень сухости пара; 
gi 
- массовая доля компонента смеси; 
ri 
- объёмная доля компонента смеси; 
Fi 
- мольная доля компонента смеси; 
H (СОР) - холодильный коэффициент, коэффициент теплотрансформации; 
ȗW 
- тепловой коэффициент пароэжекторной холодильной 
машины; 
H 
- степень сжатия; тепловлажностное отношение, Дж/кг; 
ȡ 
- 
степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания (для ДВС); степень повышения давления 
(для ГТУ);  
ȕ 
- степень повышения температуры (для ГТУ); 
F 
- сила, Н; 
g 
- ускорение свободного падения, м/с2; 
d 
- влагосодержание воздуха, г/кгс.в.;  
D, d 
- потери эксергии, Дж; удельные потери эксергии, Дж/кг; 
Z 
- коэффициент сжимаемости реальных газов 
х 
- координата вдоль оси Ох, м; 
y 
- координата вдоль оси Оy, м; 
z 
 
координата вдоль оси Оz, м. 
 
 
 
 
 
 
8 
 

Условные обозначения 
Индексы  
c, н.ж. 
- насыщенная жидкость; 
cc, с.н.п. - сухой насыщенный пар; 
i 
- i-й компонент смеси; 
см 
- смесь;  
н 
- состояние насыщения; 
кр 
- критическая точка;  
о 
- при температуре кипения;  
п 
- перегретый пар;  
подв 
- подведённая (применимо к теплоте); 
отв 
- отведённая (применимо к теплоте); 
пол 
- полезная (применимо к работе); 
абс 
- абсолютный; 
макс 
- максимальный (применительно к расходу, скорости).  
 
9 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Термодинамика (греч. șȑȡȝȘ - «тепло», įȪȞĮȝȚȢ  - «сила») - наука, изучающая наиболее общие свойства макроскопических систем и 
способы передачи и превращения энергии в таких системах.  
В историческом плане вопросы, связанные с представлениями о 
холоде и теплоте, являющимися одними из основных понятий в термодинамике, издавна интересовали человека.  Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и потому интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго 
до того, как появились соответствующие научные понятия. Изобретение в конце XVI века термометра - прибора, способного измерять 
температуру - положило начало развитию научного знания о теплоте. 
В целом термодинамика как эмпирическая наука возникла в связи с практической необходимостью изучения основных способов преобразования внутренней энергии тел в механическую работу. Появившиеся в XVII веке первые паровые машины  ознаменовали начало промышленной революции. Перед учёными и инженерами встала 
задача поиска способов увеличения их эффективности. Серьёзнейшим 
достижением термодинамики стало установление Сади Карно в  
1824 году в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» максимально возможного коэффициента полезного действия тепловых машин. В настоящее время принято считать, что термодинамика как наука ведёт своё начало именно с этой 
работы.  
В 40-х годах XIX века Р. Майер и Дж. Джоуль количественно 
определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 
50-е годы того же века Р. Клаузиус и У. Томсон (лорд Кельвин) систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели фундаментальные для термодинамики понятия энтропии и абсолютной 
температуры. Значительное развитие феноменологическая термодинамика получила в работах Дж. Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов и исследовал общие условия равновесия 
фаз. 
В основе термодинамики лежат три абсолютных по своей сути 
постулата - закона термодинамики. Среди них первое место занимает 
один из самых общих законов природы - закон сохранения и превращения энергии. 
10