Теплотехника. Теплопередача и термодинамика

А. А. ГАЖУР 
ТЕПЛОТЕХНИКА. 
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА  
И ТЕРМОДИНАМИКА 
Учебник 
Москва      Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.1.016 
ББК 31.31 
Г12 
Рецензенты: 
д-р техн. наук (РЭУ им. Г. В. Плеханова) А. В. Быстров; 
канд. техн. наук (ФГАНУ «ВНИМИ») П. В. Кузнецов 
Гажур, А. А 
Г12 
Теплотехника. Теплопередача и термодинамика : учебник / А. А. Гажур. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 312 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1174-5 
Освещаются основные положения теории теплопроводности, тепловые и холодильные процессы, термодинамические процессы и циклы. Уделено внимание практическим приложениям и решениям тепловых задач по 
теплопроводности и теплопередаче через многослойные стенки, теплоотдаче жидкости или газа при разных режимах и условиях течения, излучению между бесконечными пластинами, в замкнутом пространстве и др. 
Рассмотрены показатели энергоэффективности тепловых процессов и оборудования. 
Для студентов, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профили «Инжиниринг высокотехнологического оборудования», «Инженер-экономист». 
УДК 621.1.016 
ББК 31.31 
ISBN 978-5-9729-1174-5 
” Гажур А. А., 2023 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................... 8 
ЧАСТЬ I. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 
Глава 1. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ  ................................... 10 
1.1. Теплообмен. Его виды ......................................................................................................... 10 
1.2. Температурное поле. Теплопроводность 
........................................................................... 10 
1.3. Коэффициент теплопроводности ....................................................................................... 15 
1.4. Особенности теплопроводности в разных средах ............................................................ 18 
1.5. Дифференциальное уравнение теплопроводности ........................................................... 19 
1.6. Принцип решения тепловой задачи. Источники теплоты. Краевые условия  
(начальное условие и граничные условия: ГУ I-IV рода) ............................................... 23 
1.7. Теплопроводность при стационарном режиме для случая трёхмерного потока тепла  ..... 28 
1.8. Теплопроводность через плоскую стенку при стационарном режиме 
........................... 29 
1.9. Теплопроводность через цилиндрическую стенку ........................................................... 33 
1.10. Теплопроводность через шаровую стенку ...................................................................... 37 
1.11. Дифференциальные уравнения в частных производных ............................................... 39 
1.12. Метод разделения переменных (метод Фурье) ............................................................... 40 
 
Глава 2. ТЕПЛООТДАЧА ИЛИ КОНВЕКЦИЯ ................................................................. 51 
2.1. Коэффициент теплоотдачи 
.................................................................................................. 51 
2.2. Режимы движения жидкости .............................................................................................. 52 
2.3. Вязкость ................................................................................................................................ 54 
2.4. Теория подобия .................................................................................................................... 56 
2.5. Турбулентное движение жидкости или газа внутри гладких труб ................................. 60 
2.6. Ламинарное движение потока жидкости внутри гладких труб 
....................................... 61 
2.7. Теплоотдача в неограниченном пространстве .................................................................. 62 
2.8. Теплоотдача в ограниченном пространстве ...................................................................... 64 
2.9. Теплоотдача при поперечном омывании цилиндра ......................................................... 66 
2.10. Теплоотдача при омывании пучков труб 
......................................................................... 68 
2.11. Теплоотдача при конденсации пара ................................................................................. 71 
2.12. Теплоотдача при кипении ................................................................................................. 74 
2.13. Вывод критерия Нуссельта ............................................................................................... 79 
2.14. Уравнение Навье - Стокса ................................................................................................ 79 
 
Глава 3. ИЗЛУЧЕНИЕ ............................................................................................................. 82 
3.1. Спектр излучения. Инфракрасное излучение ................................................................... 82 
3.2. Свойства тел относительно излучения. Абсолютно черное тело ................................... 83 
3.3. Основные законы теплового излучения (Планка, Стефана - Больцмана,  
Вина, Ламберта, Кирхгофа). Закон Планка ....................................................................... 85 
3.4. Теплообмен излучением между телами 
............................................................................. 91 
3.5. Поглощение излучения газами и излучение газов 
............................................................ 97 
3 


Глава 4. СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН 
................................................................................. 99 
4.1. Эквивалентная теплоотдача ................................................................................................ 99 
4.2. Эквивалентное излучение ................................................................................................. 102 
 
Глава 5. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 
................................................................................................ 103 
5.1. Уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи 
............................................. 103 
5.2. Теплопередача через плоскую стенку 
.............................................................................. 103 
5.3. Теплопередача через цилиндрическую стенку ............................................................... 105 
5.4. Теплопередача через шаровую стенку 
............................................................................. 107 
5.5. Теплообменные аппараты ................................................................................................. 106 
 
Глава 6. ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ................................................ 112 
6.1. Применяемые и предлагаемые показатели энергетической эффективности 
............... 112 
6.2. Безразмерные показатели энергетической эффективности ........................................... 112 
 
Список литературы к части I ............................................................................................... 116 
 
ЧАСТЬ II. ТЕРМОДИНАМИКА 
                               РАЗДЕЛ 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ..................... 118 
Глава 7. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ........................................ 118 
7.1. Основные определения 
...................................................................................................... 118 
7.2. Идеальный газ. Параметры состояния ............................................................................. 119 
 
Глава 8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. УРАВНЕНИЕ  
СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ................................................................ 124 
8.1. Термодинамическая система ............................................................................................ 124 
8.2. Классификация термодинамических систем 
................................................................... 124 
8.3. Поверхность термодинамических процессов 
.................................................................. 125 
8.4. Уравнение состояния идеального газа 
............................................................................. 127 
 
Глава 9. ЗАКОН АВОГАДРО. КИЛОМОЛЬ.  
ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ. ГАЗОВЫЕ СМЕСИ ............................................ 129 
9.1. Закон Авогадро. Киломоль ............................................................................................... 129 
9.2. Определение величины газовой постоянной .................................................................. 129 
9.3. Газовые смеси 
..................................................................................................................... 130 
 
 
Глава 10. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ............................................................................................... 135 
10.1. Теплоемкость. Постоянная теплоемкость ..................................................................... 135 
10.2. Переменная теплоемкость 
............................................................................................... 138 
4 


10.3. Истинная теплоемкость 
................................................................................................... 139 
10.4. Средняя теплоемкость ..................................................................................................... 139 
10.5. Теплоемкость газовой смеси 
........................................................................................... 141 
 
Глава 11. ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ  
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. Pv-ДИАГРАММА.  
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ........................................................ 142 
11.1. Графический метод исследования термодинамических процессов. 
  Pv-диаграмма 
.................................................................................................................... 142 
11.2. Внутренняя энергия состояния тела (газа) .................................................................... 143 
11.3. Работа в термодинамическом процессе ......................................................................... 145 
11.4. Первый закон термодинамики 
........................................................................................ 146 
 
Глава 12. ИЗОПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗА.  
ИЗОХОРНЫЙ И ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕССЫ.  
УРАВНЕНИЕ МАЙЕРА ...................................................................................... 147 
12.1. Изопроцессы изменения состояния газа 
........................................................................ 147 
12.2. Изохорный процесс 
.......................................................................................................... 148 
12.3. Изобарный процесс 
.......................................................................................................... 150 
12.4. Уравнение Майера ........................................................................................................... 152 
 
Глава 13. ЭНТАЛЬПИЯ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ  
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНТАЛЬПИИ.  
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС 
..................................................................... 153 
13.1. Энтальпия (теплосодержание) 
........................................................................................ 153 
13.2. Первый закон термодинамики с использованием энтальпии 
...................................... 154 
13.3. Изотермический процесс 
................................................................................................. 158 
 
Глава 14. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС. ПОЛИТРОПНЫЙ ПРОЦЕСС ...................... 160 
14.1. Адиабатный процесс 
........................................................................................................ 160 
14.2. Политропный процесс изменения состояния идеального газа 
.................................... 163 
 
Глава 15. ЭНТРОПИЯ. Ts-ДИАГРАММА. ПЕРЕНОС ПРОЦЕССОВ  
ИЗ Рv-ДИАГРАММЫ В Ts-ДИАГРАММУ .................................................... 167 
15.1. Энтропия. Ts-диаграмма ................................................................................................. 167 
15.2. Перенос процессов из Рv- в Ts-диаграмму 
.................................................................... 175 
 
                                 РАЗДЕЛ 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ........................... 177 
Глава 16. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.  
ТЕРМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ. ЦИКЛ И ТЕОРЕМА КАРНО.  
ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО. ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ........ 177 
16.1. Второй закон термодинамики 
......................................................................................... 177 
5 


16.2. Термический коэффициент ............................................................................................. 178 
16.3. Цикл Карно. Теорема Карно ........................................................................................... 182 
16.4. Обратный цикл Карно. Холодильный коэффициент 
.................................................... 187 
 
Глава 17. ЭНТРОПИЯ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ.  
УРАВНЕНИЕ КЛАУЗИУСА. ОСНОВНОЕ  
УРАВНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ.  
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭНТРОПИИ ............................ 189 
17.1. Энтропия в циклическом процессе. Уравнение Клаузиуса ......................................... 189 
17.2. Основное уравнение термодинамики ............................................................................ 193 
17.3. Статистическая интерпретация энтропии ..................................................................... 193 
 
Глава 18. ВОДА И ВОДЯНОЙ ПАР. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ.  
РT-, Рv- И Ts-ДИАГРАММЫ ВОДЯНОГО ПАРА.  
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА.  
ВОДЯНОЙ ПАР В Is-ДИАГРАММЕ ................................................................ 194 
18.1. Вода и водяной пар .......................................................................................................... 194 
18.2. Фазовые переходы. РT-диаграмма ................................................................................. 199 
18.3. Рv- и Ts-диаграммы водяного пара. Параметры состояния водяного пара 
................ 201 
18.4. Водяной пар в Is-диаграмме 
............................................................................................ 209 
 
Глава 19. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ. Pv-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА.  
ТОЧКА РОСЫ. АБСОЛЮТНАЯ И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ. 
ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ. id-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА ....... 214 
19.1. Влажный воздух ............................................................................................................... 214 
19.2. Влажный воздух в Рv-диаграмме. Точка росы 
.............................................................. 215 
19.3. Абсолютная и относительная влажность ...................................................................... 217 
19.4. Влагосодержание ............................................................................................................. 219 
19.5. Влажный воздух в id-диаграмме .................................................................................... 221 
 
Глава 20. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТТО,  
ДИЗЕЛЯ И ТРИНКЛЕРА. СРАВНЕНИЕ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ.  
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ................................................. 224 
20.1. Циклы тепловых двигателей 
........................................................................................... 224 
20.2. Цикл Отто ......................................................................................................................... 226 
20.3. Цикл Дизеля 
...................................................................................................................... 228 
20.4. Цикл Тринклера ............................................................................................................... 230 
20.5. Сравнение эффективности идеальных циклов 
.............................................................. 232 
20.6. Эффективность реальных циклов................................................................................... 237 
 
Глава 21. КОМПРЕССОР. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПРЕССОРОВ.  
ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ, ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ  
И МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОРЫ. 
........................................... 240 
6 


21.1. Компрессор. Классификация компрессоров ................................................................. 240 
21.2. Одноступенчатый компрессор 
........................................................................................ 240 
21.3. Двухступенчатый компрессор ........................................................................................ 246 
21.4. Многоступенчатый компрессор ..................................................................................... 250 
 
Глава 22. ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. ИХ ЦИКЛЫ. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ.  
БЫТОВОЙ ХОЛОДИЛЬНИК. АБСОРБЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ  
УСТАНОВКА. ТЕПЛОВОЙ НАСОС ............................................................... 252 
22.1. Холодильные установки.  
................................................................................................ 252 
22.2. Дросселирование. Уравнение первого закона термодинамики для потока газа.  
Дифференциальный и интегральный эффект Джоуля - Томсона ............................... 260 
22.3. Бытовой холодильник 
...................................................................................................... 263 
22.4. Абсорбционная холодильная установка ........................................................................ 264 
22.5. Тепловой насос 
................................................................................................................. 266 
 
Глава 23. ЦИКЛ РЕНКИНА. ОБОБЩЕННЫЙ ЦИКЛ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. 
ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА. ГАЗОВАЯ ТУРБИНА.  
ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ. ТЕПЛОФИКАЦИЯ 
............................. 269 
23.1. Цикл Ренкина.................................................................................................................... 269 
23.2. Обобщенный термодинамический цикл тепловых двигателей 
................................... 273 
23.3. Индикаторная диаграмма ................................................................................................ 276 
23.4. Газовая турбина 
................................................................................................................ 277 
23.5. Тепловая электростанция. Теплофикация ..................................................................... 279 
 
Глава 24. ЭКСЕРГИЯ. ЭНТРОПИЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ. 
НУЛЕВОЕ И ТРЕТЬЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ............................... 283 
24.1. Эксергия 
............................................................................................................................ 283 
24.2. Энтропия и термодинамическая вероятность ............................................................... 287 
24.3. Нулевое начало термодинамики (общее начало термодинамики).  
Третье начало термодинамики (теорема Нернста) 
....................................................... 291 
 
Список литературы к части II ............................................................................................. 292 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
....................................................................................................................... 293 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ...................................................................................................................... 295 
7 


ВВЕДЕНИЕ 
 
Обеспечение эффективного развития экономики в большой степени базируется на совершенствовании использования энергии в тепловых и холодильных 
процессах. Это касается и сферы инфраструктурного развития, включающего все 
виды зданий, сооружений и коммуникаций, и сферы пищевой промышленности 
и общественного питания и др. Анализ тепловых процессов и выбор эффективных решений, выбор, проектирование и эксплуатация теплового и холодильного 
оборудования основываются на теоретических положениях теории теплопроводности, частными случаями которой являются все тепловые процессы. Благодаря 
этому инженерная дисциплина «Теплотехника», включающая в себя в качестве 
составляющей ряд базовых положений и приложений теории теплопроводности, 
преподается при изучении практически любых инженерных специальностей. 
Дисциплина «Теплопередача», базирующаяся на теории теплопроводности, являющейся составным элементом математической физики, входит в курс инженерной дисциплины «Теплотехника». Дисциплина «Теплотехника» включает в 
себя также ряд положений термодинамики, касающейся теоретических основпередачи и превращения энергии, работы тепловых машин и др. 
В учебнике раскрываются следующие теоретические вопросы: решение 
дифференциального уравнения теплопроводности Фурье, принципы реше- 
ния тепловой задачи, краевые и граничные условия (Дирихле (I рода), Нейма- 
на (II рода), Робена (III рода), уравнение Ньютона - Рихмана, элементы теории 
подобия, критерии Нуссельта, Рейнольдса и др., критериальные уравнения, уравнения Навье - Стокса, законы излучения Планка, Стефана - Больцмана и др.), 
сложный теплообмен и уравнение теплопередачи. Уделено внимание практическим приложениям и решениям тепловых задач по теплопроводности и теплопередаче через многослойные стенки, теплоотдаче жидкости или газа при разных 
режимах и условиях течения, излучению между бесконечными пластинами, в замкнутом пространстве и др. Также рассмотрены показатели энергоэффективности тепловых процессов и оборудования. В целом изучение дисциплины «Теплопередача» предполагает освоение методов постановки и решения тепловых задач.  
Вторая часть учебника представляет собой изложение базовых основ дисциплины «Термодинамика». В эту часть включены основные определения, сведения о термодинамической системе, уравнении состояния идеального газа, законах термодинамики, изопроцессах, энтальпии, энтропии, термодинамических 
циклах, воде и водяном паре, фазовых переходах, влажном воздухе, эксергии  
и др. Приведены устройства и способы функционирования ряда аппаратов,  
использующих термодинамические закономерности. В частности, рассмотрены 
8 


тепловые двигатели (циклы Отто, Дизеля, Тринклера, индикаторная диаграмма), 
компрессоры, холодильные машины, паросиловые установки (цикл Ренкина)  
и др. Знания термодинамики необходимы как для знания работы тепловых и  
холодильных машин, так и процессов пищевых производств, например, сушки. 
Учебник снабжен справочным материалом, вынесенным в приложение, который включает таблицы со значениями коэффициентов теплопроводности,  
температуропроводности, значения теплоемкости различных веществ, коэффициентов вязкости газов, параметров водяного пара и др. 
Изложенные в учебнике сведения о теплопередаче и термодинамике позволяют сформировать у студента представление о тепловых процессах и реализующих их оборудовании. 
9 


 
ЧАСТЬ I. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 
 
 
Глава 1 
ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 
 
1.1. Теплообмен. Его виды 
Теплообмен (теплоперенос) (англ. heat transfer) - переход некоторого количества теплоты от одного тела к другому. Существуют два вида теплообмена: 
1) теплообмен излучением (анг. radiation). Тепловая энергия первого тела 
переходит в лучистую энергию Е, достигает второго тела, поглощается 
им и переходит в тепловую энергию второго тела. И наоборот. Тела не 
соприкасаются; 
 
Рис. 1.1. Теплообмен излучением 
 
2) теплообмен соприкосновением: а) теплообмен конвекцией или теплоотдача (англ. convection) - перенос теплоты нагретыми слоями жидкости 
или газа; б) теплоперенос теплопроводностью (кондукцией) (англ. 
conductivity) - перенос теплоты (Екин) соседними молекулами (на рисунке - через заштрихованную область). 
10