Методические указания по изучению курса «Термодинамика и тепломассообмен»
Методические указания
Тема 1. Введение.
Изложенные в этом разделе темы являются основополагающими при изучении студентами курса.
Поэтому студент должен обратить особое внимание на правильность усвоения материала.
По мере изучения материала желательно законспектировать ответы на контрольные вопросы по теме.
Тема 2. Идеальные и реальные газы и их смеси
При изучении материала этой темы студент должен обратить особое внимание
на физическую модель идеального газа, ее отличие от модели реального газа,
знать основные газовые законы, понимать смысл универсального уравнения состояния
идеальных газов, смысл универсальной и характеристической газовой постоянной.
Нужно знать, как изменяется состояние газов в системах пневмоавтоматики.
В ходе изучения материала студент должен выяснить, какие факторы влияют на величину теплоемкости, внутренней энергии и энтальпии газа, освоить методику определения величины давления, температуры, объема, газовой постоянной, внутренней энергии, энтальпии, теплоемкости, уметь правильно пользоваться таблицами теплоемкости газов, понять, какие методы используют ученые для математического описания свойств реальных газов, что представляет собой влажный воздух и как нужно определять его параметры.
Необходимо иметь представление о том, какие процессы происходят с влажным воздухом в системах пневмоавтоматики.
Тема 3. Первый закон термодинамики и его приложение к термодинамическим процессам.
Студент должен правильно усвоить понятие внутренней энергии, теплоты, работы и энтропии. При этом следует отметить, что внутренняя энергия и энтропия не зависят от пути термодинамического процесса, а являются лишь функцией состояния, т.е. зависят от начального и конечного состояния. Кроме того, энтропия зависит от массы вещества и обладает свойствами аддитивности.
Необходимо понять, почему оказалось удобным применение T – S диаграммы при анализе термодинамических процессов.
Следует запомнить, что внутреннюю энергию, энтальпию, энтропию, теплоемкости в термодинамике называют калорическими свойствами вещества, а удельный объем, абсолютное давление, температуру- термическими.
Студент должен также представлять схему расчета основных характеристик любого термодинамического процесса, уметь анализировать изменение каждой из них в зависимости от типа процесса, представлять каждый из процессов как частный вид политропного при изменении величины показателя n , изображать процессы в P – V, T – S координатах, производить расчеты параметров процессов.
Тема 4. Второй закон термодинамики.
При изучении этой темы студент должен правильно понять значение второго закона термодинамики и те задачи, которые, в отличие от первого закона, позволяет решить второй.
Физический смысл второго закона должен быть понят с точки зрения превращения теплоты в работу. Следует обратить внимание на постулат Клаузиуса, который, выражая сущность второго закона, внешне отличается от формулировки Томсона.
Рассматривая циклы, следует понять, что цикл Карно является энергетически наиболее совершенным в заданном интервале температур подвода и отвода тепла из всех других циклов, что его к.п.д. не зависит от свойств рабочего тела.
Из анализа выражения для термического к.п.д. цикла Карно ?t следует, что нужно стремиться к увеличению разницы между температурами подвода и отвода тепла для повышения ?t.
В элементарном обратимом процессе изменения энтропии dS = dQ/T, в необратимом dS > dQ/T. Для обратимого цикла что является математической записью второго начала термодинамики. Следует понять, что к.п.д. обратимого цикла всегда больше к.п.д. необратимого цикла.
Необходимо иметь правильное представление о работе, которую совершает изолированная система при изменении своего состояния и условиях, при которых получается максимальная работа, уметь объяснять сущность понятия эксергии как максимальной полезной работы, эксергетического метода исследования и эксергетического к.п.д., характеризующего степень обратимости протекающего процесса, являющегося удобным показателем для определения термодинамического совершенства любого теплового аппарата.
Рассматривая вероятностный подход к состоянию термодинамической системы, нужно уметь правильно объяснять сущность метода, связь энтропии с вероятностью состояния системы, давать формулировку второго закона термодинамики по Больцману, понимать содержание и важность выводов Больцмана, указывающих на статистический, относительный характер второго закона.
При описании термодинамических свойств систем используют характеристические функции, применяя второй закон для аналитического метода исследования. Необходимо понять, что они представляют собой, каковы их свойства и какие результаты с их помощью можно получить.
Рассматривая дифференциальные уравнения термодинамики, следует понять, что, если производные характеристических функций определяют физические свойства вещества, то дифференциальные уравнения термодинамики выражают количественные связи между различными физическими свойствами вещества, вытекающие из первого и второго законов термодинамики.
Тема 5. Фазовые равновесия.
При изучении этого раздела студент должен обратить особое внимание на условия равновесия термодинамической системы, выяснить, от каких величин оно зависит и каким образом.
Необходимо выяснить, что называется фазовым равновесием, уметь записывать условия равновесия фаз для двухфазной системы, состоящей из двух фаз одного и того же вещества.
Рассматривая условия равновесия сложных систем, нужно понять, какую роль играет химический потенциал компонента при его переходе из одной фазы в другую в равновесной гетерогенной системе, что позволяет определить правило фаз Гиббса.
Рассматривая фазовые Р-Т и P-V диаграммы, нужно вспомнить, что называется плавлением, сублимацией, возгонкой, парообразованием, кристаллизацией, десублимацией, конденсацией, фазовым переходом.
Необходимо научиться правильно определять, в каком состоянии находится вещество в разных точках диаграмм, какие процессы соответствуют различным линиям.
Рассматривая уравнение Клапейрона – Клаузиуса, нужно не забывать, что оно применимо ко всяким изменениям агрегатного состояния химически однородных веществ и в общем виде характеризует изменение давления находящихся в равновесии фаз от температуры.
Тема 6. Истечение и дросселирование газов.
Приступая к изучению этого раздела, студент должен иметь представление об устройствах, в которых работа производится за счет внешней кинетической энергии рабочего тела. Следует понять, что в процессах изменения состояния движущегося газа теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы, но и на приращение внешней кинетической энергии газа при перемещении по каналу.
Нужно иметь представление о том, что называют располагаемой работой и работой проталкивания, уметь определять эти величины.
Рассматривая адиабатный процесс истечения газа, необходимо уметь определять скорость истечения и расход из основного уравнения располагаемой работы, анализировать уравнение массового расхода газа, знать, что такое критическое давление, критическая скорость и максимальный расход.
Анализируя условия течения идеального газа по каналам переменного сечения, нужно понять, почему в зависимости от скорости газа на входе один и тот же канал может стать и соплом и диффузором.
Рассматривая истечение газов с учетом трения, нужно понять, как трение влияет на процесс истечения и какими показателями учитывается это влияние.
Рассматривая сопло Лаваля, нужно обратить внимание на его преимущества и область применения.
Изучая процесс дросселирования следует установить, почему происходит падение давления и от каких фактором зависит его величина, что происходит с кинетической энергией газа, почему дросселирование - необратимый процесс.
Говоря об эффекте Джоуля-Томсона, нужно отметить, что в отличие от идеального газа, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется отклонением свойств реального газа от идеального. Это связано с действием межмолекулярных сил.
Тема 7. Компрессоры.
При изучении материала темы студент должен понять, что, несмотря на различие в принципах работы и конструктивном оформлении, термодинамика процессов сжатия в компрессорах одинакова для всех типов машин.
Нужно выяснить, как устроен и работает компрессор, почему рассматривают теоретическую модель и как она отличается от реального устройства, что является основной целью термодинамического расчета, как определяется работа на привод компрессора, какие процессы происходят за один рабочий цикл и как они изображаются на P-V и T-S диаграммах, чем отличается действительная индикаторная диаграмма от теоретической.
Следует обратить внимание на показатели, характеризующие эффективность работы компрессора, понять, зачем применяют охлаждение камеры сжатия, почему используют многоступенчатое сжатие, как работает многоступенчатый компрессор, как изображаются процессы в P-V и T-S диаграммах, как определяются параметры газа и величина работы на привод компрессора.
Нужно знать для чего применяют компрессоры в системах пневмоавтоматики, какие типы компрессоров чаще всего используют.
Тема 8. Циклы тепловых двигателей, паросиловых установок и холодильных машин.
Приступив к изучению темы, студент должен понять, что в реальных тепловых машинах превращение теплоты в работу связано со сложными физико-химическими, газодинамическими и термодинамическими процессами, учет которых делает изучение циклов сложным. Оно базируется в основном на экспериментальных исследованиях.
Для того, чтобы вместо действительных циклов рассматривать термодинамические, состоящие из обратимых термодинамических процессов, работу тепловых машин нужно идеализировать, приняв целый ряд допущений. Студент должен хорошо знать, в чем суть этих допущений и к каким погрешностям они могут привести.
Рассматривая идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), необходимо научиться определять количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры рабочего тела во всех точках цикла, термический к.п.д., производить анализ термического к.п.д..
Нужно знать, что такое степень сжатия, степень повышения давления, степень предварительного расширения.
Рассматривая циклы с подводом тепла при постоянном объеме и при постоянном давлении, а также со смешанным подводом тепла, уметь оценивать влияние различных факторов на величину термического к.п.д., сравнивать эффективность циклов, используя T-S диаграмму и понятие среднеинтегральной температуры, иметь представление об обобщенном термодинамическом цикле тепловых двигателей.
Рассматривая циклы газотурбинной, паротурбинной, парогазовой установок, необходимо наряду с описанием принципа действия и процессов цикла уделить особое внимание сравнению эффективности циклов и способам ее повышения.
Рассматривая холодильные установки, нужно понять, в чем заключается их общий принцип действия, как их принято классифицировать, почему воздушные и пароэжекторные установки не получили распространения, что является показателем совершенства установок, почему абсорбционные холодильные установки, термодинамические менее совершенные, чем паровые, все же получили широкое распространение.
Необходимо понять принцип действия устройств, применяемых для сжижения газов, знать, для чего предназначен тепловой насос и как он работает, что характеризует коэффициент теплоиспользования, что используют в качестве источника тепла с низкой температурой.
|
