Termodynamika WIESŁAW PUDLIK.pdf

(5822 KB) Pobierz
P O L I T E C H N I K A
G D A
Ń S K A
WIESŁAW PUDLIK
TERMODYNAMIKA
Skrypt przeznaczony dla studentów Wydziałów
Mechanicznego oraz Oceanotechniki i Okrętownictwa
Gdańsk, 2007
P R Z E W O D N IC Z Ą C Y K O M IT E T U R E D A K C Y JN E G O
W Y D A W N IC T W P O L IT E C H N IK I G D A Ń S K IE J
Zbigniew Cywiński
REDAKTOR
Zdzisław Puhaczewski
RECENZENT
W iesław Jasiński
W ydano za zgodą
R ek tora P olitechniki G dańskiej
754/187
WYDANIE III - cyfrowe
Przygotowane wiosna roku 2007 na podstawie papierowego, drugiego wydania z roku 1998
z uwzględnieniem zmian i poprawek wprowadzonych przez autora obecnie.
Formę elektroniczną dzieła wykonał zespół Biblioteki Głównej Politechniki Gdańskiej
pod kierownictwem magistra Lecha Zięboraka.
ISBN 987-83-904107-8-4
Str.
PRZEDMOWA....................................................................................................................................5
1. PODSTAWOWE P O JĘ C IA ...................................................................................................7
1.1. Przedmiot i podział termodynamiki
...........................................7
1.2. E n e rg ia ...................................................................................................................................8
1.3. Substancja............................................................................................................................ 11
1.4. System termodynamiczny......................................................................................................13
1.5. Stan termodynamiczny..........................................................................................................14
1.6. P rzem ian a............................................................................................................................ 19
1.7. P r a c a ................................................................................................................................. 21
1.8. Ciepło......................................................................................................................................27
1.9. Energia a ciepło i p r a c a ................................................................................................. 34
2. PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI..........................................................................37
2.1. System zamknięty.................................................................................................................. 38
2.2. System otwarty (przepływowy).............................................................................................40
3. WŁAŚCIWOŚCI G A ZÓ W ........................................................................................................45
3.1. Modele gazów........................................................................................................................45
3.2. Równanie s t a n u .................................................................................................................. 46
3.3. Prawo Avogadry
...........................................................55
3.4. Energia cieplna i e n ta lp ia ...............................................................................................58
3.5. Związek między cieplarni właściwymi............................................................................... 65
3.6. Ciepła molowe gazów doskonałych według teorii kinetycznej..................................... 69
3.7. Ciepła molowe gazów półdoskonałych........................................................................ 71
3.8. Mieszaniny gazów doskonałych lub półdoskonałych...................................................74
4. PRZEMIANY GAZÓW ........................................................................................................... 83
4.1. Przemiany charakterystyczne................................................................................................83
4.2. Ogólna przemiana
gazów doskonałych — P o litro p a ....................................84
4.3. Praca w charakterystycznych przemianach gazów do skonałych...............................94
4.4. Obiegi termodynamiczne................................................................................................... 101
4.5. Dławienie adiabatyczne...................................................................................................118
4.6. Adiabatyczne napełnianie i opróżnianie zbiorników.....................................................121
5. DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI I JEJ KONSEKWENCJE...............................130
5.1. Sformułowania w erbalne.................................................................................................130
5.2. Odwracalność i nieodwracalność procesów................................................................131
5.3. Praca w procesach odwracalnych i nieodwracalnych..............................................133
5.4. Sprawności obiegów odwracalnych i nieodwracalnych........................................... 138
5.5. Entropia i wykres T-s................................................................................................... 141
5.6. Zastosowania fizyczne entropii.........................................................................................163
5.7. Ogólne wyrażenie analityczne II zasady termodynamiki............................................ 167
5.8 Termodynamiczna skala temperatury.............................................................................. 168
5.9 Warunki stabilności systemów termodynamicznych..................................................173
5.10. Równania termodynamiczne M axw ella........................................................................ 180
5.11. Molekularno-statystyczny sens entropii........................................................................... 183
Str.
6. E G Z E R G IA ................................................................................................................................188
6.1. Egzergie substancji i c ie p ła ..........................................................................................188
6.2. Prawo Gouy-Stodoli.........................................................................................................192
6.3. Bilans egzergii................................................................................................................... 194
6.4. Sprawność egzergetyczna................................................................................................195
7. WŁAŚCIWOŚCI JEDNOSKŁADNIKOWYCH PAR NASYCONYCH.....................200
7.1. Proces izobarycznego p aro w an ia.............................................................................. 200
7.2. Energia cieplna i entalpia w procesie p a ro w a n ia ................................................. 205
7.3. Równanie Clausiusa-Clapeyrona.............................................................................. 214
7.4. Stan i funkcje stanu pary mokrej.................................................................................. 215
7.5. Przemiany charakterystyczne pary mokrej.................................................................... 220
8. WŁAŚCIWOŚCI PAR PRZEGRZANYCH..........................................................................228
8.1 Równanie s ta n u ............................................................................................................. 229
8.2. Energia cieplna, entalpia i ciepła właściwe................................................................... 238
8.3. Użytkowe wykresy entalpowe.......................................................................................240
9. TERMODYNAMICZNE OBIEGI PAROWE....................................................................... 244
9.1. Prawobieżne obiegi Clausiusa-Rankine'a................................................................ 245
9.2. Obieg rzeczywistej siłowni parowej............................................................................260
9.3. Lewobieżny obieg Lindego..........................................................................................265
9.4. Obieg rzeczywistej pompy c ie p ła ................................................................................. 274
10. ZJAWISKO JOULEA-THOMSONA...............................................................................277
10.1. Miary ilościowe zjaw iska......................................................................................... 277
10.2. Praca przemiany izotermicznej gazów niedoskonałych..............................................285
10.3. Skraplanie gazów ........................................................................................................... 286
11. GAZY W IL G O T N E ............................................................................................................. 294
11.1. Podstawowe p o jęcia.....................................................................................................294
11.2. Równanie s ta n u ............................................................................................................. 299
11.3. Entalpia i energia c ie p ln a ............................................................................................ 301
11.4. Wykres entalpia - zawartość wilgoci.............................................................................304
11.5. Przemiany sprężania i rozprężania.............................................................................. 308
11.6. Przemiany izobaryczne..................................................................................................... 311
11.7. Zmiany temperatury wody zawartej w powietrzu przesyconym wynikające ze
zmieszania z powietrzem nienasyconym......................................................................... 325
12. TERMODYNAMIKA SPA LANIA........................................................................................332
12.1. Ogólne wiadomości o sp alan iu .................................................................................... 332
12.2. Bilans ilości substancji przy spalaniu paliw stałych i ciekłych...............................334
12.3. Bilans ilości substancji przy spalaniu paliw gazowych...........................................345
12.4. Stechiometryczna kontrola sp a la n ia ............................................................................ 349
12.5. Efekty energetyczne sp a la n ia ....................................................................................... 355
12.6. Bilans energii urządzeń spalających............................................................................. 366
12.7. Energetyczna kontrola sp alan ia.....................................................................................369
12.8. Temperatura sp alan ia......................................................................................................373
13. TERMODYNAMIKA PRZEPŁY W Ó W ............................................................................ 378
13.1. Podstawowe równania i p o ję c ia ..................................................................................378
13.2. Adiabatyczny przepływ przez dysze............................................................................... 385
13.3. Analiza przepływu izentropowego w kanale o zmiennym przekroju . . . .403
13.4. Dysze w przypadku zmiany przeciwciśnienia....................................................... .407
13.5. Adiabatyczny przepływ przez kanał o stałym p rz e k ro ju .......................................410
BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................................414
PRZEDMOWA
Cogito, ergo sum *
René Descartes
(Kartezjusz)
Termodynamika uchodzi, nie bez racji, za jeden z trudniejszych przed­
miotów w toku studiów, przygotowujących do zawodu inżyniera-mechanika.
Dzieje się tak zapewne dlatego, że relacje termodynamiczne mają charakter
bardzo ogólny i stosują się do dowolnych ciał fizycznych niezależnie od
rodzaju czy struktury tych ciał. Stąd np. uniwersytecki podręcznik K. Gumińs-
kiego o objętości 353 stron zawiera tylko jeden schemat unaoczniający
rzeczywistość substancjalną oraz kilka wykresów zależności matematycznych.
Jednak
inżynier-mechanik ma zawsze do czynienia z obiektami konkret­
nymi, w których przebiegają interesujące go procesy fizyczne. Dlatego wykład
termodynamiki technicznej musi wiązać abstrakcyjne pojęcia i zależności
termodynamiczne z właściwościami substancji z jednej, a rozlicznymi za­
stosowaniami technicznymi z drugiej strony.
Tak jest również w niniejszym skrypcie, w którym ogólne koncepcje
i prawa termodynamiki wyłożone są z myślą o ich zastosowaniach praktycz­
nych.
Jednakże dopiero po rozwiązaniu szeregu zadań poznaje Studiujący
właściwą użyteczność tego przedmiotu. Poza tym cykl nauczania termo­
dynamiki obejmuje jeszcze dwie serie ćwiczeń laboratoryjnych: pierwszą uczącą
umiejętości wykonywania pomiarów głównych wielkości termodynamicznych
oraz drugą umożliwiającą samodzielne przeprowadzanie i opracowywanie
energetycznych pomiarów typowych maszyn i urządzeń.
W skrypcie niniejszym wykorzystano wieloletnie doświadczenie w nau­
czaniu termodynamiki, jakie autor uzyskał w kontakcie ze studentami Wy­
działów Mechanicznych oraz Oceanotechniki i Okrętownictwa PG, i żywi on
przekonanie, że z treści skryptu odniosą pożytek następne roczniki studiują­
cych na tych Wydziałach.
Gdańsk, kwiecień 1993 r.
*
Myślę więc jestem (łac.)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin