Теплофизика

Дополнительная

Основная

1. Теплотехника. Учеб. для вузов. / В.Н. Луканин и др. – 2-е изд., перераб., - М.: Высш.шк., 2005.

2. Техническая термодинамика. Учеб. для вузов. / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов. – М.: Высш.шк., 2000.

3. Термодинамика и теплопередача. Учеб. для вузов. / А.В. Болгарский и др. – 2-е изд. – М.: Высш.шк. 1975.

4. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче. / А.В. Болгарский и др. – М.: Высш.шк., 1972.

Изучение дисциплины предусматривает:

1) самостоятельную работу с учебником;

2) выполнение контрольной работы, которая содержит 2 задачи и 2 вопроса;

3) курс обзорных лекций (8 час);

4) практические занятия (8 час);

5) зачет.

2.1. Рабочая программа курса «Теплофизика»

1. Введение. Термодинамика. Области применения. Основные этапы развития. Роль русских и зарубежных ученых в развитии термодинамики.

2. Основные положения и определения. Термодинамическая система. Гомогенные и гетерогенные системы, понятие термодинамических фаз. Обмен энергией и веществом. Термодинамическое равновесие. Термодинамический процесс. Равновесие и обратимые термодинамические процессы. Основной постулат термодинамики. Внешние и внутренние параметры состояния.

3. Давление (размерность, методы измерения давления). Понятие идеального газа. Температура, шкалы температур. Плотность и удельный объем.

4. Термическое уравнение состояния идеального газа. Газовая постоянная, ее размерность. Уравнение состояния для 1 моля газа. Расчет плотности и удельного объема.

5. Газовые смеси. Способы задания состава смеси. Закон Дальтона. Парциальное давление, парциальный объем.

6. Энергетические характеристики систем. Энергия. Теплота и работа. Энтальпия. Внутренняя энергия.

7. Теплоемкость. Понятие теплоемкости. Виды выражения теплоемкости. Средняя и истинная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры. Отношения теплоемкостей.

8. Первый закон термодинамики. Взаимодействие системы с окружающей средой. Анализ уравнения первого закона термодинамики.

9. Равновесные процессы. Обратимость. Прямые и обратные циклы. Политропные процессы. Показатель политропы. Работа, внутренняя энергия и теплота в политропных процессах. Частные политропные процессы. Графическая интерпретация политропных процессов.

10. Второй закон термодинамики. Основные положения. Прямые и обратные циклы. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент. Тепловые насосы, тепловые трансформаторы. Цикл Карно. Теорема Карно. Энтропия. Физический смысл энтропии.

11. Реальные газы и пары. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса. Критическая точка, критические параметры. Изменение агрегатного состояния. Тройная точка. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении.

12. Течение газов. Основные уравнения газового потока. Располагаемая работа потока. Скорость истечения и расход газа. Истечение газа из резервуара неограниченной емкости. Скорость звука. Расширяющиеся сопла. Дросселирование газов.

13. Машины для сжатия и расширения газов. Компрессор. Процессы в одноступенчатом компрессоре. Работа и мощность компрессора. Детандеры.

14. Циклы холодильных машин. Цикл воздушно-холодильной машины. Цикл парокомпрессионной холодильной машины. Цикл теплового насоса.

15. Парогазовые смеси. I-d диаграмма влажного воздуха.

2.2. Контрольная работа I

Задачи

1. Масса 1 м³ метана при определенных условиях составляет 0,7 кг. Определить плотность и удельный объем метана при этих условиях.

2. В сосуде объемом 0,9 м³ находится 1,5 кг окиси углерода. Определить удельный объем и плотность окиси углерода при указанных условиях.

3. Давление воздуха по ртутному барометру равно 770 мм рт.ст. Выразить это давление в барах и Н/м².

4. Давление воздуха, измеренное ртутным барометром, равно 765 мм рт.ст. Выразить это давление в барах.

5. Определить абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает Р=1 бар, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет 680 мм рт.ст.

6. В конденсаторе паровой турбины поддерживается абсолютное давление Р=0,004 МПа. Каковы показания вакууметра, проградуированного в Н/м² и мм рт.ст, если показания барометра составляют 734 мм.рт.ст.?

7. Какой высоте водяного столба соответствует давление 1 кг/м²?

8. Температура пара, выходящего из перегревателя парового котла, равна 950° F. Перевести эту температуру в ° С.

9. Скольким градусам шкалы Цельсия соответствуют температуры 100° F и -4° F?

10. Водяной пар перегрет на 45°. Чему соответствует этот перегрев по термометру Фаренгейта?

11. Свинцовый шар падает с высоты 80 м на твердую поверхность. При этом кинетическая энергия переходит в теплоту, 80% которой им усваивается. Теплоемкость свинца С_р=0,1256 Дж/кг×град. На сколько градусов нагреется при падении шар?

12. Какой объем занимает 1 кг азота при температуре 70° С и давлении 2×10⁵ Н/м²?

13. Какой объем будет занимать 1 кг воздуха при давлении 4,4×10⁵ Па и температуре 18° С?

14. Определить массу 5 м³ водорода и 5 м³ кислорода при давлении 6×10⁵ Па и температуре 100° С.

15. Какой объем занимает 10 кмоль азота при нормальных условиях?

16. Какой объем занимает 10 кмоль кислорода при нормальных условиях?

17. Сосуд емкостью V=10 м³ заполнен 25 кг углекислого газа (СО₂). Определить абсолютное давление в сосуде, если температура в нем

t=27° С.

18. Какова плотность окиси углерода (СО) для 20° С и 710 мм рт.ст, если при нормальных физических условиях она равна 1,25 кг/м³?

19. Какова плотность кислорода при 0° С и давлении 600 мм рт.ст., если при 760 мм рт.ст. и 15° С она равна 1,310 кг/м³?

20. Во сколько раз больше воздуха по массе вмещает резервуар при 10° С, чем при 50° С, если давление остается неизменным?

21. Масса пустого баллона для кислорода емкостью 50 л равна 80 кг. Определить массу баллона после заполнения его кислородом при t=20° С до давления 100 бар.

22. Определить массу кислорода в баллоне объемом 100 л, если абсолютное давление 1,2×10⁵ Па и температура t=16° С.

23. Определить подъемную силу воздушного шара, наполненного водородом, если его объем равен 1 м³ при давлении 750 мм рт.ст. и температуре 15° С.

24. Сжатый воздух в баллоне имеет температуру 15° С и давление 48×10⁵ Па. Во сколько раз повысится давление в баллоне, если во время пожара его температура повысится до 450° С?

25. Воздух, заключенный в баллоне емкостью 0,9 м³, выпускают в атмосферу. Начальная температура воздуха 27° С. Определить массу выпущенного воздуха, если начальное давление составляло 93,2 бар, конечное давление 42,2 бар, а температура воздуха снизилась на 17° С.

26. В 1 м³ воздуха содержится 0,21 м³ кислорода и 0,79 м³ азота. Определить массовый состав воздуха и парциальные давления кислорода и азота.

27. Смесь газов состоит из водорода и окиси углерода. Массовая доля водорода =6,67%. Определить газовую постоянную смеси и ее удельный объем при нормальных условиях.

28. Определить газовую постоянную смеси газов, состоящей из 1 м³ генераторного газа и 1,5 м³ воздуха, взятых при нормальных условиях, и найти парциальные давления компонентов. Плотность генераторного газа принять r=1,2 кг/м³.

29. В цилиндр газового двигателя поступает смесь, состоящая из 20 массовых долей воздуха и одной доли коксового газа. Определить плотность и удельный объем смеси при нормальных условиях. (Молекулярная масса коксового газа – 11,5; газовая постоянная – 721,0).

30. Определить массовый состав газовой смеси, состоящей из углекислого газа и азота, если известно, что парциальное давление углекислого газа =1,2 бар, а давление смеси Р_см=3 бар.

31. Газ при давлении Р₁=10 бар и температуре t₁=20° С нагревается при постоянном объеме до t₂=300° С. Определить конечное давление газа.

32. Газ при давлении Р₁=5 бар и температуре t₁=100° С нагревается при постоянном объеме до t₂=200° С. Определить конечное давление газа.

33. В закрытом сосуде емкостью V=0,3 м³ содержится 2,75 кг воздуха при давлении Р₁=8 бар и температуре t₁=25° С. Определить давление и удельный объем после охлаждения воздуха до 0° С.

34. В закрытом сосуде заключен газ при давлении Р₁=28 бар и температуре t₁=120° С. Чему будет равно давление Р₂, если температура упадет до t₂=25° С?

35. До какой температуры нужно нагреть газ при V=const, если начальное давление газа Р₁=2 бар и температура t₁=20° С, а конечное давление Р₂=5 бар?

36. Сосуд емкостью 90 л содержит воздух при давлении 8 бар и температуре 30° С. Определить количество тепла, которое необходимо сообщить воздуху, чтобы повысить его давление при V=const до 10 бар. Зависимость C=f(t) принять линейной.

37. В резервуаре объемом Т=0,5 м³ находится углекислый газ при давлении Р₁=6 бар и температуре t₁=527° С. Как изменится температура газа, если от него отвести 436 кДж тепла? Зависимость теплоемкости от температуры принять линейной.

38. Какое количество тепла необходимо затратить, чтобы нагреть 2 м³ воздуха при постоянном избыточном давлении Р=2 бар от t₁=100° С до t₀=500° С? Какую работу совершит воздух? Давление атмосферы принять равным 760 мм рт.ст.

39. В установке воздушного отопления воздух нагревается в калорифере от t₁=-15° С до t₂=60° С при Р=const. Какое количество тепла нужно затратить для нагрева 1000 м³ воздуха? Теплоемкость принять постоянной, атмосферное давление принять 760 мм рт.ст.

40. К 1м³ воздуха, находящемуся в цилиндре со свободно движущемся поршнем, подводится при постоянном давлении 335 кДж тепла. Объем воздуха при этом увеличивается до 1,5 м³. Начальная температура воздуха равна 15° С. Какова будет конечная температура воздуха и какую работу совершит воздух?

41. 1 кг воздуха при температуре t=30° С и начальном давлении Р₁= 1бар сжимается изотермически до конечного давления Р₂=10 бар. Определить конечный объем, затрачиваемую работу и количество тепла, отводимого от воздуха.

42. В воздушный двигатель подается 0,0139 м³/с воздуха при Р₁=5 бар и t₁=40° С. Определить мощность, полученную при изотермическом расширении воздуха в машине, если Р₁=1 бар.

43. Воздух при давлении Р₁=1 бар охлаждается до t₂=45° С. Определить начальную температуру и работу, совершенную 1 кг воздуха.

44. Работа, затраченная на адиабатное сжатие 3 кг воздуха, составляет 471 кДж. Начальное состояние воздуха характеризуется параметрами: t₁=15° С, Р₁=1 бар. Определить конечную температуру изменения внутренней энергии.

45. В процессе политропного сжатия затрачивается работа, равная 195 кДж, причем от газа отводится 25- кДж теплоты. Определить показатель политропы.

46. В процессе политропного расширения воздуха сообщается 83,7 кДж тепла. Определить изменение внутренней энергии воздуха и произведенную работу, если объем воздуха увеличивается в 10 раз, а давление уменьшилось в 8 раз.

47. 20 м³ воздуха при давлении 8 бар и температуре t₁=18° С сжимаются по политропе до Р₂=80 бар, показатель политропы n=1,25. Какую работу надо затратить для получения 1 м³ сжатого воздуха и какое количество тепла отводится при сжатии.

48. Определить энтропию 1 кг кислорода при Р=6 бар и t=300° С. Теплоемкость считать постоянной.

49. Определить энтропию 6,4 кг кислорода при Р=8 бар и t=250° С. Теплоемкость считать постоянной.

50. Определить изменение энтропии 3 кг воздуха при нагревании его по изобаре от 0 до 400° С.

51. К газу в круговом процессе подведено 250 кДж тепла. Термический КПД равен 0,46. Определить работу, полученную за цикл.

52. В результате кругового процесса получена работа, равная 80 кДж, а отдано охладителю 50 кДж тепла. Определить термический КПД цикла.

Контрольные вопросы

1. Предмет термодинамики.

2. Основные положения и определения термодинамики.

3. Параметры состояния.

4. Давление.

5. Температура.

6. Термическое уравнение состояния идеального газа.

7. Расчет плотности газов при произвольных значениях Р и Т.

8. Способы задания состава газовых смесей.

9. Закон Дальтона.

10. Расчет газовой постоянной смеси.

11. Энергия.

12. Работа и теплота.

13. Энтальпия.

14. Понятие о теплоемкости.

15. Зависимость теплоемкости от температуры.

16. Теплоемкость газовой смеси.

17. Отношение теплоемкостей.

18. Взаимодействие системы с окружающей средой.

19. Уравнение первого закона термодинамики.

20. Равновесные термодинамические процессы и их обратимость.

21. Закономерности термодинамических процессов.

22. Зависимость между параметрами газа в политропном процессе.

23. Работа, внутренняя энергия и теплота политропного процесса.

24. Исследование политропного процесса.

25. Определение показателя политропы.

26. Характеристики политропных процессов при разных показателях политропы.

27. Второй закон термодинамики. Циклы прямые и обратные.

28. Цикл Карно.

29. Теорема Карно.

30. Энтропия.

31. Физический смысл энтропии.

32. Уравнения состояния реальных газов.

33. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении.

34. Изменение агрегатного состояния.

35. Параметры состояния воды и водяного пара.

36. Т-S диаграмма водяного пара.

37. I-S диаграмма водяного пара.

38. Основные уравнения газового потока.

39. Располагаемая работа газа в потоке.

40. Скорость истечения и расход газа.

41. Истечение газа из резервуара неограниченной емкости.

42. Расширяющиеся сопла.

43. Истечение при наличии трения.

44. Дросселирование газа.

45. Работа и мощность на привод компрессора.

46. Многоступенчатый компрессор.

47. Детандеры.

48. Цикл воздушной холодильной машины.

49. Цикл парокомпрессионной холодильной машины.

50. Цикл теплового насоса.

51. Парогазовые смеси.

52. I-d диаграмма влажного воздуха.

Дата добавления: 2015-05-26