Вопросы для подготовки к экзамену по теплотехнике гр. 3АМ, 3ДМ 2014 г.

Вопросы для подготовки к экзамену по теплотехнике гр. 3АМ, 3ДМ 2014 г.

Параметры и уравнения состояния идеального газа.

1. Поясните понятие “идеальный газ”. Какие параметры характеризуют состояние газа? Как определяется абсолютное давление газа? Приведите соотношения между единицами измерения температуры и давления в системе СИ и в других системах (°С и К, кгс/см² и Па, мм рт. ст. и Па, мм вод.ст. и Па, бар и Па). Какие процессы называются обратимыми, в чем причины необратимости реальных процессов?

2. Напишите уравнение состояния идеального газа для 1 кг, для любого количества газа в кг, для 1 киломоля, для любого количества газа в киломолях. Поясните физический смысл индивидуальной и универсальной газовых постоянных. Как вычисляются значения универсальной и индивидуальной газовых постоянных?

Смеси идеальных газов

3. Сформулируйте закон Дальтона и напишите его математическое выражение. Поясните понятия массовая доля, объемная доля, молярная доля. Докажите равенство объемной и молярной долей. Как определить массовые доли, если смесь задана объемными долями, и как определить объемные доли при задании состава смеси массовыми долями?

4. Поясните понятие “парциальное давление” и “парциальный (приведенный) объем”. Приведите запись уравнения состояния для газовой смеси и i-го компонента газовой смеси с использованием парциального давления и парциального объема. Как определяются кажущаяся молярная масса, газовая постоянная, плотность, массовая и молярная теплоемкости газовой смеси?

Теплоемкость газов

5. Дайте определение понятия “удельная теплоемкость”. Рассмотрите зависимость теплоемкости от природы вещества, от состояния газа (температуры и давления), от характера процесса. Поясните понятие истинной и средней теплоемкостей. Как определить среднюю теплоемкость для интервала температур Т₁…Т₂, пользуясь зависимостью средних теплоемкостей в интервале температур от 0 до Т и зависимостью истинной теплоемкости от температуры?

6. Докажите, что теплоемкость в изобарном процессе больше, чем в изохорном. Запишите уравнение Майера. Как определить молярную, массовую и объемную теплоемкости при постоянном давлении (μс_p,с_p и с_p') и при постоянном объеме (с_v и с_v'), зная молярную теплоемкость при постоянном объеме μс_v? Как определяется теплоемкость произвольного политропного процесса? В каких процессах теплоемкость имеет отрицательное значение? Поясните физический смысл отрицательного значения теплоемкости.

Первый закон термодинамики

7. Сформулируйте первый закон термодинамики и приведите его аналитические выражения. Что означает невозможность осуществления вечного двигателя первого рода? Поясните понятие “коэффициент разветвления теплоты”. Приведите дифференциальные уравнения, устанавливающие для реального и идеального газов зависимости внутренней энергии и энтальпии от параметров состояния. Почему внутренняя энергия и энтальпия считаются функциями состояния газа? Как вычисляется изменение внутренней энергии и энтальпии идеального газа при изменении его состояния?

8. Поясните, какое состояние газа называется равновесным. Какие процессы называются обратимыми? Каковы условия осуществления обратимых процессов? Почему все реальные процессы необратимы? Рассмотрите произвольный процесс изменения состояния газа в vp - координатах и покажите с доказательством, какие площади соответствуют работе расширения и располагаемой работе. Докажите, что работа расширения и располагаемая работа не являются функциями состояния.

Термодинамические процессы

9. Какие процессы называются политропными? Выведите уравнение политропного процесса. Как определяются теплоемкость и коэффициент разветвления теплоты в произвольном политропном процессе? Приведите формулы соотношения между параметрами в произвольном политропном процессе?

10. Как вычисляются изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии, подведенная (отведенная) теплота, работа, располагаемая работа в произвольном политропном процессе? Приведите сводные графики политропных процессов в vp - и sT -координатах. Какие выводы следуют из анализа сводных графиков политропных процессов?

11. Рассмотрите характерные процессы (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный) как частные случаи политропных процессов, определив для них коэффициент разветвления теплоты, показатель политропы, теплоемкость. Приведите формулы соотношения между параметрами в этих процессах и выражения для определения изменения внутренней энергии, энтальпии, энтропии, количества подведенной (отведенной) теплоты, работы, располагаемой работы.

Реальные газы. Водяной пар как пример реального газа

12. Запишите и поясните уравнение состояния Ван-дер-Ваальса. Поясните смысл 1-й и 2-й поправок уравнение состояния Ван-дер-Ваальса.

13. Изобразите в vp- координатах границы различных состояний воды и пара. Поясните, какому состоянию соответствуют тройная и критическая точки, нижняя и верхняя пограничные кривые. Укажите области жидкости, влажного и перегретого пара в vp-, sT- и sh- диаграммах. Изобразите в этих диаграммах процессы подогрева жидкости до кипения, парообразования и перегрева при постоянном давлении и при постоянной температуре.

14. Что называется теплотой парообразования? Как она изменяется с ростом давления? На что затрачивается теплота парообразования? Что называется степенью сухости пара? Покажите, как проходят изолинии степени сухости в vp-, sT- и sh-диаграммах? Что называется степенью перегрева пара? Как определяется степень перегрева пара в процессах p=const и T=const (поясните на схемах sT- и sh- диаграммах). Рассмотрите изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный процессы с водяным паром в vp-, sT- и sh- координатах. Как определяются в этих процессах изменение внутренней энергии, теплота, работа, располагаемая работа.

Термодинамика газового потока

15. Сформулируйте и приведите запись первого закона термодинамики для движущегося газа, поясните входящие в уравнение величины. Представьте уравнение 1-го закона термодинамики для движущегося газа. Напишите уравнение, по которому можно определить скорость адиабатного истечения как идеального, так и реального газов, и уравнение для определения скорости идеального газа. Как определяется скорость звука и что называется числом Маха? При каких условиях параметры движущегося газа называются критическими? Как определяются критические значения давления, температуры, удельного объема, скорости газа?

16. Дайте определения сопла и диффузора. Как изменяются вдоль сопла и диффузора удельный объем, температура, скорость звука? Какую форму канала должны иметь сопло и диффузор при различных режимах течения. Каким должно быть сопло для получения сверхзвуковой скорости истечения газа?

17. Рассмотрите в vp- координатах процесс расширения газа при истечении через суживающееся сопло для случаев, когда отношение давлений больше, равно и меньше критического. Как определяется скорость истечения и секундный расход газа в каждом из этих случаев и когда располагаемая энергия не может быть полностью реализуема? Укажите на vp- диаграмме, какая площадь соответствует нереализуемой располагаемой энергии. Покажите графически характер изменения скорости и секундного расхода газа в зависимости от отношения давлений при истечении газа через суживающееся сопло.

18. Изобразите графически характер изменения параметров газового потока (давления, температуры, удельного объема, скорости течения, скорости звука) по длине сопла Лаваля. Как определяются скорость и секундный расход газа при его истечении через сопло Лаваля? Покажите графически характер изменения скорости и секундного расхода газа в зависимости от отношения давлений _.

Второй закон термодинамики

19. Какие круговые процессы (циклы) называются прямыми и какие — обратными? Что называется термическим КПД и средним давлением цикла? Что они характеризуют? Рассмотрите прямой обратимый цикл Карно. Изобразите его в vp- и sT- координатах. Приведите уравнение КПД цикла. Какие выводы можно сделать на основании анализа уравнения КПД цикла Карно? Рассмотрите обратный обратимый цикл Карно. Идеальным циклом каких установок он является? Приведите выражения для холодильного коэффициента.

20. Приведите формулировки второго закона термодинамики. Что понимается под вечным двигателем второго рода?

Поршневой компрессор

21. Приведите схему и рассмотрите процессы поршневого компрессора с вредным пространством в vp- координатах. Приведите выражение для определения производительности компрессора. С помощью vp - диаграммы покажите влияние вредного объема и степени повышения давления в одной ступени на производительность компрессора. Покажите в vp - координатах цикл компрессора без вредного пространства. Дайте вывод уравнения для определения работы на привод компрессора.

22. Покажите в sT- диаграмме различные варианты процесса сжатия (адиабатное, политропное, изотермическое) газа в поршневом компрессоре. Какое сжатие является экономически целесообразным? Как на практике обеспечивают уменьшение затрат работы? Рассмотрите многоступенчатое сжатие в vp - и sT - координатах. Какое распределение степеней повышения давления наиболее целесообразно? Что обеспечивает промежуточное охлаждение газа? Как с использованием sT- диаграммы определить количество теплоты, отводимой от газа в цилиндре компрессора и в промежуточных охладителях?

Термодинамические циклы поршневых двигателей

23. Почему цикл Карно не применяется в качестве цикла поршневого двигателя? Почему в цилиндре поршневого двигателя не осуществляется полное расширение газа с понижением давления до начального давления цикла? В каком типе двигателя реализуется продолженное расширение газа? Изобразите в vp- координатах цикл Тринклера со смешанным подводом теплоты (частично — при постоянном объеме, частично — при постоянном давлении). Введите характерные отношения объемов и давлений и дайте вывод уравнения термического КПД и среднего давления p_t цикла. Запишите уравнения η_tи p_t для циклов Отто с подводом теплоты при постоянном объеме и Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении.

24. Проанализируйте влияние различных факторов (степени сжатия, показателя адиабаты, количества подведенной теплоты, доли теплоты, подводимой при постоянном объеме в ВМТ, начального давления цикла) на термический КПД и среднее давление циклов Отто, Дизеля и Тринклера.

Термодинамические циклы газотурбинных установок (ГТУ)

25. Приведите схему ГТУ, работающей по циклу с подводом теплоты при p=const без регенерации теплоты, изобразите цикл в vp- и sT- координатах и укажите, в каких элементах ГТУ протекают процессы цикла. Приведите вывод уравнения термического КПД ГТУ с подводом теплоты при p=const. Покажите графически характер изменения термического КПД и удельной работы за цикл в зависимости от степени повышения давления и максимальной температуры цикла.

26. Приведите схему ГТУ, работающей по циклу с подводом теплоты при p=const с регенерацией теплоты, изобразите цикл в vp- и sT- координатах и укажите, в каких элементах ГТУ протекают процессы цикла. На sT- диаграмме покажите площади, соответствующие отводу теплоты от рабочего тела в теплообменнике после процесса расширения и подводу этой теплоты к рабочему телу перед поступлением в камеру сгорания. Покажите с помощью sT- диаграммы, как влияет регенерация теплоты на величину термического КПД цикла.

Теплопроводность

27. Приведите запись уравнения закона Фурье. Поясните понятия тепловой поток, удельный тепловой поток, градиент температур; приведите размерности. Дайте определение и укажите размерность коэффициента теплопроводности. Рассмотрите качественно зависимости от температуры коэффициента теплопроводности твердых, жидких и газообразных тел.

28. Что понимается под коэффициентом теплопроводности? Рассмотрите теплопроводность через плоскую и цилиндрическую однослойную и многослойную стенки при стационарном процессе с приведением графиков распределения температуры в стенках. Выведите уравнение для расчета плотности теплового потока.

Теплоотдача

29. Поясните кратко физическую сущность процесса теплоотдачи и влияние на него характера движения жидкости. Приведите эпюры изменения скорости и температуры вдоль диаметра трубы при ламинарном и турбулентном течениях. Запишите выражение закона Ньютона. Что называется коэффициентом теплоотдачи? Приведите его размерность. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплоотдачи?

30. Каким методом определяется коэффициент теплоотдачи? С какой целью результаты исследования процесса теплоотдачи представляются в критериях подобия? Какие процессы являются подобными? Рассмотрите, как устанавливают критерии подобия на примере вывода критерия Нуссельта из условий теплового подобия.

31. Рассмотрите условия геометрического и физического подобия. Какие критерии подобия характерны для стационарного процесса теплоотдачи? Напишите их выражения и поясните физическую сущность. Какие из критериев подобия являются определяющими для теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции? Напишите в общем виде критериальные уравнения для теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции. Сформулируйте теоремы подобия. Какие выводы можно сделать на основании каждой из этих теорем для организации экспериментов, представления и использования их результатов?

Теплообмен излучением

32. В чем состоит сущность теплообмена излучением? Укажите диапазон длин волн теплового излучения. Что понимается под поглощающей, отражающей и пропускающей способностью тел? Поясните понятия абсолютно черного, абсолютно белого, абсолютно прозрачного тел. Приведите примеры тел, приближающихся к ним по свойствам. Рассмотрите законы Планка и Вина, напишите их математические выражения, приведите графические зависимости.

33. Рассмотрите закон Стефана-Больцмана. Что называется коэф. излучения (коэф. лучеиспускания) абсолютно черного тела, приведите его численное значение и размерность? Поясните понятие серого тела. Рассмотрите закон Кирхгофа и следствие из него. Определите понятие степени черноты.

34. Что понимается под собственным и эффективным излучением? Рассмотрите стационарный лучистый теплообмен между двумя близко расположенными плоскими поверхностями.

Теплопередача

35. В чем состоит сущность процесса теплопередачи? Какие законы используются при расчете этого процесса? Приведите примеры теплопередачи из области двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрите теплопередачу через плоскую и цилиндрическую однослойную и многослойную стенки в одномерном стационарном процессе. Поясните понятия коэффициента теплопередачи и термического сопротивления, приведите их выражения и размерность.

36. Рассмотрите стационарный процесс теплопередачи через цилиндрические однослойную и многослойную стенки бесконечной длины. Приведите выражение коэффициента теплопередачи и термического сопротивления для цилиндрической стенки. Объясните существование целесообразной толщины теплоизолирующего слоя на цилиндрических трубах.

Теплообменные аппараты

37. Назовите основные типы теплообменных аппаратов. Для каких целей они применяются? Приведите основные уравнения, используемые при расчете теплообменников, поясните входящие в них величины. Рассмотрите схемы движения теплоносителей и графики изменения температур при прямом токе и противотоке. Приведите в окончательном виде выражение среднего температурного напора для прямого тока и противотока. Как определяется средний температурный напор при перекрестном токе? Какие преимущества обеспечивает применение противотока? Как определяется среднее значение коэффициента теплопередачи?

Утверждено на заседании кафедры ТиАТД 29 ноября 2017 г., протокол № 7

Зав. Кафедрой Теплотехники и АТД

Д.т.н., профессор Шатров М.Г.