Termodynamika techniczna (wyd.7, 2013)
Jan Szargut
rok wydania: 2013 (wyd.7)
stron: 687 + wykresy
oprawa: miękka
format: B5
wydawnictwo: Politechnika Śląska, Gliwice
Książka obejmuje problematykę wykładaną zwykle na kierunkach cieplno-energetycznych. Układ książki wynika z kompromisu między wymaganiem pełności i ciągłości logicznej a potrzebami dydaktyki. W wydaniu trzecim dodano nową metodę obliczania izentropy gazów półdoskonałych, wprowadzono odrębne bilansowanie siarki w procesach spalania i przedstawiono sprawności cząstkowe ziębiarki parowej sprężarkowej.
SPIS TREŚCI:
PRZEDMOWA 13
PODSTAWOWE OZNACZENIA 15
WSTĘP 19
1. POJĘCIA PODSTAWOWE I JEDNOSTKI MIAR 21
1.1. Układy jednostek 21
1.2. Podstawowe definicje 23
1.3. Masa 26
1.4. Sita 26
1.5. Ilość substancji 26
1.6. Ciśnienie 28
1.6.1. Jednostki ciśnienia 28
1.6.2. Ciśnienie bezwzględne i manometryczne 29
1.6.3. Ciśnienie statyczne, dynamiczne i całkowite 29
1.7. Praca, ciepło, energia, moc 30
1.8. Temperatura 32
1.9. Objętość właściwa, gęstość masy, gęstość ciężaru 32
1.10. Dynamiczny i kinematyczny współczynnik lepkości 33
Zagadnienia i pytania sprawdzające 35
Przykłady 35
2. ZASADA ZACHOWANIA ILOŚCI SUBSTANCJI 37
2.1. Sformułowanie zasady zachowania ilości substancji 37
2.2. Bilans substancji 38
2.3. Udziały substancjalne 40
2.4. Bilanse pierwiastków w procesach chemicznych 42
Zagadnienia i pytania sprawdzające 42
Przykłady 42
3. PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI 44
3.1. Bilans energii 44
3.2. Energia układu, energia wewnętrzna, entalpia 46
3.3. Sposoby doprowadzania i wyprowadzania energii 47
3.4. Ciepło doprowadzone do układu 49
3.5. Energia doprowadzona ze strugą płynu 53
3.6. Praca mechaniczna 56
3.6.1. Rodzaje przemian. Warunki odwracalności 56
3.6.2. Praca bezwzględna 57
3.6.3. Praca użyteczna 59
3.6.4. Praca techniczna 60
3.6.5. Praca wykresowa, wewnętrzna i efektywna 62
3.7. Szczególne przypadki bilansu energii 64
3.7.1. Układ zamknięty. Równanie pierwszej zasady termodynamiki 64
3.7.2. Idealna maszyna przepływowa 66
3.7.3. Rzeczywista maszyna przepływowa 66
3.7.4. Wymiennik ciepła 67
3.7.5. Bilans energii w układach hydraulicznych 67
3.7.6. Układ ruchomy 68
3.8. Sprawność energetyczna 69
Zagadnienia i pytania sprawdzające 70
Przykłady 70
4. ENTROPIA I OBIEGI TERMODYNAMICZNE 74
4.1. Definicja entropii 74
4.2. Układ T,S (Belpaire'a) 76
4.3. Energia wewnętrzna swobodna, entalpia swobodna 77
4.4. Obiegi termodynamiczne 78
4.5. Transformatory ciepła 82
Zagadnienia i pytania sprawdzające 83
Przykłady 83
5. RÓWNANIA STANU GAZÓW I PAR 85
5.1. Definicja równania stanu 85
5.2. Definicja gazu doskonałego, półdoskonałego i rzeczywistego 86
5.3. Termiczne równanie stanu gazów doskonałych i półdoskonałych 87
5.3.1. Ciśnienie 87
5.3.2. Temperatura 87
5.3.3. Równanie Clapeyrona 89
5.3.4. Prawo Avogadra 89
5.3.5. Uniwersalne równanie stanu gazów doskonałych i półdoskonałych 90
5.4. Energia wewnętrzna, entalpia i entropia gazów doskonałych i półdoskonalych 91
5.4.1. Pojemność cieplna w stałej objętości i pod stałym ciśnieniem 91
5.4.2. Gazy doskonale 94
5.4.3. Gazy półdoskonałe 99
5.5. Roztwory gazów doskonałych i półdoskonałych 104
5.5.1. Prawo Daltona 104
5.5.2. Termiczne równanie stanu roztworu 106
5.5.3. Termodynamiczne równania stanu roztworu 108
5.5.4. Powietrze 110
5.6. Przemiany charakterystyczne gazów doskonałych i półdoskonałych 110
5.6.1. Wiadomości ogólne 110
5.6.2. Izoterma 112
5.6.3. Izochora 114
5.6.4. Izobara 116
5.6.5. Izentropa 118
5.6.6. Politropa 121
5.6.7. Dławienie 126
5.6.8. Adiabata nieodwracalna 128
5.6.9. Dyfuzja 131
5.7. Przemiany fazowe substancji jednorodnych 132
5.7.1. Stany skupienia 132
5.7.2. Izobaryczny proces parowania 135
5.7.3. Objętość właściwa pary nasyconej i przegrzanej 137
5.7.4. Termodynamiczne równania stanu pary nasyconej i przegrzanej 140
5.7.5. Przemiany charakterystyczne pary nasyconej i przegrzanej 146
5.7.6. Równanie Clapeyrona-Clausiusa 152
5.8. Termiczne równania stanu gazów rzeczywistych 153
5.8.1. Równanie van der Waalsa 153
5.8.2. Inne termiczne równania stanu 160
5.9. Wpływ termicznego równania stanu na parametry termodynamiczne 162
5.9.1. Entalpia i entropia gazu rzeczywistego 162
5.9.2. Równania Maxwella 164
5.9.3. Efekt Joule'a-Thomsona 167
5.9.4. Zależność entalpii przemiany fazowej od temperatury 170
5.9.5. Lokalny wykładnik izentropy 171
5.9.6. Aktywność ciśnieniowa 172
Zagadnienia i pytania sprawdzające 178
Przykłady 179
6. DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI 189
6.1. Sformułowanie drugiej zasady termodynamiki 189
6.2. Termodynamiczna skala temperatury. Obieg Carnota 191
6.3. Matematyczne ujęcie drugiej zasady termodynamiki 194
6.4. Warunki równowagi termodynamicznej 198
6.5. Statystyczna interpretacja drugiej zasady termodynamiki 201
6.6. Praca maksymalna 206
6.7. Egzergia, straty egzergii, sprawność egzergetyczna 208
6.7.1. Definicja egzergii 208
6.7.2. Zmiana egzergii termicznej w przemianie fizycznej lub chemicznej 210
6.7.3. Prawo Gouya-Stodoli 211
6.7.4. Bilans egzergii 214
6.7.5. Obliczanie egzergii termicznej 219
6.7.6. Zastosowania egzergii 222
6.7.7. Straty egzergii w typowych procesach nieodwracalnych 223
Zagadnienia i pytania sprawdzające 226
Przykłady 227
7. ROZTWORY DWUSKŁADNIKOWE 233
7.1. Cząstkowe parametry właściwe 233
7.1.1. Definicja i wyznaczanie cząstkowych parametrów właściwych 233
7.1.2. Roztwory doskonałe 236
7.1.3. Roztwór rozcieńczony 238
7.1.4. Roztwór rzeczywisty 238
7.2. Potencjał chemiczny 241
7.2.1. Definicja potencjału chemicznego 241
7.2.2. Reguła faz Gibbsa 244
7.2.3. Aktywność składników roztworu 244
7.3. Gazy wilgotne 247
7.3.1. Termiczne równanie stanu gazu wilgotnego 247
7.3.2. Entalpia i energia wewnętrzna gazu wilgotnego 251
7.3.3. Wykres i, X powietrza wilgotnego 253
7.3.4. Egzergia powietrza wilgotnego 256
7.3.5. Izobaryczne przemiany powietrza wilgotnego 260
7.4. Równowaga roztworów ciekłych z roztworami gazowymi i stałymi 275
7.4.1. Rozpuszczalność gazów w cieczach 275
7.4.2. Równowaga roztworów ciekłych i stałych 275
7.4.3. Równowaga roztworów ciekłych i gazowych 279
7.4.4. Wykresy termodynamiczne roztworów dwuskładnikowych 282
7.4.5. Typowe przemiany roztworów dwuskładnikowych 285
7.5. Rozdzielanie składników roztworu cieczy 290
7.5.1. Zasada rektyfikacji 290
7.5.2. Kolumna rektyfikacyjna zagęszczająca 292
7.5.3. Kolumna odpędzająca 297
7.5.4. Sprzężona kolumna rektyfikacyjna 299
7.5.5. Straty egzergii w procesie rektyfikacji 300
Zagadnienia i pytania sprawdzające 302
Przykłady 303
8. PODSTAWY TERMODYNAMIKI CHEMICZNEJ 310
8.1. Entalpia, entropia i swobodna entalpia reakcji chemicznej standardowej 310
8.1.1. Stan standardowy 310
8.1.2. Reakcja chemiczna standardowa 312
8.1.3. Entalpia i entropia reakcji standardowej 313
8.1.4. Praca maksymalna reakcji standardowej 315
8.1.5. Wpływ ciśnienia na pracę maksymalną reakcji izobaryczno-izotermicznej 316
8.1.6. Reakcja tworzenia 317
8.2. Obliczanie entalpii w procesach chemicznych 319
8.2.1. Substancje odniesienia 319
8.2.2. Zastosowanie entalpii tworzenia 321
8.2.3. Wartość opałowa i entalpia spalania 322
8.2.4. Entalpia dewaluacji 324
8.3. Trzecia zasada termodynamiki 327
8.3.1. Równanie Gibbsa-Helmholtza 327
8.3.2. Teoremat Nernsta 329
8.3.3. Postulat Plancka 331
8.3.4. Podstawowe konsekwencje trzeciej zasady termodynamiki 332
8.3.5. Egzergia a nieosiągalność zera bezwzględnego 336
8.3.6. Kalorymetryczna metoda wyznaczania entropii chemicznej 337
8.3.7. Kwantowo-statystyczna metoda obliczania entropii chemicznej 337
8.3.8. Porównanie entropii kalorymetrycznej i spektroskopowej. Ograniczenia trzeciej zasady termodynamiki 342
8.4. Równowaga chemiczna 344
8.4.1. Reakcje chemiczne między gazami półdoskonałymi 345
8.4.2. Stopień dysocjacji 353
8.4.3. Reakcje między gazami półdoskonałymi z udziałem ciał stałych i ciekłych 355
8.4.4. Reakcje między gazami rzeczywistymi 359
8.4.5. Minimalizacja swobodnej entalpii 361
8.5. Egzergia w procesach chemicznych 361
8.5.1. Ogólne zasady obliczania egzergii chemicznej 361
8.5.2. Egzergia chemiczna normalna 364
8.5.3. Obliczanie egzergii chemicznej związków za pomocą egzergii chemicznej pierwiastków 368
8.5.4. Obliczanie pracy maksymalnej reakcji za pomocą egzergii chemicznej 369
Zagadnienia i pytania sprawdzające 369
Przykłady 370
9. SPALANIE 378
9.1. Stechiometria spalania 378
9.1.1. Skład paliw 379
9.1.2. Spalanie zupełne i całkowite 381
9.1.3. Spalanie niezupełne i niecałkowite 388
9.1.4. Wykresy kontrolne spalania 393
9.2. Wartość opałowa i egzergia paliw 397
9.2.1. Wartość opałowa paliw 397
9.2.2. Temperatura spalania 399
9.2.3. Egzergia chemiczna paliw 400
9.3. Straty energii i egzergii w procesach spalania 402
9.3.1. Sprawność energetyczna i egzergetyczna w procesie spalania 402
9.3.2. Straty energii przy spalaniu 404
9.3.3. Straty egzergii przy spalaniu 406
9.3.4. Wpływ dysocjacji na temperaturę spalania i stratę egzergii 412
9.4. Ogniwa paliwowe 416
Zagadnienia i pytania sprawdzające 418
Przykłady 419
10. USTALONY PRZEPŁYW GAZÓW 429
10.1. Równania ciągłości strugi i bilansu energii 429
10.1.1. Pojęcia podstawowe 429
10.1.2. Bilans energii 431
10.1.3. Prędkość przepływu 432
10.2. Adiabatyczne beztarciowe rozprężanie gazu doskonałego 434
10.2.1. Prędkość przepływu 434
10.2.2. Kształt kanału 435
10.2.3. Prędkość krytyczna 438
10.2.4. Strumień czynnika 440
10.3. Przepływ adiabatyczny z tarciem 441
10.3.1. Krzywa Fanno 441
10.3.2. Dysza Bendemanna (otwór zaokrąglony) 442
10.4. Przepływ adiabatyczny ze skokową zmianą gęstości 446
10.4.1. Rozprzestrzenianie się zaburzenia ciśnienia 446
10.4.2. Prosta fala uderzeniowa 447
10.4.3. Działanie dyszy de Lavala przy zmiennym przeciwciśnieniu 451
10.5. Zwężki miernicze 453
10.5.1. Klasyfikacja zwężek 453
10.5.2. Normalna kreza miernicza 455
10.5.3. Liczba przepływu 457
10.6. Strata ciśnienia w rurociągach 459
10.6.1. Praca tarcia 459
10.6.2. Przepływ cieczy w poziomym rurociągu 461
10.6.3. Przepływ gazu w długim poziomym rurociągu 462
10.6.4. Przepływ gazu w krótkim rurociągu 464
10.6.5. Lokalne straty ciśnienia 464
10.7. Bilans energii i egzergii dla ruchomych układów otwartych 465
10.7.1. Energia strugi płynu przecinającej ruchomą osłonę kontrolną 465
10.7.2. Bilans energii dla układu otwartego 467
10.7.3. Egzergia strugi przecinającej ruchomą osłonę kontrolną 468
10.8. Dynamiczne działanie strugi 469
10.8.1. Wzór ogólny 469
10.8.2. Przykłady zastosowań 472
10.9. Działanie akcyjnego i reakcyjnego stopnia turbiny 474
10.9.1. Akcyjny stopień turbiny 474
10.9.2. Reakcyjny stopień turbiny 477
Zagadnienia i pytania sprawdzające 480
Przykłady 480
11. SPRĘŻARKI 486
11.1. Klasyfikacja sprężarek 486
11.2. Praca sprężania 488
11.2.1. Sprężanie jednostopniowe w idealnej maszynie przepływowej 488
11.2.2. Sprężanie wielostopniowe z chłodzeniem międzystopniowym 491
11.2.3. Sprawność wewnętrzna i efektywna sprężarek 493
11.3. Sprężarki tłokowe 494
11.3.1. Sprawność wolumetryczna 494
11.3.2. Przebieg sprężania w sprężarce tłokowej 495
11.4. Sprężarki rotodynamiczne 496
11.4.1. Opis sprężarki odśrodkowej 496
11.4.2. Opis sprężarki osiowej 497
11.4.3. Podstawowe równanie sprężarek rotodynamicznych 498
11.4.4. Wewnętrzna moc napędowa sprężarki rotodynamicznej 501
11.4.5. Wentylatory 501
11.5. Charakterystyki sprężarek 502
11.6. Transmisja energii za pomocą sprężonego powietrza 505
Zagadnienia i pytania sprawdzające 506
12. SIŁOWNIE PAROWE 507
12.1. Obieg porównawczy siłowni parowej 507
12.1.1. Możliwości zrealizowania obiegu Carnota w siłowni parowej 507
12.1.2. Obieg Clausiusa-Rankine'a 509
12.1.3. Sposoby zwiększenia sprawności energetycznej obiegu siłowni parowej 515
12.2. Siłownie parowe dwuczynnikowe 522
12.3. Sprawność siłowni parowej 523
12.3.1. Klasyczna siłownia parowa 523
12.3.2. Dowolna kondensacyjna siłownia parowa 528
12.4. Elektrociepłownie parowe 528
Zagadnienia i pytania sprawdzające 532
Przykłady 533
13. SILNIKI SPALINOWE i SIŁOWNIE TURBOGAZOWE 542
13.1. Sprawność silników spalinowych i siłowni turbogazowych 542
13.2. Obiegi porównawcze silników spalinowych tłokowych 544
13.2.1. Obieg Otto 544
13.2.2. Obieg Diesla 547
13.2.3. Obieg Seiligera-Sabathśgo 549
13.3. Obiegi porównawcze siłowni turbogazowych 551
13.3.1. Obieg Braytona-Armengauda 551
13.3.2. Obieg Ericsona 558
13.4. Akumulacja energii z zastosowaniem turbiny spalinowej 560
13.5. Obieg porównawczy silnika odrzutowego 562
13.6. Siłownie parowo-gazowe 564
13.7. Elektrociepłownie parowo-gazowe 568
Zagadnienia i pytania sprawdzające 571
Przykłady 571
14. ZIĘBIARKI I POMPY GRZEJNE 580
14.1. Klasyfikacja i sprawność ziębiarek 580
14.1.1. Typy ziębiarek 580
14.1.2. Sprawność ziębiarek 581
14.2. Ziębiarki sprężarkowe gazowe 583
14.3. Ziębiarki sprężarkowe parowe 585
14.3.1. Obieg Lindego 585
14.3.2. Wykres i, Igp 591
14.3.3. Sprawności cząstkowe ziębiarki parowej sprężarkowej 592
14.3.4. Czynniki obiegowe ziębiarek parowych 594
14.3.5. Obiegi wielostopniowe ziębiarek parowych sprężarkowych 595
14.4. Ziębiarki cieplne 597
14.4.1. Ziębiarki absorpcyjne 597
14.4.2. Ziębiarki próżniowe 598
14.5. Skraplanie gazów 599
14.5.1. Proces Lindego 599
14.5.2. Proces Claude'a-Heylandta 603
14.5.3. Proces Kapicy 605
14.5.4. Zastosowanie ziębiarki parowej sprężarkowej z wieloskładnikowym czynnikiem obiegowym 607
14.6. Pompy grzejne 609
14.6.1. Sprawność pomp grzejnych 609
14.6.2. Przykłady zastosowań pomp grzejnych 612
Zagadnienia i pytania sprawdzające 617
Przykłady 618
15. OGÓLNE ZASADY ZMNIEJSZANIA NIEDOSKONAŁOŚCI TERMODYNAMICZNEJ PROCESÓW CIEPLNYCH 621
16. PODSTAWY TERMODYNAMIKI PROCESÓW NIERÓWNOWAGOWYCH 628
16.1. Zjawiska sprzężone 628
16.2. Lokalne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki 629
16.3. Równania fenomenologiczne 633
16.4. Czwarta zasada termodynamiki 636
16.5. Procesy nierównowagowe ustalone 638
16.6. Termodynamika zjawisk termoelektrycznych 639
16.6.1. Zjawiska Peltiera i Thomsona 639
16.6.2. Generatory i ziębiarki termoelektryczne 644
Zagadnienia i pytania sprawdzające 650
Przykłady 650
ZESTAWIENIA 652
BIBLIOGRAFIA 676
SKOROWIDZ 678
WYKAZ WYKRESÓW 686
