Теплотехникой принято называть науку, исследующую методы, с помощью которых получают, трансформируют, транспортируют и применяют теплоту. Занимается она принципами действия, конструкциями тепло и парогенераторов, тепловых машин и устройств.
Роль русских ученых в возникновении и развитии теплотехники
Русские ученые, инженеры и конструкторы внесли большой вклад в развитие теплотехники.
Еще в XVIII веке М.В. Ломоносов занимался теоретическими исследованиями и эмпирическими изысканиями в области теории теплоты.
Ломоносов:
- заложил основы молекулярно-кинетической теории вещества;
- установил связь между теплотой и механической энергией.
Д.И. Менделеев:
- осуществил фундаментальные исследования в теории теплоемкостей;
- научно обосновал подземной газификации топлива;
- установил существование критических температур для веществ;
К.Э. Циолковский, К.В. Кирш, А.А. Радциг, В.И. Гриневский и ряд других ученых в конце XIX начале XX веков своими трудами, подготовили основы научного проектирования для множества тепловых агрегатов:
- котлов;
- тепловых двигателей;
- ракет и др.
В первые годы Советской власти был разработан план ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России), в соответствии с которым за 10-15 лет было необходимо построить 30 электростанций. К 1935 году этот план был перевыполнен.
Значение теплотехники как науки
Разработка теоретических основ теплотехники необходима для:
- предложения самых рациональных способов использования теплоты;
- проведения анализа экономичности процессов, текущих в тепловых установках;
- создания комбинаций тепловых процессов для увеличения их эффективности;
- создания и совершенствование тепловых агрегатов.
Без проработки теории было бы невозможно создание мощных паро- и газотурбинных установок с высокими начальными характеристиками пара и газа, реактивных двигателей, межконтинентальных баллистических ракет и множества других тепловых установок.
Различают два разных направления применения теплоты:
- энергетическое;
- технологическое.
При энергетическом применении теплота трансформируется в механическую работу.
При технологическом использовании теплоты, она служит для целенаправленного изменения свойств разных тел. Так, изменяя тепловое состояние тела можно его расплавить или добиться затвердевания, изменить структуру, механические и физические свойства и т.д.
В настоящее время энергетика в основном занимается трансформацией теплоты в механическую работу. Механическая работа при помощи генератора превращается в электрическую энергию, которая удобна в транспортировке на расстояние. Требующуюся для этих целей теплоту получают, сжигая топливо в топках паровых котлов или в двигателях внутреннего сгорания.
В структуру теории теплотехники входят:
- техническая термодинамика;
- теория теплообмена.
Техническая термодинамика
Термодинамикой можно назвать науку, которая исследует энергию и ее свойства. Основой термодинамики служат два эмпирических закона: первое и второе начала термодинамики. Эта наука стала интенсивно развиваться тогда, когда были сформулированы данные законы.
Первое начало термодинамики – это приложение закона сохранения энергии к тепловым явлениям.
$\Delta Q=\Delta U+A\, \left( 1 \right)$,
где $\Delta Q$ – количество теплоты, подводимое к системе, $\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы; $A$ – работа термодинамической системы.
Второе начало термодинамики определяет направление тепловых процессов, идущих в природе:
$\Delta S\ge 0\left( 2 \right)$.
Энтропия ($S$) в замкнутой термодинамической системе не может убывать. Развитие процессов происходит в направлении увеличения энтропии.
Круг вопросов, подверженных рассмотрению и цели исследований делят термодинамику на:
- физическую (общую);
- химическую;
- техническую.
Физическая термодинамика дает представление об общих теоретических основах термодинамики и законах превращения энергии при разнообразных физических явлениях.
Химическая термодинамика исследует тепловые эффекты разных химических реакций, определяются условия химического равновесия и т.д.
Техническая термодинамика рассматривает применение законов термодинамики к процессам трансформации тепла и работы. Получив исчерпывающую информацию о механизме реального термодинамического процесса, можно создать его схему течения для осуществления его полного термодинамического анализа. Смысл составления такой схемы в том, что из системы всех принимающих участие в процессе тел, выделяют рабочее тело (при его помощи реализуется процесс), остальные тела рассматривают в качестве источников (или поглотителей) тепла.
Главным содержанием прикладной термодинамики является определение полезной работы процесса и количества переданной теплоты в нем.
Для глубины понимания физического смысла исследуемых процессов прикладная термодинамика совместно с методами термодинамики использует молекулярные и статистические исследования.
Теория теплообмена
Теория теплообмена – это наука, исследующая законы распространения и передачи теплоты между телами.
Выделяют три варианта теплообмена:
- теплопроводность (кондукция),
- конвекция,
- тепловое излучение.
Теплопроводность – перенос тепла, который появляется при непосредственном контакте тел.
В жидкостях совместно с процессом теплопроводности теплота может распространяться при перемещении и перемешивании более и менее нагретых частей жидкости. Данный вид переноса теплоты называют конвекцией.
Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называют явление теплопередачи при соприкосновении стенки с жидкостью в результате теплопроводности и далее распространение теплоты в жидкости в результате конвекции. Теплоотдачей называют и процесс, текущий в обратном направлении.
Лучеиспусканием (тепловым излучением) называют перенос энергии электромагнитными волнами между двумя излучающими поверхностями.
При тепловом излучении идет двойной переход энергии:
- тепловая энергия переходит в лучистую энергию на поверхности тела, которое излучает тепло;
- лучистая энергия переходит в тепло на поверхности тела, которое поглощает тепло.
Процессы теплопроводности, конвекции и лучеиспускания часто идут одновременно.
