Теплотехника

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;

Статья: Теплотехника

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Найти решение задачи

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:

1. предложения самых рациональных способов использования теплоты;
2. проведения анализа экономичности процессов, текущих в тепловых установках;
3. создания комбинаций тепловых процессов для увеличения их эффективности;
4. 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:

1. техническая термодинамика;
2. 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:

1. теплопроводность (кондукция),
2. конвекция,
3. тепловое излучение.

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.

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.