 |
TRATAT DE TERMOGAZODINAMICĂ APLICATĂ |
| CUPRINS: Prefaţă6 Cap. 1 - Introducere 9 Cap. 2 - Conceptele fundamentale ale Termodinamicii 15 2.1. - Definiţii ale unor noţiuni primare 15 2.1.1. - Sistem termodinamic 15 2.1.2. - Stare şi proces termodinamic16 2.1.3. - Echilibru termodinamic, procese reversibile şi ireversibile18 2.1.4. - Componente şi faze 20 2.2. - Mărimi termodinamice de bază21 2.2.1. - Cantitatea de căldură21 2.2.2. - Lucrul mecanic23 2.2.3. - Energia internă27 2.2.4. - Entalpia28 2.2.5. - Entropia29 2.2.6. - Căldurile specifice31 2.3. - Ecuaţiile generale de bilanţ - Principiile Termodinamicii33 2.3.1. - Principiul 1 al Termodinamicii34 2.3.2. - Principiul 2 al Termodinamicii48 2.3.3. - Relaţia dintre entropie şi ordine512.3.4. - Legea lui Gibbs522.3.5. - Ecuaţia lui Crocco56 2.3.6. - Principiul 3 al Termodinamicii57 2.4. - Aplicaţii particulare ale principiilor Termodinamicii 59 2.4.1. - Principiul 1 aplicat sistemelor închise59 2.4.2. - Principiul 1 aplicat sistemelor deschise64 2.4.3. - Ecuaţii de bilanţ pentru sistemele deschise în regim staţionar69 2.5. - Probleme şi aplicaţii 75 Cap. 3 - Modelul gazului perfect83 3.1. - Ecuaţia generală de stare (Clapeyron)83 3.2. - Gazul caloric ideal (cp, cv = const.)86 3.3. - Gazul perfect în Fizica Moleculară şi Statistică88 3.3.1. - Teoria Molecular-Cinetică a gazului perfect88 3.3.2. - Estimarea căldurilor specifice ale gazelor perfecte92 3.3.3. - Modele statistice pentru analiza proprietăţilor gazelor perfecte95 3.4. - Estimarea teoretică a proprietăţilor termodinamice ale gazelor 101 perfecte 3.4.1. - Estimarea proprietăţilor termodinamice ale gazelor biatomice101 3.4.2. - Estimarea proprietăţilor termodinamice ale gazelor poliatomice104 3.5. - Metoda coeficienţilor NASA adimensionali111 3.6. - Proprietăţi de transport ale gazelor perfecte115 3.6.1. - Ecuaţia generală a proceselor de transport în gazele perfecte115 3.6.2. - Determinarea analitică a coeficienţilor de transport în gazele 116 perfecte 3.6.3. - Formule corectate ale coeficienţilor de transport în gazele perfecte119 3.7. - Probleme şi aplicaţii123 Cap. 4 - Amestecuri de gaze perfecte 133 4.1. - Definirea compoziţiei unui amestec 133 4.2. - Determinarea proprietăţilor amestecurilor de gaze134 4.2.1. - Masa moleculară aparentă134 4.2.2. - Relaţiile reciproce între fracţiile masice şi cele molare135 4.2.3. - Constanta aparentă a amestecului ca gaz perfect136 4.2.4. - Densitatea amestecului136 4.2.5. - Proprietăţile termodinamice ale amestecului de gaze perfecte137 4.3. - Proprietăţi de transport ale amestecurilor de gaze perfecte139 4.3.1. - Viscozitatea139 4.3.2. - Difuzivitatea140 4.3.3. - Conductivitatea termică141 4.4. - Exemple de calcul pentru amestecurile de gaze perfecte142 4.4.1. - Aplicaţie pentru cazul aerului uscat142 4.4.2. - Aplicaţie pentru cazul gazelor de ardere148 4.5. - Probleme şi aplicaţii152 Cap. 5 - Aspecte fundamentale privind echilibrul şi 158 ne-echilibrul termodinamic 5.1. - Consideraţii generale privind echilibrul termodinamic 158 5.2. - Moduri de abordare a echilibrului termodinamic161 5.3. - Modelul echilibrului termodinamic global163 5.3.1. - Echilibrul quasistatic (termodinamica clasică a proceselor163 reversibile) 5.3.2. - Potenţiale termodinamice163 5.3.3. - Analiza exergetică169 5.4. - Modelul ne-echilibrului liniar (termodinamica clasică a174 proceselor ireversibile) 5.4.1. - Principiul echilibrului local174 5.4.2. - Echilibrul local şi ne-echilibrul liniar176 5.4.3. - Conducţia termică177 5.4.4. - Egalizarea presiunilor în două compartimente comunicante180 5.4.5. - Amestecarea a două gaze diferite183 5.4.6. - Frecarea vâscoasă186 5.4.7. - Forţe şi fluxuri generalizate189 5.4.8. - Procese staţionare în sisteme deschise aproape de echilibru192 5.5. - Modelarea proceselor care au loc departe de echilibru195 5.5.1. - Caracteristici ale proceselor ce se desfăşoară departe de echilibru195 5.5.2. - Procese staţionare în sisteme deschise departe de echilibru197 5.6. - Probleme şi aplicaţii201 Cap. 6 - Procese termodinamice particulare în regim de209 echilibru (quasistatice) 6.1. - Evolutia izotermică 209 6.2. - Evoluţia izobară 210 6.2.1. - Călduri specifice constante211 6.2.2. - Călduri specifice variabile cu temperatura213 6.3. - Evoluţia izocoră 213 6.3.1. - Călduri specifice constante214 6.3.2. - Călduri specifice variabile cu temperatura215 6.4. - Evoluţia adiabatică reversibilă (izentropică)216 6.4.1. - Călduri specifice constante218 6.4.2. - Călduri specifice variabile cu temperatura219 6.5. - Evoluţia politropică 220 6.6. - Probleme şi aplicaţii 222 Cap. 7 - Modele de echilibru aplicate unor procese233 termodinamice în sisteme deschise (regimuri staţionare) 7.1. - Curgeri unidimensionale ale gazelor şi amestecurilor233 7.1.1. - Ecuaţiile generale ale curgerii unidimensionale staţionare a233 gazelor 7.1.2. - Viteza sunetului într-un gaz perfect235 7.1.3. - Ecuaţia generală a curgerii unidimensionale cu schimb de237 masă şi energie şi cu frecare, într-o conductă cu secţiune variabilă 7.2. - Curgerea în conducte cu secţiune variabilă, fără frecare239 7.2.1. - Analiza curgerii în ipoteza căldurilor specifice constante239 7.2.2. - Analiza curgerii în ipoteza căldurilor specifice variabile cu247 temperatura 7.2.3. - Modelarea curgerii în ipoteza căldurilor specifice medii 253 constante pe intervale finite de temperatură 7.3. - Curgerea adiabatică cu schimb de lucru mecanic257 7.3.1. - Analiza curgerii cu schimb de lucru mecanic în ipoteza căldurilor259 specifice constante 7.3.2. - Analiza curgerii cu schimb de lucru mecanic în ipoteza căldurilor269 specifice variabile cu temperatura 7.4. - Curgerea izobară cu schimb de căldură (Rayleigh)270 7.4.1. - Curgerea prin ajutajul termic în ipoteza căldurilor specifice 271 constante 7.4.2. - Curgerea prin ajutajul termic în ipoteza căldurilor specifice 281 variabile cu temperatura 7.5. - Curgerea adiabatică cu frecare prin conducte de secţiune 288 constantă (Fanno) 7.6. - Probleme şi aplicaţii295 Cap. 8 - Termodinamica proceselor de ardere la echilibru307 8.1. - Definirea combustibililor şi a amestecurilor combustibile307 8.1.1. - Aspecte generale privind combustibilii tehnici 307 8.1.2. - Moduri de definire a combustibililor309 8.1.3. - Arderea combustibililor în aer318 8.2. - Principiul 1 aplicat reacţiilor chimice - energia de reacţie 323 8.2.1. - Bilanţul energetic al unei reacţii chimice323 8.2.2. - Energia de legătură331 8.2.3. - Temperatura adiabatică de ardere (la presiune constantă)335 8.3. - Principiul 2 aplicat proceselor de ardere - echilibrul chimic343 8.3.1. - Legea acţiunii maselor343 8.3.2. - Criterii de determinare a echilibrului chimic347 8.3.3. - Temperatura de ardere şi compoziţia gazelor la echilibru pe baza358 minimizării energiei libere Gibbs; eficienţa arderii 8.3.4. - Disocierea şi ionizarea 366 Cap. 9 - Procese ireversibile în sisteme aflate în apropierea380 stării de echilibru 9.1. - Curgerea cu frecare şi schimb de căldură380 9.2. - Bilanţul entropiei în curgerile fără reacţii chimice386 9.3. - Reacţii chimice în condiţii de ne-echilibru389 9.4. - Ecuaţiile generale ale curgerilor însoţite de reacţii chimice394 9.4.1. - Ecuaţia de bilanţ al masei395 9.4.2. - Ecuaţia de bilanţ al impulsului396 9.4.3. - Ecuaţia de bilanţ al energiei398 9.4.4. - Ecuaţia de bilanţ al entropiei401 9.4.5. - Curgeri ale produşilor de ardere cu modificarea compoziţiei 404 chimice 9.5. - Probleme şi aplicaţii409 Cap. 10 - Procese termodinamice disipative, departe de 423 echilibru 10.1. - Procese termodinamice nestaţionare 423 10.1.1. - Umplerea unui rezervor cu masă gazoasă424 10.1.2. - Golirea unui rezervor de gaz434 10.1.3. - Aplicaţii442 10.2. - Curgeri cu unde de şoc451 10.2.1. - Unda de şoc normală în ipoteza căldurilor specifice constante452 10.2.2. - Unde de şoc în conducte cu secţiune variabilă462 10.2.3. - Unda de şoc normală în ipoteza căldurilor specifice variabile cu471 temperatura 10.2.4. - Unda de şoc oblică plană în ipoteza căldurilor specifice 477 constante 10.2.5. - Alte tipuri de unde de şoc481 10.2.6. - Aplicaţii489 10.3. - Curgeri unidimensionale cu unde de ardere sau detonaţie499 10.3.1. - Ipoteze şi modele de curgere cu undă de ardere499 10.3.2. - Curgere cu undă de ardere, gaz perfect cu compoziţie 502 constantă şi cu călduri specifice invariante cu temperatura 10.3.3. - Curgere cu undă de ardere, amestec cu compoziţie variabilă şi 510 cu călduri specifice ce depind de temperatură 10.4. - Radiaţia termică515 10.4.1. - Aspecte privind bazele fizice ale radiaţiei515 10.4.2. - Producţia de entropie în cazul radiaţiei termice534 10.4.3. - Radiaţia termică în mediu gazos537 10.4.4. - Aplicaţii545 10.5. - Turbulenţa551 10.5.1. - Aspecte generale ale curgerilor turbulente551 10.5.2. - Aspecte privind modelarea matematică a curgerilor turbulente557 10.5.3. - Analiza producerii de entropie în curgerile turbulente564 Cap. 11 - Aspecte privind termodinamica Universului timpuriu 567 11.1. - Formulări cu privire la formarea universului. Relaţia de567 incertitudine 11.2. - Vidul primordial şi vidul fizic; principiile 2 şi 3 ale568 Termodinamicii 11.3. - Modelul de univers timpuriu adoptat570 11.3.1. - Aspecte generale privind universul timpuriu570 11.3.2. - Evoluţia şi structurarea sferei primare a universului571 11.4. - Termodinamica evoluţiei universului timpuriu după Big-Flash 572 Bibliografie575 Anexe583 Index620 |
|
| PREZENTARE: Aşa cum arată şi titlul, lucrarea de faţă are un caracter aplicativ, dar autorii au încercat să prezinte fundamente teoretice şi demonstraţii cât mai complete la toate formulele şi teoremele care stau la baza modelelor matematice. Orientarea aplicativă a problemelor abordate este întărită şi de aplicaţiile concrete numerice de la sfârşitul fiecărui capitol, multe dintre ele fiind izvorâte din problemele tehnice sau biologice cu care ne confruntăm adesea. Chiar dacă abordează doar o mică parte a problemelor tehnice de natură termodinamică, lucrarea se doreşte a fi un instrument util pentru inginerii şi cercetătorii din domeniile aerospaţial, energetic, transporturi precum şi pentru studenţii facultăţilor cu programe de specializare în domeniile menţionate. Autorii 12.04.2017 |
|
| PREFATA: Termodinamica este ştiinţa fenomenelor în care au loc schimburi de masă şi energie, care a apărut şi a început să se dezvolte o dată cu realizarea primelor maşini termice (cu abur). În principal, Termodinamica are drept scop analiza gradului în care o resursă energetică naturală poate fi exploatată pentru a obţine un efect energetic în folosul omului (căldură, putere mecanică, electricitate, refrigerare etc.). Până nu de mult, metodele de analiză termodinamică erau concentrate pe îmbunătăţirea preciziei de estimare a performanţelor sistemelor energetice şi pe creşterea randamentelor respectivelor sisteme. În ultimul timp însă, a început să se acorde o atenţie specială gradului de impact asupra mediului al tuturor acestor conversii energetice. Iar când se specifică “impact asupra mediului”, este vorba de un impact negativ, care va trebui evaluat calitativ şi cantitativ cel puţin la fel de precis ca şi performanţele sistemelor energetice. Din punct de vedere al direcţiei de cercetare, Termodinamica poate fi abordată sub două aspecte: -Termodinamica fizică, unde sunt stabilite ipotezele de bază, mărimile fizice şi ecuaţiile fundamentale împreună cu metodele de măsurare a acestor mărimi -Termodinamica tehnică, în cadrul căreia se aplică rezultatele Termodinamicii fizice şi se dezvoltă metode de analiză specifice aplicaţiilor tehnice Prezenta lucrare se concentrează pe latura tehnică-aplicativă a Termodinamicii, fără a neglija însă unele aspecte fundamentale care prezintă un interes deosebit. Precizăm de asemenea că, datorită specificului aplicaţiilor avute in vedere (procese din industria furnizării energiei şi din domeniul aerospaţial), lucrarea de faţă va avea în vedere fenomene care au loc cu precădere în fază gazoasă. Mai trebuie precizat încă de la început că Termodinamica este un domeniu de studiu vast, având în vedere printre altele comportarea sistemelor materiale aflate în diverse stări de agregare (solid, lichid, gazos, plasmă) în cursul proceselor la care acestea sunt supuse. Lucrarea de faţă se concentrează aproape exclusiv pe sistemele în fază gazoasă, cu unul sau mai multe componente, în procese statice sau de curgere. Din acest motiv a fost adoptat titlul “Termogazodinamică aplicată”. Faţă de literatura de specialitate (destul de bogată în ultimele cinci decenii), în lucrarea de faţă se dezvoltă câteva metode originale de analiză, împreună cu prezentarea unor aplicaţii numerice concrete, în scopul comparaţiei rezultatelor metodelor propuse în raport cu cele obţinute prin metodologia consacrată. Se menţionează în acest sens considerarea variaţiei căldurilor specifice cu temperatura în procese care de regulă sunt tratate fără a avea în vedere acest aspect (curgeri în conducte cu variaţie de secţiune, cu sau fără aport de căldură, curgeri cu reacţii chimice, curgeri cu unde de şoc etc.). Sunt propuse câteva metode originale de tratare analitică a acestor procese, în vederea eliminării clasicelor tabele termodinamice şi automatizării calculelor. După o Introducere (Capitolul 1) care prezintă sintetic modurile de abordare a problemelor specifice tratate în lucrarea de faţă, Capitolul 2 este dedicat definiţiilor, convenţiilor şi notaţiilor folosite în cadrul lucrării. În linii mari, acestea corespund cu cele general acceptate, excepţiile fiind menţionate separat alături de motivaţiile corespunzătoare. Sunt expuse de asemenea principiile Termodinamicii împreună cu unele consecinţe importante ale lor. Capitolele 3 şi 4 abordează modelul gazului perfect şi al amestecului de gaze perfecte, acestea fiind cel mai frecvent utilizate în calculele inginereşti. Sunt prezentate mai multe metode analitice de calcul pentru proprietăţile termodinamice ale gazelor perfecte, împreună cu exemplificarea unor rezultate comparative. Capitolul 5 este dedicat analizei echilibrului şi ne-echilibrului termodinamic ce constituie ipoteze de bază în modelarea matematică a fenomenelor naturale. Trebuie spus că însăşi noţiunea de “proces termodinamic” este indisolubil legată de ne-echilibrul termodinamic, întrucât într-un sistem izolat nu poate avea loc niciun proces atâta timp cât sistemul este în echilibru. În acest capitol sunt puse în discuţie aspecte complexe ce ţin de evoluţia fenomenelor naturale, având implicaţii atât în perfecţionarea metodelor de analiză a proceselor din instalaţiilor termice, cât şi în înţelegerea unor probleme mai complexe, cum ar fi cele legate de apariţia şi evoluţia vieţii. Lucrarea de faţă prezintă în acest sens cele mai recente rezultate ale cercetărilor în domeniul termodinamicii proceselor ireversibile. În Capitolul 6 sunt tratate procesele termodinamice elementare standard, care au loc în condiţii ce permit adoptarea ipotezei de echilibru termodinamic (evoluţii quasistatice). Deşi acestea sunt nelipsite în orice tratat de Termodinamică (fizică sau tehnică), în lucrarea de faţă sunt prezentate explicit diferenţele între rezultatele obţinute în cele două ipoteze privind variaţia căldurilor specifice cu temperatura (respectiv călduri specifice constante şi variabile cu temperatura). Procesele în regim de echilibru, dar în sisteme deschise, sunt analizate în capitolul următor (Capitolul 7). S-a insistat pe dezvoltarea de relaţii de calcul în ipoteza căldurilor specifice variabile cu temperatura precum şi pe metodele practice de rezolvare a ecuaţiilor obţinute. În Capitolul 8 sunt prezentate câteva modele de analiză a arderilor, în condiţii de echilibru termodinamic. Acestea sunt bazate pe expresiile analitice ale căldurilor specifice, care permit deducerea de formule explicite ale constantelor de echilibru în funcţie de temperatură şi presiune. Chiar dacă în final se ajunge tot la rezolvarea de sisteme neliniare de ecuaţii, scrierea explicită a acestora scurtează considerabil timpul de calcul. În Capitolul 9 se analizează procesele ireversibile care se desfăşoară în apropierea stării de echilibru. Sunt prezentate ecuaţiile generale ale proceselor termodinamice în sisteme deschise monofazice, deduse în ipotezele echilibrului termodinamic local şi ne-echilibrului liniar. Capitolul 10 este destinat analizei unor procese care au loc departe de echilibrul termodinamic. Deşi procesele respective se găsesc tratate separat în diverse lucrări de Termodinamică, abordarea lor unitară prin prisma ne-echilibrului termodinamic constituie o noutate şi conduce la unele concluzii ce prezintă interes atât teoretic cât şi practic. Capitolele 9 şi 10 au un vădit caracter interdisciplinar, făcând apel la noţiuni de Termodinamică, Chimie, Mecanica Fluidelor şi Dinamica Gazelor, ceea ce indică gradul ridicat de complexitate a fenomenelor analizate, care se regăsesc în practică. O secţiune distinctă a lucrării (respectiv Capitolul 11) este dedicată unor aspecte ce ţin de termodinamica Universului. Problema formării şi evoluţiei Universului a constituit obiectul multor cercetări în secolul XX, fiind şi la ora actuală un subiect de dezbateri. Pornind de la aplicarea principiilor Termodinamicii la scara întregului Univers, unul din autori a emis o serie de ipoteze noi privind starea şi evoluţia Universului timpuriu, acestea fiind prezentate împreună cu unele rezultate ce decurg din aplicarea lor. Scopul principal al unei astfel de lucrări este de a oferi specialistului în domeniu metode de analiză cât mai precise astfel încât acesta să poată realiza simularea numerică a oricărui proces termodinamic într-un mod cât mai fidel, pentru a evita încercările repetate pe standuri de probă specifice, foarte costisitoare şi consumatoare de timp. Experimentul rămâne însă mijlocul cel mai sigur pentru confirmarea finală a estimărilor realizate prin modelare şi simulare numerică. Aşa cum arată şi titlul, lucrarea de faţă are un caracter aplicativ, dar autorii au încercat să prezinte fundamente teoretice şi demonstraţii cât mai complete la toate formulele şi teoremele care stau la baza modelelor matematice. Orientarea aplicativă a problemelor abordate este întărită şi de aplicaţiile concrete numerice de la sfârşitul fiecărui capitol, multe dintre ele fiind izvorâte din problemele tehnice sau biologice cu care ne confruntăm adesea. Chiar dacă abordează doar o mică parte a problemelor tehnice de natură termodinamică, lucrarea se doreşte a fi un instrument util pentru inginerii şi cercetătorii din domeniile aerospaţial, energetic, transporturi precum şi pentru studenţii facultăţilor cu programe de specializare în domeniile menţionate. Autorii 12.04.2017 |
|
| CUVINTE CHEIE: |