engineering

Учебник Термодинамика и теплотехника для начинающих

26 уроков · 8 разделов · бесплатно, без регистрации

Начать с первого урока

Термодинамика — это наука о превращениях энергии: как тепло становится работой, почему холодильник греет кухню, а двигатель не может иметь КПД 100%. В этом курсе мы идём от понятия температуры и идеального газа к началам термодинамики, энтропии, тепловым и холодильным машинам, реальным газам, фазовым переходам и теплопередаче. Каждый закон сопровождается формулой в нотации KaTeX и рядом — самодостаточным расчётом на Python (только стандартная библиотека math), который печатает конкретные числа в системе СИ. Курс рассчитан на студентов инженерных и физических специальностей и всех, кто хочет понимать тепловые процессы не на словах, а в цифрах.

Курс «Термодинамика и теплотехника» состоит из 8 разделов и 26 уроков: Температура, теплота и идеальный газ, Первое начало термодинамики, Второе начало и энтропия, Тепловые машины и циклы, Холодильные машины и тепловые насосы, Реальные газы и фазовые переходы, Теплопередача и Применения теплотехники. Уроки идут по порядку — от основ к более сложным темам, в каждом есть объяснение с примерами, а в конце — вопросы для самопроверки. К урокам привязаны задачи с автоматической проверкой: прочитали тему — сразу закрепили её кодом.

Программа курса

  1. 1 Температура, теплота и идеальный газ

    1. Температура и температурные шкалы

      Что такое температура с точки зрения молекул, чем шкала Кельвина отличается от Цельсия и почему в физике считают в кельвинах.

    2. Теплота и внутренняя энергия

      Различие между теплотой как процессом передачи энергии и внутренней энергией как состоянием системы.

    3. Уравнение состояния идеального газа

      Уравнение Менделеева-Клапейрона pV=nRT: смысл величин, газовая постоянная и расчёт давления в СИ.

    4. Газовые законы и закон Дальтона

      Частные газовые законы, объединённый газовый закон и закон Дальтона о парциальных давлениях смеси газов.

  2. 2 Первое начало термодинамики

    1. Первое начало: ΔU = Q − A

      Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии: подведённая теплота идёт на работу и изменение внутренней энергии.

    2. Теплоёмкости Cp и Cv

      Молярные теплоёмкости при постоянном объёме и давлении, соотношение Майера Cp−Cv=R и показатель адиабаты.

    3. Изопроцессы и работа газа

      Изотермический, изобарный, изохорный и адиабатный процессы: расчёт работы газа и применение первого начала.

  3. 3 Второе начало и энтропия

    1. Направление процессов и второе начало

      Второе начало термодинамики: формулировки Клаузиуса и Кельвина, необратимость и направление самопроизвольных процессов.

    2. Энтропия: ΔS = ∫dQ/T

      Понятие энтропии, формула ΔS=∫dQ/T, изменение энтропии в обратимых процессах и расчёт в СИ.

    3. Рост энтропии в необратимых процессах

      Закон возрастания энтропии в изолированных системах, теплообмен между телами и расчёт суммарного роста энтропии.

    4. Теорема Клаузиуса и КПД через энтропию

      Неравенство Клаузиуса, приведённая теплота и связь энтропии с пределом КПД тепловой машины.

  4. 4 Тепловые машины и циклы

    1. КПД тепловой машины

      Принцип работы тепловой машины, формула КПД η=1−Q2/Q1 и расчёт эффективности в СИ.

    2. Цикл Карно: η = 1 − T2/T1

      Цикл Карно как идеальная тепловая машина, формула предельного КПД η=1−T2/T1 и теорема Карно.

    3. Циклы ДВС: Отто и Дизель

      Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания: цикл Отто и цикл Дизеля, влияние степени сжатия на КПД.

  5. 5 Холодильные машины и тепловые насосы

    1. Холодильная машина и холодильный коэффициент

      Принцип холодильной машины, холодильный коэффициент COP=Q2/A и почему он может превышать единицу.

    2. Тепловой насос и предел Карно

      Тепловой насос для отопления, коэффициент преобразования COP_h и предельные значения по циклу Карно.

    3. Степень совершенства реальных машин

      Сравнение реальных тепловых и холодильных машин с обратимым пределом: степень совершенства и эксергетический КПД.

  6. 6 Реальные газы и фазовые переходы

    1. Уравнение Ван-дер-Ваальса

      Реальные газы и уравнение Ван-дер-Ваальса: поправки на объём молекул и притяжение, отклонение от идеального газа.

    2. Фазовые переходы и скрытая теплота

      Плавление и парообразование: удельная теплота фазового перехода Q=mL и расчёт энергии нагрева и кипения воды.

    3. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона

      Уравнение Клаузиуса-Клапейрона: зависимость давления насыщенного пара от температуры и расчёт точки кипения при пониженном давлении.

  7. 7 Теплопередача

    1. Теплопроводность: закон Фурье

      Закон теплопроводности Фурье q=−λ·dT/dx, коэффициент теплопроводности и расчёт теплопотерь через стену.

    2. Конвекция и излучение

      Конвективный теплообмен по закону Ньютона и тепловое излучение по закону Стефана-Больцмана q=εσT⁴.

    3. Численное моделирование остывания

      Закон охлаждения Ньютона, численное решение методом Эйлера и сравнение с аналитическим экспоненциальным решением.

  8. 8 Применения теплотехники

    1. Молекулярно-кинетическая картина

      Кинетическая теория газов: среднеквадратичная скорость молекул и подтверждение теории методом Монте-Карло.

    2. Цикл Ренкина и паросиловые установки

      Цикл Ренкина паросиловой установки ТЭС: котёл, турбина, конденсатор, насос и предельный КПД по Карно.

    3. Тепловой расчёт и энергоэффективность

      Практический тепловой расчёт: энергия отопления в кВт·ч, выигрыш теплового насоса и оценка теплопотерь здания.