Termodynamika dla bystrzaków. Michael Pauken

W prostocie tkwi siła

Dowiedz się, jak:

zrozumieć koncepcje i zasady termodynamiki
nabyć umiejętności rozwiązywania problemów wykorzystywane przez profesjonalistów
zabłysnąć na zajęciach z termodynamiki

Termodynamika nie jest aż tak skomplikowana

Sama myśl o termodynamice sprawia, że zaczynasz się pocić? Niepotrzebnie! Dzięki temu praktycznemu przewodnikowi zabłyśniesz na zajęciach ze statystyki za sprawą łatwych do zrozumienia i opisanych przystępnym językiem wyjaśnień sposobów wykorzystywania energii w takich urządzeniach, jak samochody, samoloty, klimatyzatory i elektrownie.

Podstawy termodynamiki — przyjrzyj się przykładom zarówno naturalnych, jak i stworzonych przez człowieka układów termodynamicznych i poznaj zasady wykorzystywania energii do wykonywania pracy.
Podkręć ogrzewanie — dowiedz się, w jaki sposób należy wykorzystywać pierwszą i drugą zasadę termodynamiki do określania efektywności różnorodnych urządzeń (i jej poprawiania).
Zachowuj się! — poznaj zasady zachowania i wzajemne oddziaływania gazów doskonałych i rzeczywistych w różnych sytuacjach.
Zapłoń z pożądania — dowiedz się wszystkiego o zachowaniu masy i energii w procesach spalania.

W książce znajdziesz:

zasady termodynamiki
istotne parametry i ich relacje
informacje o substancjach stałych, cieczach i gazach
zasady współdziałania pracy i ciepła
cykle zasilające procesy termodynamiczne
związki i reakcje chemiczne
pionierów termodynamiki
rzeczywiste zastosowania zasad i koncepcji termodynamicznych

Dr Michael Pauken jest głównym inżynierem mechanikiem w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA, wydziale Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, gdzie prowadzi także zajęcia z zakresu termodynamiki i transferu ciepła.
Spis treści: O autorze (13)

Podziękowania od autora (15)

Wstęp (17)

O książce (17)
Konwencje zastosowane w książce (18)
Czego nie czytać (18)
Naiwne założenia (19)
Jak podzielona jest książka (19)

Część I: Podstawy termodynamiki (19)
Część II: Stosowanie zasad termodynamiki (19)
Część III: Samoloty, pociągi i samochody - niech ciepło dla nas pracuje (20)
Część IV: Relacje, reakcje i mieszaniny termodynamiczne (20)
Część V: Dekalogi (21)
Ikony użyte w książce (21)

Co dalej (21)

CZĘŚĆ I: PODSTAWY TERMODYNAMIKI (23)

Rozdział 1: Termodynamika w codziennym życiu (25)

Jak rozumieć termodynamikę (26)
Badanie form energii (26)

Energia kinetyczna (27)
Energia potencjalna (27)
Energia wewnętrzna (28)

Energia i praca w akcji (28)

Silniki - umożliwianie energii wykonywania pracy (28)
Chłodzenie - umożliwienie pracy odprowadzania ciepła (29)

Gazy rzeczywiste, mieszaniny gazów i reakcje spalania (29)
Wielkie nazwiska i nowe sposoby oszczędzania energii (30)

Rozdział 2: Fundamenty termodynamiki (31)

Definiowanie najważniejszych parametrów stanu (32)

Ogólne podstawy pomiarów (32)
Masa (33)
Ciśnienie (33)
Temperatura (34)
Gęstość (36)
Energia (37)
Entalpia (41)
Ciepło właściwe (41)
Entropia (42)

Procesy termodynamiczne (43)

Tworzenie ścieżki procesu (44)
Ustalanie stanu na każdym z końców ścieżki - postulat stanu (45)
Łączenie procesów w celu stworzenia cyklu (46)

Prawa natury dotyczące temperatury, energii i entropii (47)

Zasada zerowa dotycząca temperatury (47)
Pierwsza zasada dotycząca zachowania energii (48)
Druga zasada dotycząca entropii (49)
Trzecia zasada dotycząca zera bezwzględnego (50)

Rozdział 3: Praca z fazami i parametrami substancji (51)

To tylko faza - opis ciał stałych, cieczy i gazów (51)

Wykres fazowy (53)
Wykres T-V (53)
Wykres p-V (55)

Przebieg przemian fazowych (56)

Od cieczy sprężonej do cieczy nasyconej (57)
Od nasyconej cieczy do nasyconej pary (58)
Od pary nasyconej do pary przegrzanej (60)

Znajdowanie parametrów termodynamicznych za pomocą tablic (61)

Interpolacja liniowa (61)
Interpolacja z wykorzystaniem dwóch zmiennych (62)

Grzeczne gazy zachowują się doskonale (64)

Rozdział 4: Praca i ciepło pasują do siebie jak dwie połówki jabłka (67)

Praca może dokonać wielkich rzeczy (68)

Praca ze sprężynami (69)
Obracanie wału (70)
Przyspieszanie samochodu (71)
Ruch tłoków (72)
Określanie pracy objętościowej (75)

Ogrzewanie i chłodzenie (76)

Podgrzewanie w kotłach (77)
Chłodzenie za pomocą skraplaczy (79)
Schładzanie z wykorzystaniem parowników (80)

CZĘŚĆ II: STOSOWANIE ZASAD TERMODYNAMIKI (83)

Rozdział 5: Stosowanie pierwszej zasady w układach zamkniętych (85)

Zachowanie masy w układzie zamkniętym (85)
Bilansowanie energii w układzie zamkniętym (86)
Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki do przemian gazu doskonałego (88)

Praca z układami o stałej objętości (89)
Praca z procesami o stałym ciśnieniu (90)
Praca z procesami o stałej temperaturze (92)
Praca z procesami adiabatycznymi (94)

Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki do przemian cieczy i ciał stałych (96)

Rozdział 6: Zastosowanie pierwszej zasady w układach otwartych (99)

Zachowanie masy w układzie otwartym (99)

Masowe i objętościowe natężenie przepływu (100)
Stosowanie zasady zachowania masy w układzie (100)

Bilansowanie masy i energii w układzie (102)
Gdy czas nie biegnie - proces w stanie ustalonym (103)
Stosowanie pierwszej zasady w odniesieniu do czterech typowych procesów przebiegających w układach otwartych (105)

Przepływ przez dysze i dyfuzory (105)
Praca z pompami, sprężarkami i turbinami (107)
Przepływ energii w wymiennikach ciepła (109)
Zmniejszanie ciśnienia za pomocą zaworów dławiących (111)

Gdy liczy się czas - procesy przejściowe (113)

Założenia bilansu energetycznego (114)
Analiza procesu niestacjonarnego (115)

Rozdział 7: Analiza silników cieplnych i chłodziarek z wykorzystaniem drugiej zasady termodynamiki (117)

Konsekwencje drugiej zasady termodynamiki (118)
Definiowanie zbiorników energii cieplnej (119)

Parametry buforu ciepła (119)
Uwzględnianie różnicy poziomów jakości (120)

Druga zasada termodynamiki - sformułowanie Kelvina-Plancka dotyczące silników cieplnych (121)

Charakterystyki silników cieplnych (121)
Określanie sprawności cieplnej (123)

Chłodzenie z wykorzystaniem sformułowania Clausiusa (124)

Charakterystyki chłodziarek (124)
Określanie współczynnika wydajności (126)

Rozdział 8: Entropia, czyli koniec Wszechświata (129)

Entropia - co to takiego? (129)

Entropia w skali mikroskopowej (130)
Entropia na poziomie makroskopowym (130)

Zasada wzrostu entropii (132)
Praca z wykresami T-s (134)

Wykorzystywanie zależności T-ds (135)

Obliczanie zmiany entropii (136)

Substancje czyste (136)
Ciecze i ciała stałe (139)
Gazy doskonałe (140)

Analiza procesów izentropowych (143)

Wykorzystywanie stałego ciepła właściwego (143)
Wykorzystywanie ciśnienia względnego i objętości względnej (145)

Bilansowanie entropii w układzie (147)

Rozdział 9: Analiza układów z wykorzystaniem drugiej zasady termodynamiki (149)

Pomiar potencjału pracy z wykorzystaniem dostępności energii (150)
Określanie zmiany poziomu dostępności (151)

Obliczanie poziomu dostępności w układach zamkniętych (151)
Obliczanie dostępności w układach otwartych o przepływie stacjonarnym (155)
Obliczanie dostępności w układach otwartych o przepływie niestacjonarnym (158)

Bilansowanie dostępności układu (160)

Transfer dostępności za pomocą procesów pracy (161)
Transfer dostępności za pomocą procesów transferu ciepła (161)
Transfer dostępności za pośrednictwem przepływu masy (162)

Zasada spadku dostępności (162)
Praca odwracalna i nieodwracalność (163)
Obliczanie wydajności układu z punktu widzenia drugiej zasady termodynamiki (165)

CZĘŚĆ III: SAMOLOTY, POCIĄGI I SAMOCHODY - NIECH CIEPŁO DLA NAS PRACUJE (169)

Rozdział 10: Praca z cyklami Carnota i Braytona (171)

Analiza idealnego silnika cieplnego - cykl Carnota (172)

Badanie czterech procesów w cyklu Carnota (173)
Obliczanie sprawności cyklu Carnota (174)

Idealny silnik z turbiną gazową - cykl Braytona (175)

Badanie czterech procesów w cyklu Braytona (176)
Analiza cyklu Braytona (178)
Określanie sprawności cyklu Braytona (184)
Obliczanie nieodwracalności cyklu Braytona (184)

Zwiększanie sprawności cyklu Braytona za pomocą regeneracji (186)
Dodawanie do cyklu Braytona chłodzenia międzystopniowego i przegrzewu wtórnego (188)

Wpływ chłodzenia międzystopniowego i przegrzewu wtórnego na cykl Braytona (188)
Analiza skutków chłodzenia międzystopniowego i przegrzewu wtórnego (190)

Zachowanie nieidealne - sprawność rzeczywistego cyklu Braytona (192)
Cykl Braytona w locie - napęd odrzutowy (193)

Działanie idealnego cyklu turboodrzutowego (194)
Analiza cyklu silnika odrzutowego (196)

Rozdział 11: Praca z cyklami Otta i Diesla (199)

Podstawowe informacje o silnikach tłokowych (199)
Idealny silnik z zapłonem iskrowym - cykl Otta (203)

Analiza cyklu Otta (203)
Obliczanie sprawności cyklu Otta (209)
Obliczanie nieodwracalności cyklu Otta (210)

Praca z silnikiem o zapłonie sprężeniowym - cykl Diesla (212)

Badanie czterech procesów cyklu Diesla (212)
Analiza cyklu Diesla (214)
Obliczanie sprawności cyklu Diesla (219)
Obliczanie nieodwracalności cyklu Diesla (220)

Rozdział 12: Praca z cyklami Rankine'a (221)

Podstawy cyklu Rankine'a (221)
Badanie czterech procesów cyklu Rankine'a (223)
Analiza cyklu z wykorzystaniem tablic parametrów pary (225)

Obliczanie sprawności cyklu Rankine'a (227)
Obliczanie nieodwracalności cyklu Rankine'a (228)

Usprawnianie cyklu Rankine'a za pomocą przegrzewu wtórnego (229)
Modyfikacja cyklu Rankine'a za pomocą regeneracji (233)
Zachowania odbiegające od idealnego - przebieg rzeczywistego cyklu Rankine'a (237)

Rozdział 13: Obniżanie temperatury - cykle chłodnicze (241)

Podstawy cykli chłodniczych (242)
Chłodzenie za pomocą odwrotnego cyklu Braytona (242)

Badanie czterech procesów w odwrotnym cyklu Braytona (243)
Analiza cyklu przy stałej wartości ciepła właściwego (245)
Obliczanie współczynnika wydajności odwrotnego cyklu Braytona (247)
Obliczanie nieodwracalności dla chłodziarki cyklu Braytona (247)

Chłodzenie za pomocą chłodziarki sprężarkowej (249)

Badanie czterech procesów w chłodziarce sprężarkowej (250)
Analiza cyklu za pomocą tablic parametrów termodynamicznych czynnika chłodniczego (252)
Obliczanie współczynnika wydajności chłodziarki sprężarkowej (254)
Obliczanie nieodwracalności chłodziarki sprężarkowej (255)

Rozgrzewka z pompami ciepła (256)

Badanie czterech procesów przebiegających w pompie ciepła (256)
Analiza pompy ciepła (258)
Obliczanie współczynnika wydajności pompy ciepła (258)
Obliczanie nieodwracalności pompy ciepła (259)

CZĘŚĆ IV: RELACJE, REAKCJE I MIESZANINY TERMODYNAMICZNE (261)

Rozdział 14: Zachowania gazów rzeczywistych (263)

Zachowanie odbiegające od doskonałego - gaz rzeczywisty (264)
Określanie parametrów za pomocą współczynnika ściśliwości (266)

Wykorzystywanie zredukowanej temperatury i ciśnienia (268)
Wykorzystywanie objętości pseudozredukowanej (269)

Ustalanie ciśnienia za pomocą równania van der Waalsa (270)

Rozdział 15: Mieszanie gazów obojętnych (273)

Określanie parametrów termodynamicznych mieszaniny gazów (274)

Wykorzystywanie ułamków masowych i molowych mieszanin gazów (274)
Określanie parametrów mieszaniny gazów (276)

Współczynnik ściśliwości mieszanin gazów rzeczywistych (277)

Założenia dotyczące współczynników ściśliwości mieszanin (278)
Ustalanie współczynników ściśliwości za pomocą prawa Amagata (279)
Ustalanie współczynników ściśliwości za pomocą prawa Daltona (281)
Obliczanie współczynnika ściśliwości za pomocą reguły Kaya (282)

Psychrometria - mieszaniny powietrza i pary wodnej (284)

Ustalanie temperatury termometru wilgotnego za pomocą psychrometru obrotowego (284)
Jest duszno - obliczanie wilgotności właściwej i względnej (285)
Zaparowane okulary - punkt rosy (287)
Rozwiązywanie problemów związanych z temperaturą i wilgotnością (288)
Korzystanie z wykresu psychrometrycznego (289)

Komfort dzięki klimatyzacji (292)

Ogrzewanie i nawilżanie powietrza (292)
Chłodzenie i osuszanie powietrza (294)

Rozdział 16: Procesy spalania (299)

Równania reakcji spalania (300)

Ile potrzeba powietrza - stechiometryczne równania reakcji (301)
Nadmiar powietrza w procesie spalania (301)

Definiowanie parametrów termodynamicznych związanych ze spalaniem (303)

Entalpia tworzenia (303)
Entalpia spalania (305)

Wykorzystywanie pierwszej zasady termodynamiki w układach spalania o przepływie stacjonarnym (309)
Analiza przykładowego układu o przepływie stacjonarnym (310)
Wykorzystywanie pierwszej zasady termodynamiki w zamkniętych układach spalania (312)
Analiza przykładowego układu zamkniętego (312)
Uch, jak gorąco! Określanie adiabatycznej temperatury płomienia (314)
Przykład obliczania adiabatycznej temperatury płomienia (315)

CZĘŚĆ V: DEKALOGI (319)

Rozdział 17: Dziesięciu słynnych badaczy zagadnień termodynamiki (321)

George Brayton (321)
Nicolas Léonard Sadi Carnot (322)
Anders Celsius (322)
Rudolf Diesel (322)
Daniel Gabriel Fahrenheit (322)
James Prescott Joule (323)
Nikolaus August Otto (323)
William Rankine (323)
William Thomson, czyli lord Kelvin (324)
James Watt (324)

Rozdział 18: Dziesięć innych cykli wartych uwagi (325)

Silniki dwusuwowe (325)
Silniki Wankla (326)
Cykl Stirlinga (327)
Cykl Ericssona (328)
Cykl Atkinsona (328)
Cykl Millera (329)
Cykl absorpcji (330)
Cykl Einsteina (330)
Silniki o układzie gazowo-parowym (331)
Cykle binarne (332)

Dodatek (333)

Skorowidz (343)