Теплотехника

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения преобразования, передачи и использования теплоты, а также принцип действия и конструктивные особенности тепло-и парогенераторов тепловых машин, агрегатов и устройств. Следовательно, процессы нагрева или охлаждения, которые происходят в закрытых средах и оборудовании – изучает теплотехника.
Теоретическими разделами теплотехники, в которых исследуются законы трансформации и свойства тепловой энергии, а также процессы распространения теплоты являются:


В термодинамике рассматриваются свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Например, состояние однородных жидкости или газа определяется заданием двух из трех величин: температуры, объема, давления (см. Клапейрона уравнение, Ван-дер-Ваальса уравнение). Энергетическая эквивалентность теплоты и работы устанавливается первая законом термодинамики. Второй закон термодинамики определяет макроскопическую необратимость процессов, протекающих с конечной скоростью, и лимитирует максимальное значение КПД при преобразовании теплоты в работу.
Теплопередача изучает теплообмен (процессы переноса теплоты) между теплоносителями через разделяющий пространство или твердую стенку, – через поверхность раздела между ними. В теплотехнических устройствах теплота может передаваться лучистым теплообменом, конвекцией, теплопроводностью.
Лучистый теплообмен (теплообмен излучением) характерен для камер сгорания, а также для некоторых печей. Общая энергия, которую излучается которым нибудь телом, пропорциональна температуре тела в четвертой степени (см. Стефана – Больцмана закон излучения). При данной температуре наибольшее количество энергии отдает абсолютно черное тело. Реальные тела обладают излучаемой способностью (интегральной или спектральной), показывающий, какую долю от энергии абсолютно черного тела излучает данное тело (во всем диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определенной длине волны) при той же температуре. Интегральная излучательная способность твердых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных температурах имеют очень малую излучательную способность, которая возрастает с увеличением толщины излучающего слоя.
Теплообмен конвекцией осуществляется в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. С помощью конвекции ведется нагревания или охлаждения жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателя и экономайзере котлов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твердой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от нее переносится за счет турбулентного перемешивания потока (см. турбулентная течение). Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи. См. также Конвективный теплообмен.
Теплообмен теплопроводностью характерен для твердых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа (см. Ламинарное течение), омывающих твердую стенку. Теплота при этом переносится в результате микроскопического процесса обмена энергией между молекулами или атомами тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным действием перечисленных видов теплообмена.
В развитии теплотехники и ее теоретических основ большая заслуга принадлежит российским ученым. Д.И. Менделеев провел фундаментальные работы по теории теплоемкости и установил существование для каждого вещества критической температуры. М.В. Ломоносов создал основы молекулярно-кинетической теории вещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической энергией.