Termomechanika (FSI-6TT)

Akademický rok 2021/2022
Garant: prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D.  
Garantující pracoviště: EÚ všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Schopnost provádět technické výpočty v oblasti termodynamiky a přenosu tepla. Aplikovat teoretické znalosti v konstrukčních i technologických oborech.
Výstupy studia a kompetence:
Schopnost provádět technické výpočty v oblasti termodynamiky a přenosu tepla: Výpočet tepelných strojů a chladicích zařízení. Tepelné bilance materiálových i strojních soustav a zařízení. Výpočet nebo modelování přenosu tepla v strojních soustavách, v plynech, parách, ve stavbách, při technologických procesech.
Prerekvizity:
Matematika, Fyzika, Hydromechanika
Obsah předmětu (anotace):
Základní stavové veličiny. Rovnice stavu ideálního plynu. Směs ideálních plynů. První zákon termodynamiky - teplo, práce, vnitřní energie, entalpie. Druhý zákon termodynamiky, entropie. Vratné a nevratné děje plynů. Tepelné cykly. Termodynamika par, parní tabulky, diagramy. Clausius - Clapeyronova rovnice. Termodynamické děje v parách. Termodynamika vlhkého vzduchu. Určující veličiny, tabulky, diagram. Izobarické úpravy vzduchu, odpařování z volné hladiny. Termodynamika proudění plynů a par. Adiabatické proudění dýzami. Cykly plynových a parních tepelných strojů. Kompresory. Cykly chladicích zařízení a tepelných čerpadel. Základy přenosu tepla. Stacionární přenos tepla vedením. Přenos tepla konvekcí, teorie podobnosti. Prostup tepla, výměníky tepla. Přenos tepla zářením. Vzájemné záření mezi povrchy.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Písemná a ústní zkouška s důrazem na teorii i řešení praktických příkladů.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Kontrolovaná účast na cvičeních, v případě omluvené absence výpočet náhradních příkladů. Vypracovat test během semestru.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Základní pojmy. Základní zákony a stavová rovnice ideálního plynu. Tepelné kapacity. Směsi ideálních plynů, Daltonův zákon, stavová rovnice směsi a jejích složek.
První zákon termodynamiky a jeho dvě matematické formy. Teplo, objemová a technická práce, vnitřní energie, entalpie.
Vratné děje ideálních plynů, změna stavových veličin, výpočet tepla, vnitřní energie, entalpie, objemové a technické práce a znázornění v p-v diagramu.
Tepelné cykly, termická účinnost, práce. Carnotův cyklus. 2. zákon termodynamiky. Entropie a obecné rovnice změn entropie. Znázornění vratných dějů a Carnotova cyklu v T-s diagramu. Obrácený a nevratný Carnotův cyklus. Nevratné děje v technické praxi.
Van der Waalsova stavová rovnice reálných plynů. Termodynamika par, p-v, T-s a h-s diagramy a tabulky par. Clausiova-Clapeyronova rovnice. Termodynamické děje v parách, změna stavových veličin, výpočet tepla, vnitřní energie, entalpie, objemové a technické práce.
Termodynamika vlhkého vzduchu. Definice vlhkosti a entalpie vlhkého vzduchu, diagram entalpie-měrná vlhkost. Ochlazování, ohřev, míšení a vlhčení vzduchu, adiabatické odpařovaní z volné hladiny. Psychrometr.
První zákon termodynamiky pro otevřenou soustavu a jeho rovnice. Rovnice kontinuity, Bernoulliho, Prandtlova trubice, rychlost zvuku, Machovo číslo. Adiabatické proudění ideálního plynu a páry zužujícím se otvorem a Lavalovou dýzou. Postup při jejich výpočtu. Činnost Lavalovy dýzy při různých vstupních podmínkách a vliv protitlaku na její činnost.
Cykly tepelných plynových a parních strojů. Spalovací motory, plynové turbiny, reakční motory.
Rankinův–Clausiův cyklus. Kompresory. Cykly chladicích zařízení a tepelných čerpadel.
Přenos tepla vedením. 3D diferenciální rovnice stacionárního a nestacionárního vedení tepla s vnitřním zdrojem v kartézských a válcových souřadnicích. Tepelná a teplotní vodivost. Stacionární vedení tepla jednoduchou a složenou rovinnou a válcovou stěnou.
Přenos tepla konvekcí. 3D Fourierova-Kirchoffova rovnice, Navierovy-Stokesovy rovnice, okrajové podmínky. Teorie podobnosti v tepelné konvekci. Odvození kritérií podobnosti. Kriteriální rovnice pro nucenou a přirozenou konvekci.
Stacionární prostup tepla jednoduchou a složenou rovinnou a válcovou stěnou. Výměníky tepla, střední teplotní logaritmický spád, postup výpočtu.
Přenos tepla zářením - základní zákony (1. a 2. Kirchhoffův, Planckův, Stefanův-Boltzmanův, Wienův). Záření mezi rovnoběžnými stěnami a mezi obklopujícími se povrchy.
    Cvičení Výpočty:
Stavové veličiny ideálního plynu a směsi ideálních plynů. Vratné změny ideálního plynu - stavové veličiny, teplo, práce, změny vnitřní energie, entropie. Carnotův cyklus. Termodynamické děje v parách - stavové veličiny, teplo, práce, změny vnitřní energie, entropie. Základní parametry vlhkého vzduchu a jeho úprav (ohřev, ochlazování, míšení, vlhčení). Cykly spalovacích motorů a plynových turbin. Rankinův-Clausiův cyklus, cyklus chlad. zařízení. Kompresory. Adiabatické proudění zužujícím se otvorem nebo Lavalovou dýzou. Návrh jejích hlavních rozměrů. Stacionární vedení tepla rovinnou a válcovou stěnou, jednoduchou nebo složenou. Součinitel přestupu tepla konvekcí a tepelný tok při konvekci. Stacionární prostup tepla – součinitel prostupu tepla, tepelný tok. Základní výpočet výměníku tepla. Záření mezi obklopujícími se povrchy.
Literatura - základní:
1. PAVELEK, Milan. Termomechanika. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2011, 192 s. : il. ; 30 cm + diagramy ([3] složené l.). ISBN 978-80-214-4300-6.
2. ÇENGEL, Yunus A. a Michael A. BOLES. Thermodynamics an engineering approach. 8. New York: McGraw-Hill, 2015, 1115 s. ISBN 978-0-07-339817-4.
3. INCROPERA, Frank, David DEWITT, Theodore BERGMAN a Adrienne LAVINE. Principles of heat and mass transfer. 7th ed., international student version. Singapore: John Wiley, c2013, xxiii, 1048 s. ISBN 978-0-470-64615-1.
Literatura - doporučená:
1. Moran, M. J.: Fundamentals of engineering thermodynamics. 7th ed. Hoboken: Wiley, 2011.
2. Borgnakke, C. Fundamentals of thermodynamics. 7th ed. International student version, SI version. Hoboken : Wiley, 2009.
3. Kreith, F., Bohn, M. S.: Principles of heat transfer. 6th ed., Brooks/Cole, 2001.
4. Latif M. Jiji: Heat Transfer Essentials. Begell House; 2 edition, 2002.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
B-ENE-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 1 2 Z
B-VTE-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 1 3 Z
B3A-P prezenční studium B-MET Mechatronika -- zá,zk 6 Povinně volitelný 1 3 Z
B3S-P prezenční studium B-KSB Kvalita, spolehlivost a bezpečnost -- zá,zk 6 Povinný 1 3 Z
B3S-P prezenční studium B-STI Základy strojního inženýrství -- zá,zk 6 Povinný 1 3 Z