Applied Thermodynamics (FSI-IAT-A)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D.  
Garantující pracoviště: EÚ všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:
Schopnost provádět technické výpočty v oblasti termodynamiky. Aplikovat teoretické znalosti v konstrukčních i technologických oborech.
Výstupy studia a kompetence:
Schopnost provádět technické výpočty v oblasti termodynamiky: Výpočet tepelných strojů a chladicích zařízení. Tepelné bilance materiálových i strojních soustav a zařízení. Výpočet nebo modelování termodynamice v strojních soustavách, v plynech, parách, ve stavbách, při technologických procesech.
Prerekvizity:
Matematika, Fyzika na úrovní obecného bakalářského programu v oblasti strojírenství.
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.
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 (případně ústní) zkouška, součástí hodnocení je ze 30 % hodnocení ze cvičení. Součástí písemné části zkoušky je řešení příkladů a teoretické otázky (případně test), hodnocení obou těchto částí má stejnou váhu.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Kontrolovaná účast na cvičeních, v případě omluvené absence výpočet náhradních příkladů. Vypracovat testu během semestru.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1) Základní pojmy. Základní zákony a stavová rovnice ideálního plynu. Teplotní roztažnost látek a jejich využití v technické praxi. Tepelné kapacity. Měření termodynamických veličin. Směsi ideálních plynů, Daltonův zákon, stavová rovnice směsi a jejích složek. Polodokonalé a reálné plyny. Van der Waalsova stavová rovnice. Určení vlastností reálných plynů, interpolace dat.
2) První zákon termodynamiky a jeho dvě matematické formy. Teplo, objemová a technická práce, vnitřní energie, entalpie. Entropie a obecné rovnice změn entropie.
3) Vratné děje ideálních plynů, změna stavových veličin, výpočet tepla, vnitřní energie, entalpie, objemové a technické práce a znázornění v p-v a T-s diagramu. Nevratné děje a jejich význam pro praxi. Škrcení plynů, využití pro měření rychlosti proudění.
4) První zákon termodynamiky pro otevřenou soustavu a jeho rovnice. Rovnice kontinuity. Metoda kontrolních objemů založená na zákonu zachování energie a hmoty. Praktické aplikace.
5) Tepelné cykly, termická účinnost, práce. Carnotův cyklus. 2. zákon termodynamiky. Znázornění vratných dějů a Carnotova cyklu v T-s diagramu. Obrácený a nevratný Carnotův cyklus.
6) Kompresory. Cykly spalovacích motorů, přeplňování spalovacích motorů. Spalovací turbíny.
7) Způsoby řešení 0D a 1D simulací pracovních cyklů tepelných strojů. Řešení reálných cyklů tepelných strojů, využití Matlab/Simulink.
8) 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.
9) Tepelné elektrárny. Rankin–Clausiův cyklus. Cykly chladicích zařízení a tepelných čerpadel.
10) Spalování paliv. Výhřevnost, spalné teplo. Stechiometrické spalovací rovnice. Stechiometrický poměr, součinitel přebytku vzduchu.
11) 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.
12) 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. Reakční motory, proudové, raketové.
13) Proudové a raketové motory. Rázové vlny. Základy modelování proudění stlačitelných tekutin.
    Cvičení Výpočty:
1) Stavové veličiny ideálního plynu a směsi ideálních plynů. Kalorimetrické bilanční výpočty.
2) Vratné změny ideálního plynu - stavové veličiny, teplo, práce, změny vnitřní energie, entropie.
3) Carnotův cyklus, termická účinnost, změny entropie. I. Zákon pro otevřenou soustavu (metoda kontrolních objemů)
4) Kompresory, vícestupňové kompresory.
5) Cykly spalovacích motorů a plynových turbin.
6) 0D a 1D simulací pracovních cyklů tepelných strojů. Řešení reálných cyklů tepelných strojů, využití Matlab/Simulink.
7) Termodynamické děje v parách - stavové veličiny, teplo, práce, změny vnitřní energie, entropie.
8) Rankin-Clausiův cyklus, cykly tepelných elektráren včetně jaderných.
9) Základní parametry vlhkého vzduchu a jeho úprav (ohřev, ochlazování, míšení, vlhčení).
10) Řešení spalovacích rovnic. Výpočty spotřeby vzduchu. Výpočet výhřevnosti paliv a směsi.
11) Adiabatické proudění zužujícím se otvorem nebo Lavalovou dýzou. Návrh jejích hlavních rozměrů.
12) Cykly spalovacích turbín, proudových a raketových motorů.
13) Zápočtový test.
Literatura - základní:
1. MORAN, Michael J., Howard N. SHAPIRO, Daisie D. BOETTNER a Margaret B. BAILEY. Fundamentals of engineering thermodynamics. 9th edition. Hoboken, NJ: Wiley, 2018. ISBN 978-1-119-39138-8.
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. CATON, J. A. An introduction to thermodynamic cycle simulations for internal combustion engines. 1. The Atrium, Southern Gates, Chichester, West Sussex, United Kingdom: John Wiley, 2016. ISBN 978-111-9037-569.
Literatura - doporučená:
1. 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.
2. MORAN, Michael J., Howard N. SHAPIRO, Daisie D. BOETTNER a Margaret B. BAILEY. Fundamentals of engineering thermodynamics. 9th edition. Hoboken, NJ: Wiley, 2018. ISBN 978-1-119-39138-8.
3. Kirkpatrick, Allan T., and Colin R. Ferguson. 2016. Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences. Third. United Kingdom: John Wiley.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 Z
N-ENG-A prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 7 Povinný 2 1 Z
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 7 Volitelný 2 1 Z