Termomechanika (FSI-6TT)

Schopnost provádět technické výpočty v oblasti termodynamiky a přenosu tepla. Aplikovat teoretické znalosti v konstrukčních i technologických oborech.

Znalosti z matematiky a fyziky.

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. Spalování paliv. Výhřevnost, spalné teplo. Stechiometrické spalovací rovnice. Stechiopetrický poměr, součinitel přebytku vzduchu. 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.

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 zejména ve formě řešení příkladů.

Písemná zkouška jejiž součástí mohou být testy (s využitím počítačů) s důrazem na teorii a řešení praktických příkladů. Volitelnou částí zkoušky je ústní zkouška ověřujicí znalosti z  písemné části zkoušky. Součásti hodnocení je hodnocení ze cvičení v rozsahu minimálně 30 %.

Kontrolovaná účast na cvičeních, v případě omluvené absence výpočet náhradních příkladů. Zanlosti ze cvičení ověřovány vypracováním projektů a testu založeném na výpočtu příkladů. S možností jedné opravy.

1. Základní pojmy. Základní zákony a stavová rovnice ideálního plynu. Tepelné kapacity.


2. Směsi ideálních plynů, Daltonův zákon, stavová rovnice směsi a jejích složek.


3. První zákon termodynamiky a jeho dvě matematické formy. Teplo, objemová a technická práce, vnitřní energie, entalpie. Entropie a obecné rovnice změn entropie. První zákon termodynamiky pro otevřenou soustavu a jeho rovnice. Rovnice kontinuity.


4. 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. Znázornění vratných dějů a Carnotova cyklu v T-s diagramu. Obrácený a nevratný Carnotův cyklus. Nevratné děje v technické praxi.


5. Kompresory. Cykly spalovacích motorů a spalovacích turbín. Reálné plyny, Van der Waalsova stavová rovnice. Praktické přístupy k řešení vlastností reálných a polodokonalých plynů.


6. 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.


7. Tepelné elektrárny. Rankin–Clausiův cyklus. Cykly chladicích zařízení a tepelných čerpadel.


8. Spalování paliv. Výhřevnost, spalné teplo. Stechiometrické spalovací rovnice. Stechiopetrický poměr, součinitel přebytku vzduchu. 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.


9. 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.


10. Základy přenosu tepla. 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 stěno.


11. 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.


12. Stacionární prostup tepla jednoduchou a složenou rovinnou a válcovou stěnou. Výměníky tepla, střední teplotní logaritmický spád, postup výpočtu.


13. Přenos tepla zářením - základní zákony (1. a 2. Kirchhoffův, Planckův, Stefanův-Boltzmanův, Wienův). Záření mezi rovnoběžnými stěnami a mezi obklopujícími se povrchy.  

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 Cykly spalovacích motorů a plynových turbin.


5. Termodynamické děje v parách - stavové veličiny, teplo, práce, změny vnitřní energie, entropie.


6. Rankin-Clausiův cyklus, cykly tepelných elektráren včetně jaderných.


7. Základní parametry vlhkého vzduchu a jeho úprav (ohřev, ochlazování, míšení, vlhčení).


8. Adiabatické proudění zužujícím se otvorem nebo Lavalovou dýzou. Návrh jejích hlavních rozměrů.


9. Cykly spalovacích turbín, proudových a raketových motorů.


10. Stacionární vedení tepla rovinnou a válcovou stěnou, jednoduchou nebo složenou. Stacionární prostup tepla – součinitel prostupu tepla, tepelný tok


11. Součinitel přestupu tepla konvekcí a tepelný tok při konvekci.


12. Základní výpočet výměníku tepla. Záření mezi obklopujícími se povrchy.


13. Zápočtový test

JAROŠ, Michal a Josef ŠTĚTINA. Termomechanika: sbírka příkladů. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2020. ISBN 978-80-214-5885-7.

SUKUMAR Pati Sadhu Singh. Thermal Engineering, 2018 ,Pearson ISBN: 9789353063931