Теплота – это великий дар природы и естественно желание научится разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использование теплоты.

Первобытный человек никогда не слышал слово термодинамика, но он был первым учеником, изучавшим этот предмет. Он обладал примитивными, но практически полезными для него знаниями о том явлении, которое мы обозначаем словом теплота. Вероятнее всего, он знал то, что мы с вами узнаем непосредственно из повседневного опыта. Камень в тени на ощупь отличается от камня на солнце. Переходить вброд мелкую реку, пруд гораздо приятнее, чем быстрый поток, текущий из источника на склоне холма. Зимой человек дрожал от холода, летом изнемогал от жары. Различие между горячим и холодным было очень важным, потому что непосредственно воздействовало на его чувства. Оно было осязаемым в буквальном смысле. Естественно, что он не понимал физического явления, обозначаемого словом «теплота».

У первобытного человека было также элементарное представление о том, что такое теплоизолятор, хотя вряд ли он так его называл. В тени ему было прохладно в жаркий летний зной. Снег под листвой долго сохранялся весной. Когда человек замерзал, он надевал шкуру.

После того, как приручив огонь, человек поселился в пещере, он на практике познал много нового о теплоте. Горящие дрова служили источником тепла. Огонь нагревал предметы гораздо быстрее солнца. Камень, положенный вблизи огня, становился таким горячим, что до него нельзя было дотронуться.

Скоро человек заметил, что предметы, находящиеся в огне или рядом с горячими камнями, не только нагреваются, но подвергаются и другим изменениям. Дрова горят. Снег и лед тают. Вода кипит или испаряется.

Первобытный человек открыл, что можно получать тепло совершая работу. Точнее говоря, он обнаружил, что, совершая работу над предметом, можно получить такой же результат, как и приведя его в контакт с чем-то горячим. Действительно, он мог путем трения друг о друга нагреть две палочки, то есть сделать их теплыми. Если он достаточно упорно тер их нужным образом, то в результате добывал огонь. Он осознавал, что процесс трения требует затраты определенных усилий, то есть, необходимо напрягаться и прикладывать силу. Человек не знал физического понятия «работа», но непосредственно на опыте убедился, что чем труднее тянуть или толкать предмет и чем дальше его перемещать, тем сильнее устаешь.

Следовательно, уже в те времена из повседневного опыта можно было установить, что один и тот же результат можно получить либо нагревая предмет, либо совершая над ним работу путем трения. Осознание этого факта уже тогда позволило бы отметить эквивалентность теплоты и работы. Но такой вывод первобытный человек не мог сделать и это было доказано позднее.

Он знал, что, совершив работу, можно нагреть холодный предмет. Но он не знал, что охладив рабочее тело, можно совершить работу. Хотя обратный процесс превращения теплоты в работу он все-таки использовал в своей деятельности, правда неосознанно.

Когда-то древний человек впервые проплыл вниз по течению реки на бревне, он использовал движение воды, текущей с горы под действием силы тяжести. Когда на смену бревну пришла парусная лодка, она двигалась под действием силы давления ветра, то есть ветер совершал работу. Но и ветер возникает вследствие теплового воздействия Солнца на атмосферу. Хотя плоты, парусные суда, ветряные и водяные мельницы, в конечном счете приводятся в движение солнечным теплом, здесь мы не имеем дела с сознательным использованием способности источников тепла производить работу. Получать тепловую энергию люди научились очень давно, а преобразовывать ее в механическую энергию – совсем недавно.

Первые тепловые двигатели строились без знания законов термодинамики и поэтому они были очень несовершенны и имели очень маленький КПД.

Теплотехника, как наука сформировалась в XVIII в  эпоху промышленно-технической революции.

Большой вклад в материалистическое направление развития теплотехники внес М.В. Ломоносов сформировавший закон о сохранении и превращении энергии.

В 1763 – 1765г. русский механик И.И. Ползунов создал оригинальную по конструкции паровую машину. В 1769г. английский механик Д. Уатт получил патент на паровую машину, работающую по принципу действия паровых машин наших дней.

В 1860г. француз Ленуар создал первый газовый двигатель внутреннего сгорания. Через 17 лет появился газовый двигатель, работающей по современной четырехтактной схеме. В 1895 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания, называемый теперь его именем.

Первый патент на газовую турбину получил 1791 г. В Англии Г. Бербер, но пригодный для практического использования газо-турбинные двигатели появились лишь через 100 лет. Первая паровая турбина была построена Г. Лавалем в 1883г. , как привод высокооборотного сепаратора с частотой вращения 30000 об/мин.

Вместе с развитием тепловых двигателей совершенствовалась и теория теплоты.

В 1824г. Французский инженер С. Карно опубликовал научный трактат, в котором сформировал важнейший закон теплотехники, определяющий условия превращения теплоты в механическую работу, предложил формулу для определения КПД идеального теплового двигателя и разработал схему работы двигателя внутреннего сгорания.

Большое значение для развития теплотехники имели труды Роберта Майера, Джеймса Джеауля, Рудольфа Клаузиса, Виллима Томсона .Их работы обусловили установление первого и второго законов термодинамики, которые создали основу для теоретического изучения и практического применения процессов взаимного превращения теплоты и работы.

Совершенствование теории тепловых двигателей и теплообменных аппаратов связано с именами выдающихся отечественных теплотехников М.Ф. Окатово,

 Л.К Попова, И.А. Вышнеградского, и др.

 Русской науке принадлежит приоритет в овладении законами реактивного двигателя. Гениальный русский ученый К.Э Циолковский создал научные основы реактивного двигателя.

Использование атомной энергии в энергетических целях также связано с тепловыми процессами. В мирном использовании атома приоритет принадлежит Советскому союзу. Впервые атомная электростанции мощностью в 5000 КВт была построена в нашей стране в 1954г. На сегодняшний день  мощность самой крупной действующей в нашей стране АЭС составляет 3000 МВт.

Тепловые процессы являются основными не только в теплоэнергетике. Их роль чрезвычайно велика в самых разнообразных технологических процессах, в том числе и химических.

Понимание физической сущности тепловых процессов, совершающихся в силовых и нагревательных агрегатах тепловых электрических станций, совершенно необходимо энергетикам- теплотехникам.

Поэтому дисциплина «Теоретические основы теплотехники» является одной из важнейших технических дисциплин и является базой для специалистов теплотехников.

Дисциплина, которую мы будем изучать включает в себя разделы :

§        Основы технической термодинамики;

§        Основы теплопередачи.

Основу термодинамики составляют фундаментальные законы, которые

обобщают закономерности существующих в природе явлений. Достоверность этих законов подтверждена всем опытом развития естественных наук.

Термодинамика ( происходит от слов «термо» и «динамика» ) – наука, в которой изучаются физические свойства макроскопических систем (тел и полей) на основе анализа возможных в этих системах превращений энергии без обращения к их макроскопическому строению.

Термодинамика – это наука, представляющая собой наиболее общее учение об энергии и способах ее передачи.

Термодинамика – наука о превращении  различных видов энергии из одного в другой, о наиболее общих макроскопических свойствах материи.

Термодинамика -  как раздел физики, изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми явлениями, а также свойства тел, которые участвуют в этих преобразованиях.

Техническая термодинамика устанавливает  закономерности взаимного преобразования различных видов  энергии, передачи этих видов энергии в виде теплоты и работы.

Для этого она изучает свойства газов и паров, (называемых в термодинамике рабочими телами) и процессы изменения их состояния; устанавливает взаимосвязь между тепловыми и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках.

Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов преобразования энергии, а также ее передачи в форме теплоты и работы.

Процесс передачи энергии в форме теплоты и работы составляют основу существования природы.

Техническая термодинамика дает теоретические основы ряду специальных дисциплин : «Котельные установки» , «Тепловые двигатели», «Теплотехническое оборудование». Развитие технической термодинамики неразрывно связано со всем развитием энергетики.

Среди различных явлений, сопровождающих рабочие процессы тепловых машин, центральное место занимает процесс передачи энергии на микроуровне (в форме теплоты) внутри тел и между телами. Это явление принято называть теплообменом.

Передача энергии на микроуровне (невидимом для нашего зрения) из одной части пространства в другую происходит тремя различными способами.

Первый способ – в чистом виде имеет место в однородных твердых телах и заключается в том, что энергия передается из одной части тела в другую путем непосредственного соприкосновения между материальными частицами тела, т.е. путем энергетического взаимодействия между частицами. Такой способ принято называть теплопроводностью.

Вторым способом  является передача энергии путем конвекции (от латинского принесение). Этот способ наблюдается тогда, когда материальные частицы какого-либо тела изменяют свое положение в пространстве и переносят содержащуюся в них энергию из одного места в другое. Такое явление имеет место при движении жидкостей и газов и всегда сопровождается теплопроводностью, т.е. передачей энергии от одной от одной частицы к соседней, если есть разность температур. Одновременный перенос энергии конвекцией и теплопроводностью обычно называют  конвективным теплообменом.

Обычно движение среды (капельной жидкости или газа) происходит в условиях ограничения ее твердыми стенками. При этом будет иметь место обмен энергией на микроуровне между движущейся средой и окружающими ее стенками. Такого рода теплообмен называют  теплоотдачей.

Третий способ  состоит в переносе энергии на микроуровне в пространстве электромагнитными колебаниями. Этот вид передачи энергии принято называть лучистым теплообменом или теплообменом излучением.

В реальных условиях обмен энергией на микроуровне между телами крайне редко осуществляется по одному из рассмотренных способов. Обычно имеет место энергообмен двумя, а чаще всеми тремя способами одновременно.

 Процессы переноса распространения тепла, влияющих на тепловые состояния тел, имеют место почти во всех отраслях техники.

С процессами передачи тепла приходится сталкиваться при решении многих практических задач. 

Совершенно очевидно, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности.