工程热力学第一章课件.ppt

Title,Paragraphs and points,New paragraph and point,第三级,第四纪,第五级,中南大学能源学院 制冷与低温研究所,中南大学能源学院 制冷与低温研究所,Title,Paragraphs and points,New paragraph and point,第三级,第四纪,第五级,第一章 基本概念,1-1,热能和机械能转换,1,、,蒸汽动力装置,2,、内燃机,热能动力装置,从火力发电厂的生产过程可见，就其能量转换来说，可以分为两大部分，即从燃料的化学能转变为机械能的部分和从机械能转变为电能的部分。,前者称为发电厂的热力部分，后者称为发电厂的电气部分。热力部分包括锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵、加热器等热力设备以及连接它们构成的热力系统。,1-2,热力系统与工质,热力系统,(,热力系、系统,),：人为地,研究对象,外界：系统以外的所有物质,1,、系统与边界,边界,(,界面,),：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,边界特性,真实、虚构,固定、活动,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无,是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,Concepts&Definitions,Closed systemquantity of matter under study,Control mass,Only heat and work can cross boundary of closed system,Open systemregion in space on which attention is focused,Control volume,Heat and work may cross control surface,Mass may also cross control surface,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系,非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,简单可压缩系统,最重要的系统,简单可压缩系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,工质,在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借助于媒介物质。,实现能量转换的媒介物质就称为工质。,不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态物质作为工质。,在火电厂中，由于工质连续不断地流过热力设备而膨胀作功，因此，要求工质应有良好的膨胀性和流动性，此外，还要求工质热力性能稳定、无毒、无腐蚀性、价廉、易得等。鉴于此，目前火电厂中采用水蒸气作为工质。水在锅炉中吸热生成蒸汽，然后在汽轮机中膨胀推动叶片旋转对外作功，作功后的乏汽在凝汽器中向冷却水放热又凝结成水。,1-3,状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1,、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2,、,状态参数的积分特征,：状态参数的变化量,与路径无关，只与初终态有关,3,、,状态参数的微分特征,：全微分,状态参数的积分特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,点函数、态函数,1,2,a,b,例：温度变化,其他参数变化,状态参数的微分特征,设,z,=,z,(,x,y,),d,z,是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,强度参数与广延参数,强度参数：与物质的量无关的参数,如压力,p,、,温度,T,广延参数：与物质的量有关的参数,可加性,如,质量,m,、,容积,V,、,内能,U,、,焓,H,、,熵,S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：,/kg /kmol,具有强度量的性质,Concepts&Definitions,Extensive properties properties whose value depend on the amount of matter in system,Mass,volume,energy,etc.,Use upper case letter to designate extensive properties,Intensive properties properties whose value does not depend on the amount of matter in system,Pressure,temperature,density,energy per unit mass,etc.,Use lower case letter to designate extensive properties,1-3(Cont.),基本状态参数,1,、温度,T,2,、压力,p,3,、比容,v,1,、,温度,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度,T,0.5,m w,2,1),同,T,0.5,mw,2,不同，如碳固体和碳蒸气,2),T,=,0,0.5mw,2,=,0,分子一切运动停止，,零点能,热力学第零定律,温度的热力学定义,热力学第零定律（,R.W.Fowler,）,如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡,。,温度测量的理论基础,B,温度计,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量,温度,。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量,温度的测量,温度,计,物质（水银，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标,绝对,K,摄氏,华氏,F,朗肯,R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,2,、压力,p,常用单位：,1,bar,=,10,5,Pa,1,MPa,=,10,6,Pa,1,atm,=,760,mmHg,=,1.013,10,5,Pa,1,mmHg,=,133.3,Pa,1,at,=,735.6,mmHg,=,9.80665,10,4,Pa,物理中压强,，,单位,:Pa,N/m,2,绝对压力与相对压力,当,p,p,b,表压力,p,g,当,p,有足够时间恢复新平衡,准静态过程,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机,2000,转,/,分,曲柄,2,冲程,/,转，,0.15,米,/,冲程,活塞运动速度,=2000,2 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）,350 m/s,破坏平衡所需时间,（外部作用时间）,恢复平衡所需时间,（驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,准静态过程的容积变化功,p,p,外,f,初始：,p,A,=,p,外,A,+,f,A,如果,p,外,微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中工质为系统,mkg,工质发生容积变化对外界作的功,W,=,p,A,dl,=p,d,V,1kg,工质,w,=p,d,v,d,l,很小,，,近似认为,p,不变,准静态过程的容积变化功,p,p,外,2,mkg,工质：,W,=p,d,V,1kg,工质：,w,=p,d,v,1,注意：,上式仅适用于准静态过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p,外,2,1,mkg,工质：,W,=p,d,V,1kg,工质：,w,=p,d,v,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,1,）单位为,kJ,或,kJ/kg,2,）,p,-,V,图上用面积表示,3,）功的大小与路径有关，,功是过程量,4,）统一规定：,dV0,，膨胀 对外作功（正）,dV0,，压缩 外内作功（负）,5,）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6,）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,7,）有无,f,，只影响系统功与外界功的大小差别,摩擦损失的影响,若有,f,存在，就存在损失,p,p,外,2,1,系统对外作功,W,，外界得到的功,W,W,若外界将得到的功,W,再返还给系统，系统得到的功,W,T,2,Q,自由膨胀,真空,典型的不可逆过程,节流过程,(,阀门）,p,1,p,2,p,1,p,2,混合过程,1-6,过程功和热量,1,、力学定义,:,力,在力方向上的位移,2,、,热力学,定义,(,外文参考书）,a,、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,b,、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量,。,功的定义,功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功,容积变化功,其他准静态功：,拉伸功，表面张力功，电功,等,热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。,另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,热量定义,热量与容积变化功,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力,p,温度,T,标志,d,V,d,v,d,S,d,s,公式,条件 准静态或可逆,可逆,示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图,温熵,(,示热,),图,1-7,热力循环,要实现连续作功，必须构成循环,定义：,热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。,不可逆循环,分类：,可逆,过程,不可逆,循环,可逆循环,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,热力循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,W,T,1,Q,1,Q,2,T,2,动力循环：热效率,热力循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T,0,Q,1,Q,2,T,2,制冷循环：制冷系数,热力循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T,1,Q,1,Q,2,T,0,制热循环：制热系数,第一章,小 结,基本概念：,热力系,平衡、稳定、均匀,准静态、可逆,过程量、状态量、状态参数,功、热量、熵,p-V,图、,T-S,图,循环、工作系数,第一章,讨论课,热力系,种类：,闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系,热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。,一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。,例,1,：绝热刚性容器向气缸充气,试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。,(1),以容器内原有气体为系统,闭口系,功量：,气体对活塞作功,W,W,Q,热量：,气体通过活塞从外界吸热,Q,(2),以容器内残留的气体为系统,闭口系,功量：,残留气体对放逸气体作功,W,W,Q,热量：,残留气体从放逸气体吸热,Q,(3),以放逸气体为系统,闭口系,功量：,W,+,W,热量：,Q+Q,W,Q,W,Q,(4),以容器为系统,开口系,功量：,W,热量：,Q,W,Q,(5),以气缸为系统,开口系,功量：,W+W,热量：,Q+Q,W,Q,W,Q,强度量与广延量,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,状态量与过程量,状态量：,描述工质状态，工质的状态一定，状态参数一定。,具有物理上势函数的特征,状态参数的变化与过程无关，状态参数的全微分是恰当微分，微元量用符号,dz,表示。,过程量（功和热）,只有在热力过程中通过边界才能实现交换和传递。,没有过程就不会有迁移的能量,功和热。,不能说“系统具有多少功量或热量”,功量和热量的大小不仅和系统的初、终态有关，而且与系统经历的过程有关。,不是恰当微分，微元过程写成“,W”,和“,Q”,思考题,7,有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？,不对。关键看是否引起外界变化。,可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。,可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。,可逆过程与准静态过程的区别和联系,可逆过程一定是准静态过程,准静态过程不一定是可逆过程,可逆过程准静态过程无耗散,可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。,有用功,气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程,气体对外作功,若不考虑摩擦，外界得到功,但外界得到的有用功,p,b,p,可逆过程与准静态过程的功,加热,A,腔中气体，,B,被压缩，,B,中理想气体,B,A,1,）以,B,中气体为系统,绝热，无摩擦,缓慢压缩,准静态,无摩擦,可逆,B,中气体（理想气体，可逆，绝热）,B,得到的功,遵循,可逆过程与准静态过程的功,加热,A,腔中气体，,B,被压缩，,B,中理想气体,B,A,2,）以,A,中气体为系统,绝热，无摩擦,缓慢加热,准静态,无摩擦,内可逆,3,）以,A,腔为系统,4,）以,A,B,为系统,电功耗散为热,不可逆,电功耗散为热,不可逆,自由膨胀过程,刚性，绝热,真空,A,B,B,中没有气体，不能取做系统,以,A,中原有气体为系统,A,中气体非准静态,A,中气体没有作功,没有作功对象,后进去的对先进去的,气体作功了吗？,气体混合过程,刚性，绝热，,p,A,p,B,A,B,非准静态过程，非可逆过程,取,A,或,B,中气体为系统,可逆热力学没法计算,相互有功的作用,取,A,B,气体为系统，无功,灵活处理功的计算,充气球,若准静态过程,若取进入气球的,气体为系统,但,pV,的关系不知？,若看外部效果，,p,b,不变,外界得到功,p,b,V=,气体作功,quiz,1.,实现平衡态的条件是什么？实现准平衡过程的条件是什么？可逆过程实现的条件又是什么？,2.,说法,“,倘若容器内气体的绝对压力没有变化且大于大气压力，则安装在该容器上的压力表的读数不变,”,对否？,3.,什么是广延量参数？它有什么特点？,4.,简单可压缩系统的独立参数有几个？,5.,什么是正循环？什么是逆循环？它们各自的循环经济性如何表示？,