[工学]第1章-基本概念及定义.ppt

第一章 基本概念及定义,教学目标: 熟练掌握热力学研究的基本概念及定义。 知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。 重 点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。 难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念。,1-1 热能在热机中转变为机 械能的过程,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,气缸,内燃机的工作原理图,两冲程内燃机工作过程 (two-stroke cycle engine),进气,排气,四冲程内燃机工作过程 (four-stroke cycle engine),进气,排气,内燃机（汽油机）,工作物质： 燃气,燃气 热能,机械能,燃料 化学能,排入大气,压缩 燃烧、膨胀,吸气 排气,工作过程：,能量转换：,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力循环系统简图,550C,0,过 热 器,锅 炉,给水泵,冷凝器,冷 却 水,汽 轮 机,发电机,Q,Q,1,2,W,20C,0,高温高压蒸汽,W,p,简单蒸汽动力循环过程图,锅 炉(热源):燃料燃烧产生热量,将水变成蒸汽 (吸热过程) 汽轮机:将蒸汽携带的热能动能转子旋转机械能 (对外作功过程) 冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水 (对外放热过程) 水 泵:提高水的压力,将水送入锅炉 (消耗外功),工 质:水,问题:由哪些典型过程组成?,热动力装置工作过程的共同点: 1、从高温热源吸热(吸热过程) 2、将其中一部分转变为功(对外作功过程) 3、将其余部分传给低温热源(对外放热过程) 4、工质提高压力需要耗功(消耗外功),各种热工装置的热力学共性内容归纳,内燃机装置,燃气轮机装置,蒸汽动力装置,装置名称 工作物质 热 源 冷 源 功,水蒸汽,高 温 物 体,冷却水,对外输出功,燃 气,燃烧产物(自身),大 气,对外输出功,燃 气,燃烧产物(自身),大 气,对外输出功,压缩制冷装置,制冷剂,被冷却物体,大 气,消 耗 功,1-2 热力系（或称热力系统）,一、热力系的定义 热力学系统 热力系 外界 边界,界面的特性,可以是真实的， 也可以是虚拟的； 可以是固定的， 也可以是运动或变形的。,界面,热 源,外界,外界,热力系统,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体。是什么热力系？,热力系、界面、外界,界面,热 源,外界,热力系统,续4,热力系、界面、外界,界面,热 源,外界,热力系统,续4,界面,热 源,外界,热力系统,续4,热力系、界面、外界,界面,热 源,外界,热力系统,热力系、界面、外界,续4,系 统,界面,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体（打开阀门）。 是什么热力系？,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,系 统,界面,外界,外界,热力系、界面、外界例,热力系、界面、外例,系 统,界面,二、热力系统的分类,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,(一)按系统与外界之间的相互联系划分： 1.闭口系与外界无物质交换的热力系。 2.开口系与外界有物质交换的热力系。 3.绝热系与外界无热量交换的热力系。 4.孤立系与外界无任何联系的热力系。,闭口热力系,阀门关闭,开口热力系,开口举例热力系（放气）,管 道,开口举例热力系（管道）,开口热力系,续15,开口热力系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,燃料与空气,锅炉的简化热力学分析模型 (主要考虑蒸汽的发生),锅炉的简化热力学分析模型,开口热力系 汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管 叶片 汽轮机,发电机,开口热力系 汽轮机示意图,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系,汽轮机的简化热力学分析模型,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系（冷凝器）,开口热力系（冷凝器）示意图,蒸汽放热给冷却水,冷凝器的简化热力学分析模型,热力系,冷凝器的简化热力学分析模型 (主要考虑蒸汽的凝结),开口热力系（水泵示意图）,电动机,锅炉给水,来自冷凝器的水,水 泵,开口热力系（水泵示意图）,水泵的简化热力学分析模型,热力系,水泵的简化热力学分析模型,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,冷却水带走热量,（工质放热量）,向外输出功,（汽轮机）,（水泵耗功）,（工质吸热量）,蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型,热力系,向系统输入功,热源供热,蒸汽动力装置的简化热力学分析模型,（二）按照系统内部的情况可划分,1.均匀热力系 2.非均匀热力系 3.单元热力系 4.多元热力系 5.可压缩系统 6.简单可压缩系统,热力系统的分类,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,一、热力学状态 定义:工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理状况。,二、平衡状态的描述 在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。,实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。,状态和平衡状态,描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。,.热力学中常用的状态参数,.状态参数的数学特性,三、状态参数,.状态参数的分类, 基本状态参数, 导出状态参数,）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分,）按与系统内包含物质多少有无关系划分,强度参数,广延参数,四、基本状态参数【定义、符号、单位、表达式】,.比容、密度,.压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。,U形管式压力计示意图,真空度,U形管式压力计示意图,3.温度,）热力学第零定律,）温度,）温标【基准点、分度方法】,热力学温标 ,常用的温标,摄氏温标 t ,t = T273.15,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,37.8,100,0,32,-459.67,0,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,1-4 平衡状态,状态方程,坐标图,一、平衡状态 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的 状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状 态. 热平衡状态 力平衡状态 化学平衡状态 平衡态 维持平衡【不受外界影响】 不平衡 趋于平衡【不受外界影响】 平衡态 打破平衡【受到外界（热、功）影响】 建立新的平衡【与外界】,问题：如何定量描述工质的状态？,实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,二、状态方程,对于简单可压缩系统,状态方程:,或,三、状态参数坐标图,1,反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式， 称为状态方程。,1-5 工质的状态变化过程,1,系统状态的连续变化称为系统经历了一个热力过程简称过程。,1,2,p,v,2,1,一、准静态过程(准平衡过程),1、针阀的开度非常小（p0）， 内部无压差；,过程实施的假设条件：,4、活塞与汽缸壁无摩擦；,5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。,2、工质内部无温差；,3、工质内部无化学反应；,1,2,v,2,1,p,一、准静态过程(准平衡过程),2,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,准静态过程的工程条件,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）,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=20002 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”,气缸,活塞,飞轮,热 源,二、可逆过程,可逆过程模拟,工质、机器和热源组成的系统,过程假设： 1、无摩擦； 2、热源与工质温差无限小； 3、工质与外界压差无限小。,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,可逆过程模拟,工质、机器和热源组成的系统,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,12过程：热源放热，工质吸热膨胀， 对外作功，推动飞轮旋转,1,2,p,v,21过程：飞轮对活塞作功，工质被压 缩并对热源放热，工质吸热 膨胀,经历了121过程后，工质回复到原来状 态，热源回复到原来状态，机器回复到原来 状态。,可逆过程的描述： 系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,可逆过程的描述,注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,耗散效应,典型的不可逆过程,不等温传热 节流过程(阀门） 自由膨胀 混合过程,可逆过程与准平衡过程的区别：,1.可逆过程一定是准平衡过程；,2.准平衡过程不一定是可逆过程。,实际过程都是不可逆过程！,三、循环过程,工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。,v,1,p,v,p,可逆循环,不可逆循环,循环过程及在坐标图上的表示,1-6 过程功和热量,一、功的定义 定义:力和力的方向上位移的乘积.,对于过程1-2:,符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统作功为负. 单位、符号、比功、功率,二、可逆过程的功,功有何性质?,1、是过程量，不是状态量,2、其大小与初、终状态有 关，也与路径有关。,三、过程热量 定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量. 计算公式:,单位 符号 正负,微小热量 ：, 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。,总热量：,积分与过程有关 。,热量是过程量,系统可以和外界交换热量,熵（ Entropy）的定义,reversible,熵的简单引入,比参数 kJ/kg.K,ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商,清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,广延量 kJ/K,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 dV , dv dS , ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,循环过程 热机 工质,1-7 热力循环,一、循环概说,循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积,循环的经济性,可逆循环与不可逆循环,全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。,二、正向循环,定义,把热能转化为机械