工程热力学课件 (02) pdf

1111155功和热量功和热量第1章基本概念1111基本概念基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环221111基本概念基本概念1155功和热量功和热量第1章基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环331热能动力装置简称为热动装置或简称为热机。将热能转化为机械能的装置根据工质的不同可分为燃气动力装置内燃机、燃气轮机和蒸汽动力装置汽轮机。与热动装置相对应制冷装置可以说是将机械能转化为热能的装置。具备的要素工质、高温热源、低温热源44蒸汽动力装置锅炉锅炉BOILERBOILERBB汽轮机汽轮机TURBINETURBINETT冷凝器凝汽器冷凝器凝汽器CONDENSORCONDENSORCC水泵水泵PUMPPUMPPP发电机发电机GENERATORGENERATORGG锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵冷凝器冷凝器CCBBPPTTGG552工质定义实现热能和机械能相互转化的媒介定义实现热能和机械能相互转化的媒介物质物质制冷装置中又称为制冷剂制冷装置中又称为制冷剂对工质的要求对工质的要求11膨胀膨胀性性22流动流动性性33热容量热容量44稳定性稳定性安全性安全性55对环境友善对环境友善66价廉价廉易大量获取易大量获取物质三态中物质三态中气态气态最适宜作为工质最适宜作为工质66工质的举例蒸汽动力装置蒸汽机、汽轮机蒸汽动力装置蒸汽机、汽轮机水蒸气水蒸气气体动力装置内燃机、燃气轮机气体动力装置内燃机、燃气轮机空气和燃气空气和燃气制冷装置冰箱、空调制冷装置冰箱、空调低沸点物质氨、氟里昂低沸点物质氨、氟里昂2773热源工质从中吸取热量或向之排出热量的物质工质从中吸取热量或向之排出热量的物质系统系统热源的分类热源的分类高温热源热源高温热源热源低温热源冷源低温热源冷源热源的举例热源的举例火电厂高温热源锅炉侧火电厂高温热源锅炉侧火电厂低温热源环境火电厂低温热源环境88热动装置、制冷装置的工作原理热动装置制冷装置994热力系统热力系统被人为地分割出来作为热力热力系统被人为地分割出来作为热力学研究对象的有限物质系统学研究对象的有限物质系统外界系统以外的所有物质外界系统以外的所有物质边界界面系统与外界的分界面边界界面系统与外界的分界面1010系统、外界和边界121211锅炉锅炉22汽轮机汽轮机33凝汽器凝汽器44水泵水泵AA以锅炉为热力系统以锅炉为热力系统BB以汽轮机为热力系统以汽轮机为热力系统CC以整个蒸汽动力装置为热力系统以整个蒸汽动力装置为热力系统划分热力系统举例1313热力系统分类以系统与外界关系划分以系统与外界关系划分有有无无有无质量传递有无质量传递开口系开口系闭口系闭口系有无热量传递有无热量传递非绝热系非绝热系绝热系绝热系有无功量传递有无功量传递非绝功系非绝功系绝功系绝功系有无能量、物质传递有无能量、物质传递非孤立系非孤立系孤立系孤立系31515关于热力系统热力系的选取取决于热力系的选取取决于研究目的和方法研究目的和方法具有随意具有随意性选取不当将不便于分析。性选取不当将不便于分析。重点掌握重点掌握开口系统、闭口系统、绝热系统、孤立开口系统、闭口系统、绝热系统、孤立系统系统。一旦取定系统一旦取定系统沿边界沿边界寻找相互作用因为系统寻找相互作用因为系统与外界的作用都通过边界看是否有与外界的作用都通过边界看是否有质量交换、质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递热量传递、功的传递及其他形式能量传递。1616热力系统分析1234MQW11开口系开口系1212闭口系闭口系123123绝热闭口系绝热闭口系12341234孤立系孤立系1717简单可压缩系统工程热力学中最常见、最重要的热力系统工程热力学中最常见、最重要的热力系统简单可压缩系统简单可压缩系统工程热力学中研究的工质都是工程热力学中研究的工质都是可压缩流体可压缩流体水蒸气、空水蒸气、空气、燃气等气、燃气等简单可压缩系统中工质与外界交换的能量只包括简单可压缩系统中工质与外界交换的能量只包括热量热量和和体体积变化功积变化功由于体积变化而与外界交换的功包括膨胀功由于体积变化而与外界交换的功包括膨胀功和压缩功和压缩功工程热力学中讨论的大部分系统都是工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统简单可压缩系统18181111基本概念基本概念1155功和热量功和热量第1章基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环1919状态参数的定义状态某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况状态某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况状态参数描述工质所处状态的宏观物理量状态参数描述工质所处状态的宏观物理量工程热力学中常用状态参数工程热力学中常用状态参数状态参数状态参数温度温度TT、压力、压力PP、比体积、比体积VV、热力学能、热力学能UU、焓、焓HH、熵、熵SS基本状态参数基本状态参数温度温度TT、压力、压力PP、比体积、比体积VV2121状态参数的特征状态确定则状态参数也确定反之亦然状态确定则状态参数也确定反之亦然状态参数的这一特性单值可确定性在数学状态参数的这一特性单值可确定性在数学上是一个点函数。其特性为上是一个点函数。其特性为状态参数的积分特性状态参数的变化量与路径无状态参数的积分特性状态参数的变化量与路径无关只与初态和终态有关关只与初态和终态有关状态参数的微分特性可写成全微分的形式状态参数的微分特性可写成全微分的形式42222状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关只与初态和终态有状态参数变化量与路径无关只与初态和终态有关如温度、压力关如温度、压力1122AABB22221111ABDZDZDZZZ0DZ2323状态参数的微分特征状态参数具有全微分特征设DZ是全微分的形式ZZXYYXZZDZDXDYXY24241温度热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力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为温度此宏观特征的物理量为温度热平衡热力系相互接触时相互间无宏观热热平衡热力系相互接触时相互间无宏观热量传递称它们处于热平衡状态量传递称它们处于热平衡状态宏观表示物体的冷热程度宏观表示物体的冷热程度微观标志物质分子热运动的激烈程度是衡微观标志物质分子热运动的激烈程度是衡量分子平均动能的量度量分子平均动能的量度2626温度单位开氏绝对温标开氏绝对温标TKTK摄氏温标摄氏温标TT华氏温标华氏温标TFTF温标换算关系温标换算关系27315OTKTC5329OTCTF28282压力单位面积上承受的垂直作用力单位面积上承受的垂直作用力物理中压强单位物理中压强单位PAPAN/MN/M22常用单位常用单位11KPAKPA101033PAPA千帕千帕11MPAMPA101066PAPA兆帕兆帕1BAR101BAR1055PAPA巴巴11ATMATM110132501325110055PAPA标准大气压标准大气压1MMHG1333PA1MMHG1333PA毫米汞柱毫米汞柱1MMH1MMH22O981PAO981PA毫米水柱毫米水柱1AT1KGF/CM1AT1KGF/CM22981981101044PAPA工程大气压工程大气压2929绝对压力与相对压力绝对压力绝对压力PP气体或液体产生的真实压力气体或液体产生的真实压力相对压力相对压力绝对压力绝对压力PP与环境压力与环境压力PPBB之差之差是否高于环境压力表压力是否高于环境压力表压力PPEEPPGG、真空度、真空度PPVV注意只有绝对压力注意只有绝对压力PP才才是状态参数是状态参数53030PGTPGTPPBB表压力表压力PPEEPLTPLTPPBB真空度真空度PPVVPPBBPPEEPPVVPP相对压力表压力与真空度PPBEPPPBVPPP3131U形管压力计测压原理3232弹簧压力计测压原理3333环境压力与大气压力环境压力环境压力PPBB指压力表所处环境的压力指压力表所处环境的压力大气压力指当地大气的压力大气压力指当地大气的压力环境压力一般为大气压但不绝对环境压力一般为大气压但不绝对大气压随时间、地点变化大气压随时间、地点变化在计算时绝对压力时要看清楚环境压力是在计算时绝对压力时要看清楚环境压力是否为大气压力否为大气压力参考第一章习题参考第一章习题35353比体积单位质量物质所具有的体积单位质量物质所具有的体积VVMM33/KG/KG表征工质聚集的疏密程度的物理量表征工质聚集的疏密程度的物理量物理中常用的是密度物理中常用的是密度KG/MKG/M33在热力学中使用比体积更方便在热力学中使用比体积更方便VVM1V3636比参数小写字母表示表示单位质量工质的参数小写字母表示表示单位质量工质的参数单位单位/KG/KG比比体积体积比比热力学能热力学能比比焓焓比比熵熵VVMUUMHHMSSMWWMQQM功功热量热量637371111基本概念基本概念1155功和热量功和热量第1章基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环38381平衡状态定义在不受外界影响的条件下如果系统的状定义在不受外界影响的条件下如果系统的状态参数不随时间变化则该系统处于平衡状态态参数不随时间变化则该系统处于平衡状态引起不平衡的因素引起不平衡的因素温差温差存在热不平衡存在热不平衡压差压差存在力不平衡存在力不平衡相变相变存在相不平衡存在相不平衡化学反应化学反应存在化学不平衡存在化学不平衡平衡的本质不存在任何不平衡作用平衡的本质不存在任何不平衡作用达到热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡达到热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡3939平衡状态特点工程热力学研究的状态都是平衡状态只工程热力学研究的状态都是平衡状态只研究平衡状态研究平衡状态平衡状态有确定的状态参数能够在状态平衡状态有确定的状态参数能够在状态参数坐标图上用一点表示参数坐标图上用一点表示平衡与稳定关系平衡与稳定关系平衡与均匀关系平衡与均匀关系4141平衡与稳定稳定状态参数不随时间变化稳定状态参数不随时间变化系统稳定但受外界影响存在不平衡势差此系统稳定但受外界影响存在不平衡势差此时去掉外界影响则系统的状态发生变化时去掉外界影响则系统的状态发生变化平衡一定稳定稳定不一定平衡平衡一定稳定稳定不一定平衡4242平衡与均匀平衡时间上平衡时间上均匀空间上均匀空间上平衡不一定均匀平衡不一定均匀但单相平衡态一定但单相平衡态一定是均匀的是均匀的4343平衡状态描述平衡状态由状态参数描述那么描述工质的某个平衡状态由状态参数描述那么描述工质的某个平衡状态是否需要知道平衡状态是否需要知道所有所有状态参数状态参数对于简单可压缩系只需有对于简单可压缩系只需有两个独立两个独立的状态参数的状态参数即可确定工质的状态比如即可确定工质的状态比如PPTT、PPVV、VVTT而工而工质的其它状态参数是可以由这质的其它状态参数是可以由这两个独立状态参数两个独立状态参数来表示的。来表示的。SFPTUFVTPFTS744442状态方程状态方程描述基本状态参数状态方程描述基本状态参数PVTPVT之之间的关系的方程具体形式取决于工质的间的关系的方程具体形式取决于工质的特点理想气体、实际气体特点理想气体、实际气体TPFVTFPVPFTVGPVRT理想气体状态方程理想气体状态方程0FPVT隐函数隐函数45453状态参数坐标图简单可压缩系的状态参数坐标图是平面坐标图简单可压缩系的状态参数坐标图是平面坐标图对于平衡状态有其确定的状态参数能够在状对于平衡状态有其确定的状态参数能够在状态参数坐标图上用一点表示态参数坐标图上用一点表示对于非平衡状态没有确定的状态参数无法在对于非平衡状态没有确定的状态参数无法在状态参数坐标图上表示状态参数坐标图上表示状态参数坐标图不仅可以表示状态参数热力过状态参数坐标图不仅可以表示状态参数热力过程、热力循环都可表示过程量包括功和热量也程、热力循环都可表示过程量包括功和热量也可以在坐标图上表示可以在坐标图上表示常用坐标图常用坐标图PPVVTTSSHHSS水蒸气水蒸气HHDD湿空气湿空气46461111基本概念基本概念1155功和热量功和热量第1章基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环4747如何描述非平衡过程平衡状态平衡状态能量交换能量交换状态变化状态变化破坏平衡破坏平衡非平衡状态非平衡状态如何描述如何描述平衡、静态与过程是矛盾的热力学引入平衡、静态与过程是矛盾的热力学引入准平衡准静态准平衡准静态过程的概念过程的概念系统经历的一系列中间状态都无限接近于系统经历的一系列中间状态都无限接近于平衡状态的热力过程称为平衡状态的热力过程称为准平衡过程准平衡过程4848一般过程PPVV2211PP22VV22突然加上重物突然加上重物最终最终PP22VV22PP11VV11初始时初始时PP11VV1149491准平衡过程假如重物分成无限多层假如重物分成无限多层每次只加上无限薄一层每次只加上无限薄一层PPVV2211系统系统无限无限接近于平衡态接近于平衡态PP11VV11微元过程微元过程就可以近似用平衡状态来描述就可以近似用平衡状态来描述85353系统经历某一过程后如果能使系统与外界系统经骋还毯笕绻苁瓜低秤胪饨缤被指吹匠跏甲刺涣粝氯魏胃谋渫被指吹匠跏甲刺涣粝氯魏胃谋湓虼斯涛虼斯涛赡婀炭赡婀滩宦阋陨咸跫某撇宦阋陨咸跫某莆豢赡婀獭豢赡婀獭庾饪赡婀讨皇侵缚赡苄圆皇强赡婀讨皇侵缚赡苄圆皇侵副匦胍氐匠跆墓讨副匦胍氐匠跆墓可逆过程5454准平衡过程准平衡过程无耗散效应无耗散效应可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应摩阻电摩阻电阻磁阻非阻磁阻非弹性变性等弹性变性等不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源耗散效应耗散效应耗散效应耗散效应可逆过程的实现5555不等温传热不等温传热TT11TT22TT11GTGTTT22QQ节流过程节流过程阀门阀门PP11PP22PP11GTGTPP22典型的不可逆过程5656混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀典型的不可逆过程真空真空5757关于可逆过程可逆过程必然是准平衡过程同时过程中不存在任何可逆过程必然是准平衡过程同时过程中不存在任何耗散效应耗散效应可逆过程可用状态参数坐标图上的连续实线表示可逆过程可用状态参数坐标图上的连续实线表示实际过程都是不可逆的可逆过程是不引起任何热力实际过程都是不可逆的可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减少不可逆学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减少不可逆因素使其尽可能接近可逆过程因素使其尽可能接近可逆过程可逆过程完全理想化对于工程热力学的研究范围内可逆过程完全理想化对于工程热力学的研究范围内用可逆过程的概念而准平衡过程很少用用可逆过程的概念而准平衡过程很少用除典型不可逆除典型不可逆如节流、自由膨胀等如节流、自由膨胀等外本书多数热外本书多数热力过程都可看成可逆过程力过程都可看成可逆过程5858过程的结果是什么工质经历一个热力过程往往与外界之间工质经历一个热力过程往往与外界之间会有能量的交换发生能量交换的结果是会有能量的交换发生能量交换的结果是什么什么工程热力学中所研究简单可压缩系的工质工程热力学中所研究简单可压缩系的工质在一个热力过程中只与外界交换热量和体在一个热力过程中只与外界交换热量和体积变化功。积变化功。热量和功就是过程中的产物即过程量。热量和功就是过程中的产物即过程量。959591111基本概念基本概念1155功和热量功和热量第1章基本概念1122状态参数状态参数1133平衡状态平衡状态1144热力过程热力过程1166热力循环热力循环60601功的定义力学定义力学定义力乘以在力方向上的位移力乘以在力方向上的位移热力学定义功是热力系统通过边界而传递的能量热力学定义功是热力系统通过边界而传递的能量在力的推动下通过在力的推动下通过有序运动方式有序运动方式传递的能量。传递的能量。功的符号功的符号WW单位单位JJ、KJKJ、MJMJ功率的符号功率的符号PP单位单位WW、KWKW、MWMW1J1N1J1NMM1W1J/S1W1J/S规定系统对外界作功为正外界对系统作功为负规定系统对外界作功为正外界对系统作功为负6161功的一般表达式功的一般表达式适用条件准平衡过程适用条件准平衡过程功的表达式WFDXWFDXWPDVWPDV工程热力学中最重要的工程热力学中最重要的体积变化功体积变化功如何计算如何计算表达式是什么