北京理工工程热力学电子教案.ppt

热工基础热工基础电子教案电子教案 绪论绪论 1. 1. 热能及其利用热能及其利用 能源能源为人类提供能量和动力的物质资源。为人类提供能量和动力的物质资源。 n n 常见能源有：化石能、水力能、太阳能、风能、常见能源有：化石能、水力能、太阳能、风能、 地热能、海洋能、核能等地热能、海洋能、核能等 n n 绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务，但绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务，但 我们需要的却主要是动力。我们需要的却主要是动力。 n n 人类利用热能目前主要有两种形式：人类利用热能目前主要有两种形式： (1) (1) 热能的直接利用热能的直接利用能的形式不发生变化；如：能的形式不发生变化；如： 取暖、烘烤、冶炼、蒸煮等。取暖、烘烤、冶炼、蒸煮等。 (2) (2) 热能的间接利用热能的间接利用能的形式发生变化，转变为能的形式发生变化，转变为 机械能、电能等；如：热力发电厂、内燃机等，机械能、电能等；如：热力发电厂、内燃机等， 主要用于交通运输、机械制造等。主要用于交通运输、机械制造等。 热能利用的历史就是一部人类的发展史： 远古时代 钻木取火 （烤食、取暖） 原始社会时期 古代 冶炼、制造金属工具 （直接利用） 封建社会时期 近代（1784年） 发明蒸汽机 （间接利用） 工业革命 资本社会时期 现代 建立完善的热工理论 （间接利用） （产生了飞机、火车 、汽车、制冷） 信息社会 当今 热传递问题（传热学） 如何提高效率 间接利用（工程热力学） 2. 2.热工基础与车辆工程的关系热工基础与车辆工程的关系 空调空调制冷、制冷工质、循环；制冷、制冷工质、循环； n n 汽车的动力汽车的动力热能与动力的转化（包括热能与动力的转化（包括 ：效率、原理）；：效率、原理）； n n 散热器、管道传热散热器、管道传热空调管道、热水管空调管道、热水管 道；道； n n 车内的舒适性车内的舒适性空气温度、湿度、降温空气温度、湿度、降温 与去湿、结露及湿空气过程与去湿、结露及湿空气过程 3热工基础的基本计量单位简介 主要采用SI国际单位制： n 长度米； m. n 质量千克； kg. n 时间秒； s. n 电流安培； A . n 热力学温度开尔文； K. n 物质量摩尔； Mol. 4. 4.热工基础的常见物理量及单位热工基础的常见物理量及单位 第一章：热能转变的基本概念第一章：热能转变的基本概念 1. 1.热力系、状态和状态参数热力系、状态和状态参数 1.1. 1.1. 热力系与工质热力系与工质 热力系热力系人为地选取一定范围的物质作为人为地选取一定范围的物质作为 研究对象，这个对象称为热力系统（研究对象，这个对象称为热力系统（ systemsystem）。）。 外界外界热力系以外的物质（也称为环境）热力系以外的物质（也称为环境） 。 边界边界热力系与外界的交界面（界面）。热力系与外界的交界面（界面）。 边界可以是假设的，也可以是真实的；可以边界可以是假设的，也可以是真实的；可以 是固定的，也可以是运动的。是固定的，也可以是运动的。 真实的固定的移动的12 移动的 1 2 假设的 固定的 假设的 假定的 变化的 闭口系与外界没有物质交换的热力系（但可以有能量 交换，如加热）。 开口系与外界有物质或能量交换的热力系 绝热系热力系与外界无热量交换（但有其它能量交 换，如功） 孤立系热力系与外界无任何能量和物质交换。 简单可压缩系由可压缩的流体构成，与外界只有容 积变化功交换. 热源（冷源）能为热力系提供无限热能（冷量）， 而自身温度不会发生变化.（高温热源、低温热源）其热 容量无限大。 (10) 工质用来实现能量相互转换的媒介物质为工质。 1.2热力系的状态及状态参数 热力系的状态热力系在某一瞬间呈现的宏观 物理状况。 平衡状态在没有外界影响条件下，系统各部 分长时间内不发生任何变化的状态。 状态参数用于描述系统平衡状态的物理量。 状态参数可分为两类： 尺度量（广延量）与系统所包含的物质量有 关的量称为尺度量。 强度量与所含物质量无关，热力系中任一点 都具有相同的数。 1.3.1.3.基本状态参数基本状态参数 常用的状态参数：压力常用的状态参数：压力p p，比容，比容v v ，温度，温度，热力学能，热力学能( (内内 能能)U )U ，焓，焓，熵，熵。 基本的热力学参数基本的热力学参数: :比容比容v v ，压力，压力p p，温度，温度 . . （）比容（）比容 比容是单位质量的物质所占有的容积。比容是单位质量的物质所占有的容积。 若若m m(kg)(kg)物质占有的容积为物质占有的容积为(m(m 3 3 ) )，则比容为：，则比容为： 密度是单位容积内所含物质的量。密度是单位容积内所含物质的量。 （）压力（）压力 p p （a a） 压力是指单位面积上所承受的垂直作用力。压力是指单位面积上所承受的垂直作用力。 p p= =F F /A (N/m/A (N/m 2 2 ) ) 常用单位有：常用单位有： kPa; Mpa; mmHg; atm; kPa; Mpa; mmHg; atm; 托托 气体的压力气体的压力是组成气体的大量分子对容器壁碰撞的统是组成气体的大量分子对容器壁碰撞的统 计平均的效果。计平均的效果。 通常用压力表或真空表测量流体压力通常用压力表或真空表测量流体压力. . n n 绝对压力（绝对压力（ p p ）物质的真实压力。物质的真实压力。 n n 大气压力（大气压力（ p p b b ）大气环境的真实压力。大气环境的真实压力。 n n 表压力（表压力（ p p g g ）压力表上读到的压力。压力表上读到的压力。 n n 真空度（真空度（ p p v v ）真空计上的读数。真空计上的读数。 n n 表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差，所以表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差，所以 n n 当当 p p p p b b 时，时， p p p p g g p p b b n n 当当 p p p p b b 时，时， p p p p b b p p v v 常用的压力计有:弹簧压力计及形管压力计（测压差） 比如右图的形管压力计 ，对线上有： ppb+gH 为高度差（单位m）； p为被测压力； pb为环境压力； 为液柱中液体的密度； g为重力加速度。 pb A A H p （）温度 n温度是物体冷热程度的标志 n温度概念的建立以热力学第零定律为依据。 n第零定律：与处于热平衡；与处于热 平衡，则与必然处于热平衡。 温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量。 衡量温度的标尺叫温标：国际单位所确定的温 标叫热力学温度，T （K） 常用温标是摄氏温标，t () 热力学温标取水的三相点为基点，定为273.16 K 摄氏温标取纯水在一个标准大气压下的冰点为 0 ，与水的三相点差0.01度。所以 n T = 273.15+t (K) 1.4.1.4.状态方程状态方程 n n 两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态。两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态。 n n 三个基本状态参数之间的关系，称为状态方程。三个基本状态参数之间的关系，称为状态方程。 n n 常见的状态方程有：常见的状态方程有： 理想气体方程：理想气体方程： 范德瓦尔斯方程：范德瓦尔斯方程： 平衡状态下，可用二维平面坐标图描述系统状态：平衡状态下，可用二维平面坐标图描述系统状态： 1(T1,s1 ) T T1 s1 s 1(p1,v1) p p1 v1 v 热力过程、功和热量 2.1.热力过程 要实现热能与机械能的相互转化，必须通过工质 的状态变化才能实现： 但，对热力系而言，只能对平衡态进行描述。 如何调和状态变化与平衡态之间的矛盾？由 此引进准平衡态的概念！ 准静态就是无限接近于平衡态的状态。 工质状态变化 热能 机械能 考查一个渐变的过程： 状态1状态2 一系列中间状态 1 v p 2 可逆过程如果系统完成某一热力过程后，再沿原路经逆 向返回，能使系统和外界都恢复原来状态而不留下任何变 化的过程。 （要包括系统及外界都不发生任何变化） 特征： （）可逆过程必然是准平衡过程。 （）可逆过程不应有摩擦、电阻、磁阻等耗散效应存在。 可逆过程是理想过程（充要条件）：只有准平衡且无任何耗 散效应的过程才是可逆过程。 实际过程都是不可逆的。 2.2. 功和热量 功在力的作用下，通过宏观有序运动而传递 的能量 F dx 在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量。 是过程量，与初终态有关，还与过程有关。 系统对外做功为正，外界对系统做功为负。 功的单位：（焦耳） 功率单位 （瓦特） 热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的，称容积变化功. 在准静态可逆过程时，对外做功由系统内部参数决定 的，不用考虑外界因素。 dx p pb A 在p图上表示： 线下的面积即为膨胀功，所以p 图叫示功图。 p V 1 2 p （）热量是在温差作用下，通 过微观粒子无序运动传递的能量。 热量是过程量。 系统吸热取正号，放热取负号。 热量为：热容与其变化温差的乘积。 2.3. 热力循环 系统由某一初态出发，经历一系列中间状 态，最后又回到初态的过程称为热力循环 。（封闭过程） 特征： （）它是一个封闭的过程。 B p V 2 1 A (2)