电厂工程热力学.ppt

1,第一章 基 本 概 念,2,第一节 热力系统 一、工质： 实现热能向机械能转化的媒介物质就叫工质 二、热源和冷源 高温热源工质从中吸取热能的物体 低温热源接受工质排出热能的物体,3,热力系统(热力系、系统)：人为分割出来、研究对象、能用热力学参数来描述的系统,外界（环境）：系统以外的所有物质,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,三、热力系统 1、定义（系统与边界）,4,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,5,边界特性,固定、活动；真实、虚构,边界划分的不同，研究对象就不同，系统就不同。解决问题的繁简程度不同。,6,2、热力系统分类,系统通过边界与外界可以有能量的传递（功和热），也可以有物质的传递：,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,是否传能、质 非孤立系 孤立系,7,闭口系统：一个热力系统，如果和外界没有质量交换而只有能量交换，则称为闭口系统。 又叫控制质量。,开口系统：一个热力系统，如果和外界既有功或热等能量交换，又有质量交换，则称为开口系统。又叫控制容积（控制体）。,绝热系统：一个热力系统，如果和外界没有热量交换，则称为绝热系统。,孤立系统：一个热力系统，如果和外界既没有功或热等能量交换，又没有质量交换，则称为孤立系统。,8,1 开口系,例如：,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,9,四、系统的内部状况（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,10,1、均匀系与非均匀系：系统内各部分的化学成分和物理性质都均匀一致的系统，称为均匀系。 2、单相系与复相系：由单一物相组成的系统称为单相系。 3、单元系与多元系：由一种均匀的和化学成分保持不变的物质组成的系统称为单元系。（空气常可看作纯物质，属单元系）,11,第二节 状态和状态参数 一、状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系统所呈现的宏观物理状况称作工质的热力状态（状态）,状态参数：描述热力系状态的宏观物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关；状态参数的循环积分等于零,3、状态参数是全微分,12,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。,1,2,a,b,例：温度变化,13,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,14,BT= 0.5mw 2 0.5mw 2是分子平移运动的平均动能,二、 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （可直接测量）,1、温度 1）温度的定义 传统：温度是表征物体冷热程度的物理量 微观：衡量分子平均动能的量度，表征物质分子运动的激烈程度,15,2）热力学第零定律,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,如果两个系统的温度分别和第三个系统的温度相等，则两个系统的温度必然相等。,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,16,3）常用温标：温度的数值标尺，称作温标,开尔文K,摄氏,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,37.8,冰熔点,水三相点,水沸点,热力学温标：选取水的三相点为基本点，并定义为273.16K 热力学摄氏温标t=T-273.15 T=t+273.15,17,2、压力 p 1)定义及单位: 单位面积上所受到的垂直作用力( 物理中压强) 单位: Pa , N/m2,常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,18,2)绝对压力和相对压力,绝对压力：以绝对真空为起点而测得的压力叫绝对压力。 P 是流体的真实压力,以当地大气压力（B）(环境压力)为起点而测得的压力叫相对压力。,注意：工程上压力表所显示的是相对压力 只有绝对压力 p 才是状态参数,当PB时, Pg=P-B 表压力 当PB时, H=B-P 真空度,19,压力的测量示意图,H,Pg,B,环境压力与标准大气压：环境压力指压力 表所处环境的压力(当地大气压力),注意：当地大气压随时间、地点变化。一般认为等于标准大气压（当h变化不大）。,标准大气压 1atm=760mmHg,20,B,pg,p,H,p,负压,正压,大气压力B,绝对真空,各压力间的关系,3、比容和密度 都是描述系统内工质稀密程度的宏观物理量,比容v,m3/kg,密度 ,kg/m3,两者相互不独立,21,三、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,22,第三节 平衡状态,一、平衡状态（热力平衡状态） 1、定义：一热力系，在不受外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间变化，即状态参数不随时间变化，该系统处于平衡状态。,热平衡系统内部的温度均匀一致，并且等于外界的温度,力平衡系统内部没有不平衡的力， 同时系统与外界也没有不平衡的力,2、实现条件 ：热平衡、力平衡、化学平衡,23,平衡的现象：参数不随时间改变平衡的本质：不存在不平衡势差,温差 热不平衡势差 传热 压差 力不平衡势差 作功 化学反应 化学不平衡势差,处于平衡状态的系统应既无外部势差又无内部势差,化学平衡系统的化学成分保持不变,24,3、说明：,只有平衡状态才有确定的状态参数，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,平衡状态是宏观的平衡、是动态平衡,注意：在不受外界影响的条件下 处于平衡状态的系统有一种保持平衡的趋势；对于不平衡的系统有一种达到平衡的趋势。,25,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,铜棒：稳定但存在不平衡势差，它的稳定是靠外界影响来维持的。去掉外界影响，则状态变化，直 到温度均匀为止,稳定不一定平衡 但平衡一定稳定,绝热，不受外界温度影响,26,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀 但均匀一定平衡,27,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立参数个数 N=n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等。 1热量。,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,二、状态公理,28,简单可压缩系统,最重要的系统 ,简单可压缩系统,除热量传递外只有容积功传递的系统,容积变化功,压缩功膨胀功,于是确定平衡状态的独立参数N=2,绝热简单可压缩系统 N = ?,29,坐标图：,简单可压缩系 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,说明：,2）任意一点为平衡态,3）不平衡态无法在图 上表示,常见p-v图和T-s图,三、状态方程、坐标图,状态方程：基本参数（p,v,T)之间的关系,30,第四节 准静态过程、可逆过程,一、热力过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,31,二、准静态过程,p，T,p0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时处于平衡态,1、定义：如果过程中热力学系统经历的是一系列平衡状态，并在每次状态变化时仅无限小地偏离平衡状态，则称为准静态过程。,既是平衡，又是变化,32,2、满足准静态过程的条件,3、实际意义,时间条件:,有足够时间恢复新平衡,一般的工程过程都可认为是准静态过程,33,4、引入准静态过程的作用,可以用状态参数描述每个状态 可以用状态方程式进行计算 可以在坐标图上表示出来 可以计算过程中系统与外界交换的功和热,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）,34,三、可逆过程,系统经历某一过程后，如果能使系统沿相同路径回复到初始状态，而系统所涉及的外界同时恢复到初始状态，不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。,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。,1、定义,2、准静态过程和可逆过程,准只要求系统内部平衡 可还要求系统与外界平衡,无不平衡势差,无耗散效应,35,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，它只是可逆过程的必要条件。 不平衡过程一定是不可逆过程,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。,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等）,36,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,自由膨胀,真空,37,典型的不可逆过程,节流过程 (阀门）,p1,p2,p1p2,混合过程,38,引入可逆过程的意义, 准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。, 实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。,39,功是系统与外界通过边界相互作用的一种方式（传递的一种能量）。当系统完成功时，它对外界的全部作用，可用在外界举起重物的效果来代替。在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,第五节 功,一、功的定义：,2、热力学定义,1、力学定义: 力 在力方向上的位移,40,ds,以汽缸中1Kg工质为系统 1经可逆变化到2,1kg工质发生容积变化对外界作的功,W = m pA ds=pdV,w =Fds=p A ds=pdv,二、容积功：因容积变化和外界发生作用,mkg工质,41,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,注意： 上式仅适用于准静态过程,42,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,43,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 w,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）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别,44,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WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,45,摩擦损失的影响,若 f 0,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,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,46,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,47,三、热 量,1、热量定义： 热量是热力系通过边界与外界交换的一种能量，是热力系和外界之间仅仅由于温度不同而传递的能量。,在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,当系统完成功时，它对外界的全部作用，可用在外界举起重物的效果来代替。,热量是否可以用类似于功的式子表示？,48,热量与容积功,能量传递方式 容积功 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,49,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,50,熵的说明,1、熵是状态参数,2、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向,3、符号规定,系统吸热时为正 dS 0 Q 0 系统放热时为负 dS 0 Q 0,4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量,51,示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图,温熵(示热)图,52,第六节 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,53,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,2,1,1,2,54,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,2,1,1,2,55,动力循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,W,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,56,制冷循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,57,供热循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T1,Q1,Q2,T0,制热循环：供暖系数（制热系数）,58,第一章 小 结,基本概念： 热力系统 平衡状态 准静态过程、可逆过程 过程量、状态量、状态参数 功、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、经济性指标,59,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。,60,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）,61,思考题,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。,62,判断是否准静态与可逆（1）,以冰水混合物为热力系,90 ,0 ,缓慢加热,外部温差传热,准静态过程,系统内部等温传热，无耗散,内可逆,外不可逆,63,判断是否准静态与可逆（2）,蒸汽流经减压阀进入汽轮机,典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散,是不是准静态，取决于开度,64,判断是否准静态与可逆（3）,带活塞的气缸中，水被缓慢加