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2019/7/22,1,工程热力学,2019/7/22,2,教材：工程热力学第四版 华自强 张忠进编 高等教育出版社出版,参考教材：工程热力学沈维道 编 高等教育出版社出版,2019年7月22日,绪论,3,绪 论,0-1 热能动力工程的重要地位,0-2 能量转换装置工作过程简介,0-3 工程热力学的研究内容及研究方法,2019年7月22日,4,0-1 热能动力工程的重要地位,动力工程充分满足生产需要时，社会生产就能迅速发展，推动人类社会不断前进。 热能动力工程将热能转化为机械能，获得生产所需的原动力。 热能动力工程起步于18世纪。1784年瓦特制成的蒸汽机，为生产提供了强有力的动力装置，推动生产飞速发展，掀起了著名的“工业革命”，奠定了工业化生产的牢固物质基础。 现代社会中，热能动力工程的地位极为重要。热力发电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机、火箭发动机等热能动力装置和设备渗透到社会生产和生活的各个领域，对现代的社会生产的发展起着十分重要的保证作用和积极的推动作用。 热能动力工程不断发展和进步，正在积极地向采用原子能和太阳能等新能源的方向前进，并已取得很大进展。随着社会生产的发展，热能动力工程必将不断趋于完善并在新的领域取得成功。,2019年7月22日,5,0-2 能量转换装置工作过程简介,一、蒸汽动力装置,锅炉产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）。,工质工作介质(工作物质)。 工质（水、蒸汽）在装置内周而复始地循环，将热能转换为机械能。,汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能。 冷凝器将乏汽冷凝成水。 水泵驱动工作介质循环（保证系统内部的高压）。,2019年7月22日,6,内燃机分柴油机和汽油机，从热力学观点看，其工作过程是相同的，以柴油机为例说明其工作过程。 进气过程：进气阀打开，排气阀关闭，活塞下行，将空气吸入气缸。 压缩过程：进、排气阀关闭，活塞上行压缩空气，使其温度和压力升高。 燃烧过程：喷油嘴向气缸内喷油，燃料燃烧，气缸内气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。 膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，通过曲轴向外输出机械功。 排气过程：活塞接近下死点时，排气阀打开，废气在气缸内外压差的作用下流出气缸。随后，活塞上行将残余气体推出气缸。,二、内燃机,上述过程周而复始地进行实现了热能转换为机械能的任务。,2019年7月22日,7,燃烧室：空气和燃料在其中混合并燃烧（燃料的化学能转换为热能），得到高温高压的燃气。,工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，实现了将热能转换为机械能的任务。,三、燃气轮机装置,压气机：从大气环境吸气，并将其压缩，使其压力和温度升高。,涡轮机：高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功（热能转换为机械能），其中一部分机械能用来驱动压气机。,2019年7月22日,8,8,压气机：吸入来自蒸发器的低压蒸气，通过压缩(耗功)使其压力和温度提高。 冷凝器：使气体冷凝，得到常温高压的液体。 节流阀：使液体降压，产生低压低温的液体（含少量蒸气）。 蒸发器：通过壁面吸收冷藏库内的热量，工质汽化为低压气体，同时使冷库降低温度或保持低温。,工质（气态或液态制冷剂）在压气机作用下周而复始地循环，实现了制冷的任务。,四、蒸气压缩制冷装置,制冷：以消耗机械功或其他形式的能量为代价，使物体获得低于环境的温度并维持该低温。,2019年7月22日,9,0-3 工程热力学的研究内容及研究方法,热力学(经典热力学)研究热能性质以及热能和其他能量相互转换规律的科学。 工程热力学热力学的一个分支，着重研究热能和机械能相互转换的规律。 研究内容： 热力学基本定律（热力学第一定律、热力学第二定律）；热力过程和热力循环；工质的性质；提高能量转换效率的途径。 研究方法：宏观方法不考虑物质微观结构，从宏观现象出发描述客观规律。用宏观物理量(状态参数)来描述物质所处的状态。 优点：直观、可靠。 统计热力学采用微观方法。优点：物理概念清楚。,2019/7/22,10,绪论,（课程研究的主要任务）,工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施 。,2019/7/22,11,: 物体的动能与势能；,：物质分子热运动动能与位能之和；,：与电荷的运动和积蓄有关的能量；,：通过化学反应释放的能量；,：通过核反应释放的能量；,二.能量的主要形式 :,：物体以电磁波的形式发射的能量。,能量是物质运动的度量。,一.能量:,三.能量的转换与利用,氢、酒精等二次能源,电 能,机械能,辐射能,热 能,风能、水能、海洋能,机械能,煤、石油、天然气,热 能,核 能,太阳能,生物质能,2019/7/22,13,四.热能利用的基本方式,1.热利用：,烧饭、蒸煮、采暖、烘干、熔炼等；,2.动力利用：,将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,14,第一章 基本概念及定义,1-1 热力学系统,1-2 热力学系统的状态及基本状态参数,1-3 平衡状态和状态参数坐标图,1-4 状态方程式,1-5 准静态过程和可逆过程,1-6 可逆过程的功,1-7 热量,1-8 热力循环,本章小结及习题,2019/7/22,15,第一章 基本概念,1-1 热力系统,一、热机：,能将热能转换为机械能的机器。,二、工质：,实现热能和机械能之间转换的媒介物质。,三、热源：,本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。,提供热量的热源称为高温热源； 吸收热量的热源称为低温热源。,2019/7/22,17,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,18,1-1 热力学系统,外界：系统之外一切其他物质。 边界：分割系统与外界的界面。,一、热力学系统（系统，system）： 被事先选作研究对象的某些确定的物质或某个确定空间中的物质 。,即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。,边界把系统与外界完全分隔开来，一定是完全封闭的。 系统选取是人为的，可依据解决问题的方便、思维方式因人而异， 一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。,注意：,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,19,边界有 真实的、 固定的 假想的、 变动的 之分。 系统与外界之间有且仅有三种作用形式，即 质量交换、 热量交换、 功量交换。,例,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,20,按系统本身的性质分类,相-指系统中物质的化学成分及物理结构都均匀一致；,元-化学成分，非化学元素,态-物质存在的聚集状态，有气、液、固三态。,同一态的某种物质可能有多个相，如同素异形体。,注意：,单元系 多元系,单相系 多相系,均匀系 非均匀系,系统的分类：,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,21,按系统与外界相互作用的性质分类,开口系（open system）: 有，一般以固定空间中的物质为系统,称CV。 闭口系（closed system）: 无，以固定的物质为系统，称CM。,按系统与外界是否有质量交换：,按系统与外界是否有热量交换,绝热系统（insulated system）,非绝热系统,（特例：透热系统）,孤立系统（isolated system ）：与外界既无能量交换又无质量交换。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,22,1-2 热力学系统的状态及基本状态参数,热力学状态(状态) : 热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。,p, v 和 T，是直接可测的 。,状态参数 ： 1.给定状态和该状态下的状态参数是一一对应的； 2.状态参数的数值仅取决于系统的状态，而与到达该状态 所经历的途径无关；,最基本状态参数:,2019/7/22,23,基本状态参数,（一）压力,单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）。,1.单位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,2019/7/22,24,2.常用压力单位：,2019/7/22,25,3.压力测量：,只有绝对压力 p 才是状态参数。,2019/7/22,26,（二）温度,1.定义：温度是反映物体冷热程度的物理量。,2.热力学第零定律：,如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。,2019/7/22,27,3.单位：,(3) 热力学温标与摄氏温标的关系：,t = T 273.15 K,2019/7/22,28,（三）比体积,1.定义：,单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为 m3/kg 。,3.意义：系统与外界作功与否的标志。,29,思考题：,1.表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？,2.当真空表指示数值愈大时，被测对象的实际压力愈大还是愈小？,3.没有盛满水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧 这是什么原因？,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,30,1-3 平衡状态和状态参数坐标图,平衡状态（热力学平衡状态）：,热力学平衡 （平衡状态）,系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势,热平衡 力平衡 相平衡 化学平衡,稳定平衡态定律：,在外界不产生任何影响的条件下，系统从任何一个非平衡状态出发，经过足够长的时间，总能达到一个而且只有一个稳定的热力学平衡状态。,在外界不产生任何影响的条件下可以长久保持下去的状态。,非“作用”,即系统的宏观性质不随时间改变的状态,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,31,系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。,对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，即简单可压缩系统，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。,状态公理：,确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目，等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。,状态参数坐标图：,ex: P-V, T-s, h-s, p-h,应用两个独立状态参数，可组成状态参数坐标图。,注意：图上任意一点代表一个平衡状态；,若系统处于不平衡状态, 则无法在状态参数坐标图上描述。,32,平衡状态特点,1.不会自发破坏；,2.受外界破坏后，可自发建立新平衡；,3.有确定的状态参数；,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,33,1-4 状态方程式,状态方程式 三个基本状态参数(p、v、T)之间的函数关系。即： 隐函数形式： F(p，v，T)0 显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T),2. 理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）,1kg,1mol,m kg,N mol,Rg气体常数，与气体的种类有关。,R 通用气体常数,M , 气体的摩尔质量，kg/mol,Vm,千摩尔容积， m3/mol,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,34,1-5 准静态过程和可逆过程,1. 热力过程,系统从一个状态出发，经历一系列中间状态而变化到另一个状态所经历的全部过程称为热力过程。,初态,终态,条件改变：G为G,使,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,35,在状态参数坐标图上，可用一条过程曲线定性地表示该准静态过程。,虚线，表一非准静态过程。,2. 准静态过程 quasi-static state process,过程中系统经历的是一系列平衡状态，并在每次状态变化时仅是无限小地偏离平衡状态。,实现准静态过程的条件：,系统和外界0,大部分实际过程可以近似地当作准静态过程。,36,（一）准静态过程的条件,1.系统与外界的温差和压差很小；,2.外界对系统作用无限缓慢。,（二）准静态过程的研究目的,1.用过程曲线表示各种状态参数的关系；,2.用状态方程计算各状态参数的值；,3.用状态参数来定性的表示系统与外界的相 互作用值。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,37,3. 可逆过程 Reversible Process,系统经历了一个热力过程后，如果可以沿原过程的途径逆向进行，并使系统和外界都恢复到初态而不留下任何影响，则称系统原先经历的过程为可逆过程。,可逆过程必须满足的条件：,准静态过程；,无任何耗散效应。（耗散效应必产生无法消除的影响）,无耗散的准静态过程 = 可逆过程,可逆过程是假想的、理想化的模型； 一切实际过程都是不可逆的。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,38,1.热力学中功量的定义,功量是系统和外界间通过边界而传递的能量， 且其全部效果表现为举起重物。,1-6 可逆过程的功,2.可逆过程的容积变化功,容积变化功（膨胀功或压缩功）： 直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功。,功量是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,39,规定：系统对外界作功，W为正；外界对系统作功，W为负。,过程线下面积等于可逆过程中容积变化功的大小。,对微元可逆过程：,对可逆过程1-2：,功量是过程量，仅存在于过程中，过程一旦结束，功量这种能量形式就不复存在。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,40,1-7 热量,热量：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。,热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量。,热量不可能把它的全部效果表现为举起重物。,热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。,区别：热量与功量，热能与热量,热量：物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量,功量：物体间通过有规则的微观或宏观运动发生相互作用而传递的能量,热能：物体内部所具有的能量，热力学能，可存储于物体内。,热量：两物体间传递的热能的数量，不能说“物体含有热量”。,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,41,热量符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。,过程线下方的面积等于可逆过程所交换的热量的大小， 。,2.可逆过程的热量,对微元可逆过程：,对可逆过程1-2：,2019年7月22日5时52分,第一章 基本概念及定义,42,3. 热量与功量的类比,是物体间通过有规律的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量，可以把其全部效果表现为举起重物。,功：,热量：,物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量，不能把其全部效果表现为举起重物。,可逆过程中,可逆过程中,P 工质对外作功的推动力;,dv 状态参数比体积的变化:,是衡量可逆过程中工质与外界作功与否的标志。,在p-v图上：,一点：一个平衡状态,一实线：一个准静态过程,曲线下面积：,可逆过程中系统所做的容积变化功。,功是过程量,T 对热交换起着推动力的作用;,ds 状态参数比熵的变化:,是衡量可逆过程中工