中国矿业大学工程热力学第一章剖析ppt课件

EngineeringThermodynamics,第一章基本概念BASICCONCEPTS,1,1热力系统ThermodynamicsSystem2状态与状态参数StateandStateProperties3基本状态参数4平衡状态Equilibrium5状态方程6准静态过程和可逆过程ReversibleProcess7热量和功EnergyTransferbyWorkandHeat8热力循环ThermodynamicsCycles,主要内容,2,本章重点,取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。,3,1-1热力系统,压缩机Compressor热电厂Steampowerplant飞机Aircraft空调热泵HeatPump,4,压缩机,5,热电厂,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,6,飞机,7,空调热泵,8,制冷热泵系统示意图,房屋,蒸发器,冷凝器,膨胀阀,压缩机,Q1,Win,Q2,9,1-1热力系统,系统、外界与边界（System、Surrounding、Boundary）系统：用界面分离出的研究对象。Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界：系统以外的所有物质。边界：系统与外界的分界面。Boundary:Therealorimaginarysurfacethatseparatesthesystemfromitssurroundings,系统与外界的作用都通过边界,10,边界,11,边界特性,边界可以：真实或虚构；realorimaginary固定或移动；fixedormovable没有厚度和体积，不含有任何物质。nothicknessandvolume,doesnotcontainanysubstance.,12,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,13,系统分类Classification,1-1热力系统,以系统与外界关系划分：,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,是否传热、功、质非孤立系孤立系,14,系统分类Classification闭口系Closedsystem开口系Opensystem孤立系Isolatedsystem绝热系Adiabaticsystem,1-1热力系统,15,闭口系,系统和外界（边界处）只有能量交换，无质量交换Asystemthatonlyenergycancrosstheboundarybutnomasscanenterorleave(alsoknownascontrolmass)闭口系例子密闭容器气缸-活塞系统piston-cylindersystem,16,系统和外界（边界处）既可有能量交换，也有质量交换Asystemthatnotonlyenergybutalsomasscancrosstheboundary(alsoknownascontrolvolume)闭口系例子泵pumps,压缩机compressor,汽轮机热交换器heatexchanger.,开口系,17,孤立系Isolatedsystem,系统和外界（边界处）既无能量交换，也无质量交换Asystemthatneitherenergynormasscancrosstheboundary(aspecialclosedsystem),TheUniverse,18,绝热系AdiabaticSystem,19,1开口系,热力系统,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,20,1、下列系统类型？,问题？,2、下列系统之间的关系？,1）闭口系和定质量系统closedsystemandconstantmasssystem?2）闭口系和绝热系？closedsystemandadiabaticsystem?3）孤立系和闭口绝热系？isolatedsystemandadiabaticsystem?,21,例题1-1,例1：一刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,红线内闭口绝热系,粉红线内不包含电热丝闭口系,粉红线内包含电热丝闭口绝热系,兰线内孤立系,22,例题1-2,热力系示例2A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”,A,B,A部落为,A+B部落为孤立系,闭口系,23,1-2状态和状态参数StateandStateProperties,状态某一瞬间热力系所呈现的宏观状况theconditionofasystem状态参数StateProperties描述热力系状态的物理量anycharacteristicofasystem常用状态参数压力pressureP,温度temperatureT,体积volumeV,质量massM，内能internalenergyU,熵entropyS,焓enthalpyH,24,1-2状态和状态参数,状态参数分类强度量Intensiveproperty：与物质的量无关的参数independentofthesizeofsystem.suchas:如压力p、温度T广延量Extensiveproperty：与物质的量有关的参数可加性dependonthesizeorextentofthesystem.suchas：质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数Specificproperties单位质量的广延状态参数ExtensivepropertiesperunitmassSuchas:比容specificvolumeu(u=V/m)比焓specificenthalpyh(h=H/m)具有强度量的性质,25,强度量和广延量判别,extensive,intensive,强度参数与广延参数,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）,Velocity,KineticEnergy,Height,PotentialEnergy,Temperature,InternalEnergy,Stress,Mol,26,1-2状态和状态参数,状态参数特性CharacterofProperty状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量路径无关，只与初终态有关Theydependonthestatesonly,buthavenothingtodowiththepathfromonestatetoanother状态参数的微分特征：全微分,27,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。,数学上：,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,28,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,29,1-2状态和状态参数,基本状态参数（容易测量）温度T压力p比容v,30,Whatistemperature?,温度Temperatureandtemperaturescale,温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。热力学定义：？热力学第零定律：（thezerothlawofthermodyn）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,31,温度Temperatureandtemperaturescale,热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年S热力学第三定律1906年S基准,为什么叫做热力学第零定律？,32,温度Temperatureandtemperaturescale,温度的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，用于描述此宏观特征的物理量温度。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。,33,温度测量,温标Temperaturescale热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872),34,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,35,温标Temperaturescale,温度计,物质（水银，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度Scale,温标Temperaturescale,Referencestate,36,压力Pressure,Definition物理中压强单位：SI:Pa-N/m2(bar,atm,kgf/cm2)English:psi-lbf/in2其他单位间关系：,1bar=105Pa=0.1Mpa=100kPa1atm=101,325Pa=101.325kPa=1.01325bar=14.696psi,37,压力Pressure,如何测量？,38,压力Pressure,表压和真空度GagePressureandVacuumPressure绝对压力AbsolutePressure(p)Theactualpressureatagivenpositioniscalledtheabsolutepressure.环境压力Atmosphericpressure(pb)指压力表所处环境压力。表压力Gagepressure(pg)当ppb表压力pe真空度Vacuumpressure(pv)当p,有足够时间恢复新平衡准静态过程,56,1-4准静态过程和可逆过程,准静态过程的实现:,热、力平衡,57,1-4准静态过程和可逆过程,气缸,活塞,飞轮,热源,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。,58,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,p,v,可逆过程模拟,59,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,60,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,61,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,62,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,63,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,64,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,65,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,66,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,67,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,68,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,69,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,70,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,71,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,72,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,73,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,74,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,75,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,76,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,77,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,78,可逆过程ReversibleProcess系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。可逆过程的实现条件准静态过程（internallyreversible)无耗散效应nodissipativeeffect(externallyreversible)-摩擦、电阻、磁阻、非弹性变形等.不可逆根源不平衡势差和耗散效应实际过程都是不可逆的。,1-4准静态过程和可逆过程,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。,79,1-4准静态过程和可逆过程,思考？,Nonequili.Irrever.,Equii.Rever.,Nonequil.,Equii.Irrever,Equili.Rever.,80,1-4准静态过程和可逆过程,常见的不可逆过程,81,总结:,1-4准静态过程和可逆过程,1、可逆=准静态+没有耗散效应2、准静态着眼于系统内部平衡可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果3、一切实际过程不可逆4、可逆过程可用状态参数图上实线表示,82,1-5功和热WorkandHeat,功Work定义isaformofenergytransferredassociatedwithaforceactingthroughadistance.符号规定系统对外做功膨胀dV0+对系统做功压缩dV0系统放热时为负Q0,1-5功和热,又称示热图,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”,89,1-5容积变化功与热量,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,dvdS,ds,公式,条件准静态或可逆可逆,90,1-5容积变化功与热量,是过程量，不是状态量。其大小与初、终状态有关，也与路径有关。,T,s,1,2,a,b,S1,S2,91,例题1-4,1kg气体以下列关系a)和(b)膨胀。试计算各过程的膨胀功。并示意在p-v图上。,解：,（1）,（2）,92,1-6热力循环Cycle,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。分类可逆和不可逆Reversible/Irre.CycleReversiblecycleconsistentirelyofreversibleprocesses.循环过程特点经一个循环后系统的状态参数（内能、熵、焓等）不变。,93,1-6热力循环Cycle,循环过程的特点净功A=循环过程曲线所包围的面积循环经济性评价指标Performance,Performance=,得到的收益（Desiredoutput）,花费的代价（Requiredinput）,94,1-6热力循环,正向（动力）循环Powercycle逆向（制冷/热泵）循环Refrigeration(heatpump)cycle,95,1-6热力循环,正向（动力）循环Powercycle,96,1-6热力循环,动力循环（正循环