工程热力学课件.pptVIP

工程热力学,即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。,热,动力学,热力学,热能及其利用,能源指提供各种能量的物质源。一次能源自然界以自然形态存在的、可资利用的能源。如：风能、水利能、太阳能、地热能、核能、化学能等。二次能源由一次能源加工转换后的能源。如：热能、机械能、电能。,热能的利用,.热利用将热能直接用于加热物体，以满足烘干、采暖、熔炼等需要。.动力利用通过各种热能动力装置将热能转换成机械能或者转换成电能加以利用，为人类的日常生活、工农业生产及交通运输提供动力。,太阳能,电能,能量的转换和传递过程,核能,地热能,水力能,热能,机械能,风能,一次能源,二次能源,化学能,热能转换装置的工作过程,热能,机械能,(转换装置),热机,蒸汽机示意图,汽缸,活塞,曲柄连杆,锅炉,冷凝器,曲轴箱,泵,废气,燃烧室,燃气轮机,空气,压气机,燃料泵,燃料,燃气轮机装置系统简图,压缩制冷装置系统简图,本课程的主要内容,基本概念热力学第一定律理想气体的性质理想气体的热力过程热力学第二定律水蒸汽湿空气制冷循环,1.1工质及热力系1.2热力系的宏观描述1.3基本状态参数1.4热力过程及热力循环,第一章热力学基本概念,1.1工质及热力系,工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系冷源（低温热源）：接受工质放出热能的物系为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。,热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：热力系统以外的部分。边界：系统与外界之间的分界面。边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。,系统与边界：,以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换,以气缸内气体为系统,活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换,系统,热力系统的分类：,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量,开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积,绝热系统：系统与外界无热量交换,孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换,物质流进和流出热力系统,物质交换能量交换,传热和作功两种形式,热力系外界,1-2热力系的宏观描述,一.热力学状态：工质在某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。二.状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。,三.状态参数的特性：状态参数都是宏观的物理量。状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。,四.平衡状态,如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态。,实现平衡的充要条件：,系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。,自然界的物质实际上都处于非平衡状态，平衡只是一种极限的理想状态。,工程热力学通常只研究平衡状态。,热力平衡状态满足：,热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移。,一.温标,定义：温标是指温度的数值表示法,温标三要素：,测温物质及其测温属性基准点分度方法,1-3基本状态参数,任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。,经验温标与绝对温标：,热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K,二.压力,定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强),压力计：测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。,由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境压力,之差，叫做表压力,或真空度,压力的单位：国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：，,工程单位：,标准大气压（atm,也称物理大气压）巴(bar)工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O),三.比体积和密度,比体积,单位质量工质所占的体积,单位：,密度,单位体积所含有工质的质量,单位：kg/m3,v与互成倒数，即：v1,1.4热力过程及热力循环,一.热力过程：,热力系统由一个状态变化到另一个状态的全部过程。,就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述。,二、过程量-功和热量,只要存在不平衡势差的推动作用，系统和外界就会发生能量的交换-作功或传热,功的力学定义：,功是力和力方向上位移的乘积。,功的热力学定义：,在力差推动下，热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。,气缸,活塞,飞轮,热源,观察下面的过程,看热能是如何转换为功的,工质、机器和热源组成的系统,假设过程是可逆的。问题：过程可逆的条件是什么？,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,p,v,可逆过程模拟,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,问题：左图中阴影部分的面积代表什么？,作功：借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。作功过程中往往伴随着能量形态的变化。,传热：借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。传热是相互接触的物体间存在温差时发生的能量传递过程。,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,二、容积功,可逆过程的容积功在pv图中的表示,图上曲线下面的面积代表容积功,1,2,p,v,可逆过程中容积功在图上的表示,*强调：,2.,称为压缩功,1.,称为膨胀功,有,有,有,功的正负：,热力学中约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。,功的单位:,焦耳（J）,比功与功率,比功：单位质量物质所作的功，单位：J/kg,功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）,有关功的说明,功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量。微元过程作出过程量用表示，如微功量用w（状态参数为微增量，用d表示，如dp、dv、dT）膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。,热量的定义,热力系统与外界之间仅仅由于温度差则通过边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）,热量的正负,热力学中约定：系统吸热为正，放热为负,热量的单位,国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）,定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量.计算公式:,热量单位:J,kJ,可逆过程中热量的计算：,五.热力循环,热力循环定义,工质由某一初态出，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环。,显然循环的目的是为了实现预期连续的能量转换，而不可能是为了获得工质状态的变化。,循环的经济性,正向循环：,把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功。,正向循环的经济性热效率：,把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功。,热泵循环的经济性热泵系数：,制冷循环的经济性制冷系数：,逆向循环：,2.1循环过程、热力学第一定律2.2闭口系的热力学第一定律表达式2.3开口系统的热力学第一定律表达式,第二章热力学第一定律,一.热力学第一定律的实质,2.1循环过程、热力学第一定律,能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。,热力学第一定律实质是：能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。,就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：,热力学第一定律的能量方程式：,进入系统的能量,离开系统的能量,系统中储存能量的增加,2.2闭口系的热力学第一定律表达式,一.热力学能,热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和:分子热运动形成的内动能:它是温度的函数。分子间相互作用形成的内位能:它是比体积和温度的函数。,热力学能：符号：U法定计量单位：焦耳（J）比热力学能：（1kg物质的热力学能）符号：u单位：J/kg,热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数。,外部储存能,需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：,重力位能：,宏观动能：,系统的储存能,热力学能,宏观动能,宏观位能,即,系统的储存能,系统的总储存能（简称总能）,1kg工质的总能为比总能：,二.闭口系统的热力学第一定律表达式,能量平衡关系式：,输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化,闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W。,2.3开口系统的热力学第一定律表达式,（稳定流动能量方程式）,实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转。因此，分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。,一.稳定流动与流动功,工程上实施的能量转换过程一般都是在工质不断流过热工设备时进行的。常用的热工设备除了起动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的。这种流动状况称为稳定流动，即开口系统内各点流体的热力状态和流动情况都不随时间变化。,推动功,工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。,如图所示，当质量为m的工质在外力的推动下克服压力p移动距离h，进入截面积为A的气缸时，则外界所作的推动功为,推动功示意图,流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）：,流动功是由泵或风机加载给被输送的工质并随着工质的流动而向前传递的一种能量。,工质从进口到出口，从状态1膨胀到状态2，膨胀为为W，在不计工质的动能与位能变化时，开系与外界交换的功量应为膨胀功与流动功之差W-(pv),稳定流动能量方程,有m1的微元工质流入进口截面11，有m2的微元工质流出出口截面22系统从外界接受热量Q系统工质通过机器轴输出功Ws为轴功,E=Q+P1V1-WS-P2V2=U+EK+EPQ=U+（P2V2-P1V1）+WS+EK+EP=U+（P2V2-P1V1）+Wtq=u+(pv)+wt=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+wt令h=u+pv则q=h2-h1+wt=h+wt,此三项为机械能，是技术上可资利用的功，称为技术功，用Wt表示,焓等于热力学能与推动功之和。焓的物理意义表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的那部分。,焓的意义：,焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存在。,解：若将泵壁及进、出口截面选作系统边界，则这是一个开口系统。由于水的不可压缩性，可认为水泵进、出口水的体积不变，进、出口水的功能和重力势能变化都很小，每千克水在定容流动过程中对外作的技术功为,例题2-1一台JN型农用深井水泵，水的体积流率水泵扬程（即水泵进出口的压差）为18.8m水柱，水泵效率=理想功率/实际功率=80%，问此水泵需配备多大功率的电机？,技术功为负值，说明外界对系统作功。为水泵所配电动机的功率应大于水泵功率。查产品目录，可选功率为4.0kW的电动机。,能量方程式的应用,一、开口系稳定流能量方程在几种常见热力设备中的应用,这里介绍能源与动力工程领域内常见的几种热力设备的简化模型,稳定工况下的能量转换关系。,1、动力机,压气机,换热器,物理模型,注：流入和流出的速度相等。,1,2,流入,流出,喷管,喷管,混合室,扩压管,高压工作流体,被引射流体,物理模型,节流,注：流入和流出的速度相等。,第一定律说明能量传递或转化的数量关系第二定律说明能量的传递方向自发过程：高品质-低品质一、热；力学循环和热效率根据效果不同和进行的方向不同，可分为,第三章热力学第二定律,二、热力学第二定律克劳修斯说法（1850）不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。开尔文说法（1851）不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。(第二类永动机是不可以实现的),三、卡诺循环热力学第二定律的几种说法仅仅停留在经验的总结上；卡诺循环及其实理把其从感性和实践的认识推向理性和抽象概念。卡诺循环排除不利于热变功的一切不可逆因素由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成,1-2：等温膨胀过程（无散热损耗）2-3：绝热膨胀过程（与外界无功量交换）3-4：定温压缩过程4-1：绝热压缩过程,四、熵增加原理1、熵是一状态参数具有如下特点：系统平衡态确定后，熵就确定了熵的改变只决定于初态、终态，与过程无关熵具有可加性2、熵增加原理-判断任何过程能否进行的判据。在孤立系统中，若为绝热可逆过程，则s=0，理论能自发进行不可逆过程，s0，能自发进行s常温，ptd）,1,2,=100%,h0,h2,0,h1,t1,t2,t0,0,湿空气的加热和冷却过程在焓湿图上的表示,湿空气的加热及冷却过程在焓湿图上的表示,1冷空气,2热湿空气,2,喷淋水,二、湿空气的加热加湿过程,湿空气的加热加湿过程的示意图,H1,Hw,H2,1.湿空气加热加湿过程的热力学分析,能量平衡方程,等式两边同除以ma，得加热量,因,比起h1和h来要小得多,所以在实际计算时,Q,加湿量,kJ/kg干空气,kJ/kg干空气,可近似取,建立湿空气加热加湿过程的能量方程,1,=100%,h2,h,2.湿空气的加热加湿过程在焓湿图上的表示,t1,2,t2,热空气,冷空气,2,冷流体,凝结水,三、湿空气的冷却去湿过程,1,2,湿空气的冷却去湿过程示意图,H1,Hw,H2,1.湿空气冷却去湿过程的热力学分析,能量平衡方程,等式两边同除以ma，得冷却水带走的热量,Q,凝结水量,kJ/kg（干空气）,建立湿空气的冷却去湿过程的能量平衡方程,2,1,=100%,h2,h,t2,t1,1,2.湿空气的冷却去湿过程在焓-湿图上的表示,1,2,3,四、湿空气的绝热混合过程,湿空气的绝热混合过程过程,H3,H1,H2,混合过程的能量平衡方程为,干空气的质量平衡方程,水蒸汽质量平衡方程,或写成,(1),(2),(3),由(1)、(2)、(3)式可得,1.湿空气混合过程的热力学分析,h1,h2,h3,100%,1,2,3,ma1,ma2,2.湿空气混合过程在焓湿图上的表示,加热器,干物料出口,空气出口,干燥器,风机,湿物料入口,空气入口,1,2,3,热空气,五、干燥过程,干燥过程示意图,=100%,加热,干,燥,1,2,3,h2,t2,t1,1,2,3,干燥过程在焓湿图上的表示,h1,12加热过程，23绝热加湿过程,冷冻机组的冷却水系统,冷却塔,冷却水泵,冷却水,冷冻机,六、冷却塔,冷却水,汽轮机排汽,凝结水,凝汽器,湿空气出口,冷却水池,水泵,3,2,4,冷却塔,补水,冷却水出口,电厂冷却塔工作过程图,Hw3,H1,H2,Hw4,能量方程平衡方程,质量平衡方程,或,(1),(2),即,冷却塔湿空气过程的热力学分析,或,建立冷却塔湿空气过程的能量平衡方程,(1),(2),将(2)式代入（）式，整理得所需干空气的质量,续48,第七章制冷循环,教学目标：使学生了解工程实际中制冷过程，掌握各种制冷循环的热力计算。知识点：空气压缩制冷循环；蒸气压缩制冷循环；蒸气喷射制冷循环；吸收式制冷循环；热泵。重点：空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。难点：结合工程对空气和蒸汽压缩制冷循环的描述，建立数学模型，进行热力计算。,7.1概况,本章主要以制冷循环为研究对象，分析循环的特点，各参数的变化关系及计算热量、功量和效率。,制冷循环类型：压缩气体制冷压缩式制冷循环压缩蒸气制冷吸收式制冷循环吸附式制冷循环蒸气喷射制冷循环半导体制冷,1,4,2,3,T1,T2,逆向卡诺循环,T,s,逆向卡诺循环,R,1.制冷机,热环境,W0（耗功量）,冷库,Q1（排热量）,Q2（制冷量）,制冷循环从冷库取出热量并输送到环境中，使冷库温度始终低于环境温度。,制冷示意图,HP,暖房,2.热泵,冷环境,Q1（输热量）,Q2,热泵供暖循环从环境取出热量并