工程热力学基本概念课件.ppt

1,第一章基本概念,BasicConceptsandDefinition,1-1热能和机械能相互转换过程,1-2热力系统,1-3工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4平衡状态,1-5工质的状态变化过程,1-6功和热量,1-7热力循环,2,一、热能动力装置(Thermalpowerplant),定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。,分类,共同本质：由媒介物通过吸热膨胀作功排热,气体动力装置(combustiongaspowerplant)内燃机(internalcombustiongasengine)燃气轮机装置(gasturbinepowerplant)喷气发动机(jetpowerplant)蒸气动力装置(steampowerplant),1-1热能和机械能相互转换的过程,3,热能转换装置的工作过程,热能,机械能,(转换装置),热机,4,蒸汽机示意图,汽缸,活塞,曲柄连杆,锅炉,冷凝器,曲轴箱,泵,5,蒸汽动力循环装置系统简图,6,原子能蒸汽动力装置系统简图,反应堆(浓缩铀),换热器,泵,冷凝器,发电机,汽轮机,泵,载热质(重水、碱性金属蒸汽),冷却水,7,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,气缸,8,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,9,压缩制冷装置系统简图,冷藏室,压缩机,膨胀机,冷却器,高压蒸气,冷却介质,高压液体,低压气液混合物,低压蒸气,10,各种热工装置的热力学共性内容归纳吸热膨胀（压缩）作功排热,内燃机装置,燃气轮机装置,蒸汽动力装置,装置名称工作物质热源冷源功,水蒸汽,高温物体,冷却水,对外输出功,燃气,燃烧产物(自身),大气,对外输出功,燃气,燃烧产物(自身),大气,对外输出功,压缩制冷装置,制冷剂,被冷却物体,大气,消耗功,11,二、工质(workingsubstance;workingmedium),定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。,对工质的要求:,物质三态中气态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,12,三、热源(heatsource;heatreservoir),定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。,高温热源热源（heatsource）低温热源冷源（heatsink）恒温热源(constantheatreservoir)变温热源,13,1-2热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界,系统(thermodynamicsystem,system),人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。,外界(surrounding)：,与体系发生质、能交换的物系。,边界(boundary)：,系统与外界的分界面（线）。,一、定义,14,1）系统与外界的人为性2）外界与环境介质3）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的b）固定的或可移动的c）实际的或虚拟的,注意：,15,系统,边界,热力系、界面、外界例,固定、刚性、实际边界,二、系统及边界示例,16,系统,边界,外界,外界,虚拟边界,17,系统,边界,虚拟、可变形边界,18,系统,系统,边界,19,系统,系统,边界,20,系统,系统,边界,21,边界,热源,外界,外界,热力系统,可移动边界,22,边界,热源,外界,热力系统,23,边界,热源,外界,热力系统,24,边界,热源,外界,热力系统,25,边界,热源,外界,热力系统,26,三、热力系统分类,按组元数单元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem),按相数单相系(homogeneoussystem)复相系(heterogeneoussystem),注意：1）不计恒外力场影响；2）复相系未必不均匀湿蒸汽；单元系未必均匀气液平衡分离状态。,1.按组元和相,27,闭口系（closedsystem）（控制质量CM）没有质量越过边界,开口系（opensystem）（控制体积CV）通过边界与外界有质量交换,2.按系统与外界质量交换,28,1）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。,注意：,4.简单可压缩系（simplecompressiblesystem）由可压缩物质组成，与外界仅有体积变化功的有限物质系统。,绝热系（adiabaticsystem）与外界无热量交换;孤立系（isolatedsystem）与外界无任何形式的质能交换。,3.按能量交换,29,1开口系,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,30,两个小问题？,1)边界就是将系统与外界分隔开的固定界面。2)如果系统内的质量保持恒定不变，则该系统必定是闭口系统。,31,四、热力系示例,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,黄线内不包含电热丝闭口系,黄线内包含电热丝闭口绝热系,蓝线内孤立系,32,闭口系,闭口热力系举例,33,开口系,开口举例热力系（放气）,34,管道,开口举例热力系（管道）,35,开口系,续15,36,开口系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,开口举例热力系（锅炉示意图）,37,锅炉的简化热力学分析模型,热力系统,38,开口系汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管叶片汽轮机,发电机,开口热力系汽轮机示意图,39,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系统,40,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口系（冷凝器）,41,蒸汽放热给冷却水,热力系统,冷凝器的简化热力学分析模型,42,43,开口热力系（水泵示意图）,电动机,锅炉给水,来自冷凝器的水,水泵,开口系（水泵示意图）,44,水泵的简化热力学分析模型,热力系统,45,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,46,冷却水带走热量,（工质放热量）,向外输出功,（汽轮机）,（水泵耗功）,（工质吸热量）,蒸汽动力装置的简化热力学分析模型,热力系统,向系统输入功,热源供热,蒸汽动力装置的简化热力学分析模型,47,1-3工质的热力学状态和基本状态参数,热力学状态（stateofthermodynamicsystem）工质某一瞬间宏观物理状况的综合状态参数（stateproperties）描述物系所处状态的宏观物理量,1状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如,一、热力学状态和状态参数,二、状态参数的特性和分类,48,2状态的单值函数。物理上与过程无关；数学上其微量是全微分。,3状态参数分类广延量（extensiveproperty）强度量（intensiveproperty）,又：广延量的比参数具有强度量特性，如比体积,工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。,49,三、系统状态相同的充分必要条件,系统两个状态相同的充要条件：所有状态参数一一对应相等简单可压缩系两状态相同的充要条件：两个独立的状态参数对应相等,50,四、温度和温标（temperatureandtemperaturescale）,温度的定义：测温的基础热力学零定律(zerothlawofthermodynamics)热力学温标和国际摄氏温标(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale),51,热力学第零定律,热力学第零定律（R.W.Fowler1931）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。,52,根据热力学第零，系统必定存在一个共同的，表征系统微观热运动强度及宏观热平衡性质的状态函数，这个状态函数就成为温度。,温度计测温原理：根据热平衡的概念，只要温度计与被测温度处于热平衡，就可按温度计中测温物质的平衡温度来表示被测物体的温度。,53,常用的温标：摄氏温标t-基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点，规定冰点温度为0。沸点温度为100。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性的。0与100这两个基准点之间分成100等分，每一等分为1度。热力学温标-基准点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。热力学温标与摄氏温标之间的关系：t=T-273.15,2019/12/15,54,可编辑,55,华氏温标和朗肯温标,华氏温标和摄氏温标,附：,TR=t+459.67,t=5/9t-32t=9/5t+32,56,五、压力(pressure),绝对压力p(absolutepressure)表压力pe(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure),当地大气压pb(localatmosphericpressure),57,常用压力单位：,例A4001441,58,六、比体积和密度,比体积(specificvolume),单位质量工质的体积,密度(density),单位体积工质的质量,两者关系:,59,1-4平衡状态,1定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态,热平衡（thermalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处温度相等。,力平衡（mechanicalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力相等。,热力平衡的充要条件系统同时达到热平衡和力平衡。,一、平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）,60,讨论：平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,61,讨论：平衡与均匀,平衡：时间上均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,62,*二、状态公设（statepostulate）,n系统独立的状态参数数目；f系统与外界交换功形式数。,简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式,63,三、纯物质的状态方程（puresubstancestateequation）,状态方程,1理想气体状态方程（ideal-gasequation;Clapeyronsequation）,Rg气体常数（gasconstant）,R通用气体常数（universal(molargasconstant),摩尔质量,64,实际气体(realgas;imperfectgas)的状态方程,范德瓦尔方程,（a,b为物性常数）,R-K方程,（a,b为物性常数）,65,BWR方程,维里型方程,66,四、状态参数坐标图（parametriccoordinates）,一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,67,1,工质状态的连续变化称为工质经历了一个热力过程简称过程。,1,2,p,v,2,1-5工质的状态变化过程,68,一、准静态过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess),定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。,进行条件：破坏平衡的势,过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力,准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示,无穷小,69,二、可逆过程(reversibleprocess),定义：系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,可逆过程与准静态过程的关系:可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程未必是可逆过程。,可逆过程特征：首先是准平衡过程，同时在过程中没有任何耗散效应。,70,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,p,v,可逆过程示意图,可逆过程模拟,71,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,72,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,73,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,74,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,75,气缸,飞轮,热源,左止点,1,2,p,v,续41,76,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,77,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,78,气缸,飞轮,热源,左止点,1,p,v,续41,79,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,80,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,81,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,82,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,83,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,84,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,85,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,86,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,87,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,88,气缸,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,89,气缸,活塞,飞轮,热源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,90,非准静态过程(nonequilibriumprocess),准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,作功过程,p,F,f,pb,91,1.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,讨论：,92,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,自由膨胀,真空,93,典型的不可逆过程,节流过程(阀门）,p1,p2,p1p2,混合过程,94,小问题？,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。,95,思考题：,容器为刚性绝热，抽去隔板，重又平衡，过程性质。,逐个抽去隔板，又如何？,96,一、功(work)的定义和可逆过程的功,1功的力学定义,2功的热力学定义：通过边界传递的能量,其全部效果可表现为举起重物。,3可逆过程功的计算,功是过程量,功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示,1-6功和热量,97,系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”,5功和功率的单位：,附：,4功的符号约定：,6体积变化功：膨胀功和压缩功都是通过工质体积的变化而与外界交换的功。,98,7讨论,有用功(usefulwork)概念,其中:W膨胀功(compression/expansionwork)；Wl摩擦耗功；Wr排斥大气功。,pb,f,若,则有,99,二、广义功(generalizedwork)简介,弹性力功,表面张力功,电极化功及磁化功等,100,三、热量（heat）,1定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。,2符号约定：系统吸热“+”；放热“-”,3单位：,4计算式及状态参数图,热量是过程量,（T-s图上）表示,101,四、热量与功的异同：,1.均为通过边界传递的能量；,3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化