1热工(绪论+第一章)1、2.ppt

1 热工理论基础 工程热力学传热学 能量转换 热能的传递 效率 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 thermodynamics thermo 热 dynamics 动力 热力学 1 工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的规律 以及合理有效利用热能的基本理论 热力学是研究能量 能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学 绪论 1 二 工程热力学的研究对象及主要内容 热能机械能的规律和方法提高转化效率的途径 1 研究对象 1 第一章基本概念 1 1热力系统 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 动力装置 工质 绪论 1 分类 共同本质 由媒介物通过吸热 膨胀作功 排热 燃气轮机动力装置 gasturbinepower 喷气动力装置 jetpowerplant 蒸汽动力装置 steampowerplant 气体动力装置 combustiongaspowerplant 内燃机 internalcombustiongasengine 动力装置 工质 绪论 1 内燃机 动力装置 工质 绪论 1 动力装置 工质 绪论 1 燃气轮机 动力装置 工质 绪论 1 1 工质 workingsubstance 定义 实现热能与机械能相互转化的媒介物质 二 工质 热源 对工质的要求 物质三态中气态最适宜 动力装置 工质 热源 1 2 热源 heatsource heatreservoir 工质从中吸取或向之排出热能的物质系统 定义 热力系统 工质 热源 1 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 1 定义 热力系统 热源 开口系统 闭口系统 绝热系统 孤立系统 1 按系统与外界质量交换分 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 闭口系 开口系的定义 1 汽缸 活塞装置 闭口系例 热力系示例图 热力系统 热源 1 汽车发动机 开口系示例 热力系示例图 1 1 2热力状态和基本状态参数 一 热力状态 stateofthermodynamicsystem1 定义 某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 热力 区别于位置 流速 电磁 声光 系统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 状态参数 热力状态 热力系统 1 2 常用的状态参数 P 压力 T 温度 v 比体积 h 比焓 u 比热力学能 s 比熵 其中P T v 可测量 基本状态参数H h U u S s 可计算 可由基本状态参数导出 状态参数 热力状态 状态方程 1 3 基本状态参数1 温度和温标 temperatureandtemperaturescale 温标 定义 温度 标志物体冷热的程度的量 温度的数值标度 状态参数 热力状态 状态方程 1 状态参数 热力状态 状态方程 1 热力学温标与摄氏温标关系 t T 273 15 状态参数 热力状态 状态方程 1 2 压力 定义 单位面积上的垂直作用力 压强 装在容器中的大量分子 总是处于永远不停的热运动之中 除了相互碰撞之外 还不断地和容器壁碰撞 大量分子碰撞容器壁的总结果 形成了气体对容器壁的压力 状态参数 热力状态 状态方程 1 pg p pb pv p Pg 表压力 p 绝对压力 Pb 大气压力pv 真空度 压力的测量 gaugepressure manometerpressure absolutepressure vacuumvacuumpressure localatmosphericpressure 状态参数 热力状态 状态方程 1 压力的关系 绝对压力 表压力pe pg 真空度pv 当地大气压pb 状态参数 热力状态 状态方程 1 3 比体积 比容 及密度 比体积 单位质量物质所占容积 密度 单位容积内物质的质量 m3 kg kg m3 状态参数 热力状态 状态方程 1 工程热力学 热能机械能 工质 热机 闭口系 开口系 绝热系 孤立系 宏观热力学 常用的状态参数 P 压力 T 温度 v 比体积 h 比焓 u 比热力学能 s 比熵 平衡态 准静态 1 状态方程式 基本状态参数 p v T 之间的关系 状态方程 状态参数 平衡状态 1 3状态方程式 1 R MRg 8 3145J mol K 比热容 理想气体 状态方程 工程热力学 1 例试按理想气体状态方程求空气在表列温度 压力条件下的比体积v 并与实测值比较 已知 空气气体常数Rg 287 06J kg K 解 比热容 理想气体 状态方程 1 相对误差 本例说明 低温高压时 应用理想气体假设有较大误差 实测值 比热容 理想气体 状态方程 1 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 状态方程 状态参数 平衡状态 国际上把压力为101325Pa 温度为0 即273 15K 的状态规定为标准状态 条件 平衡状态 1 1 4平衡状态 thermodynamicequilibriumstate1 定义 在不受外界影响的条件下 重力场除外 如果系统的状态参数不随时间变化 则该系统处于平衡状态 热平衡 thermalequilibrium 系统各部分无热量交换 力平衡 mechanicalequilibrium 系统各部分无相对位移 平衡状态 同时有热平衡和力平衡 温度到处相同 压力到处相同 状态方程 平衡状态 准静态 1 2 平衡条件 系统内 各部分无热量交换各部分无相对位移 系统外 不受外界影响 与外界不发生不平衡势作用 热平衡力平衡 3 特征 系统内各部分性质均匀一致 状态参数T p v各相等 状态参数可用一点来表示 p v图上只能是平衡态 状态方程 平衡状态 准静态 p v 1 p1 v1 1 势差存在 系统变化势差消失 系统平衡 温差 压力差 化学势差 是系统变化的动力 4 说明 不平衡势消失是达到热力系平衡的必要条件 只有平衡态才能在p v图上表示 气液两相并存系统 非均匀平衡系 气体分子运动快 可视为平衡态 工程热力学研究平衡态问题 状态方程 平衡状态 准静态 1 1 5工质的状态变化过程 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 有足够时间恢复新平衡 准静态过程 一 热力过程 定义 工质状态发生变化的过程 过程发生是平衡态被破坏的结果 有不平衡势又会建立新平衡 p v 平衡状态 可逆过程 准静态 1 二 准静态过程 quasi staticprocess quasi equilibriumprocess 1 定义 偏离平衡态无穷小 随时恢复平衡的状态变化过程 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 平衡状态 可逆过程 准静态 1 3 意义 非平衡态平衡态 准静态 抛开外界影响利用状态变化进行热力计算用连续曲线表示热力过程 实际过程 理想过程 活塞运动 10m s分子运动 340m s 平衡状态 可逆过程 准静态 1 三 可逆过程 reversibleprocess 1 定义 系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程 2 特征 没有任何不可逆损失 非平衡损失 耗散损失 摩擦 温差 压差 电阻 涡流 超导电流 无滞后磁化 极化 磁力弹簧 无温差传热 1 4 可逆过程与准静态过程的关系 不可逆非准静态准静态可逆 3 条件 准静态 无耗散损失 1 非准静态 不可逆 过程不能用压容图上实线表示 T 1 s 2 1 2 p v 由于可逆过程中 系统时刻保持平衡 故某一气体状态的可逆变化过程可在状态参数图上用一条实线表示 准静态 平衡状态 可逆过程 准静态 1 可逆过程 1 可逆 准静态 没有耗散效应2 准静态过程 系统内部平衡 可逆过程 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 内部可逆过程 不要求系统与外界温差很小 5 可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论 1 1 6过程功 热量 通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物 二 可逆过程的功 三 过程热量 仅仅由于温差而通过边界传递的能量 功的热力学定义 工质在可逆过程所作的功 1 一 功 定义 力 位移 功 微元功 p v p dv 1 2 外力作用下状态1 状态2的可逆过程中力所做的膨胀功 p dx F 1 功可以用p v图上过程线与v轴包围的面积表示 功 广义力 广义位移 1 功的符号约定 系统对外作功为 外界对系统作功为 膨胀功为正 压缩功为负 1 讨论 功 可逆过程的功 1 有用功 usefulwork 概念 其中W 膨胀功 compression expansion Wl 摩擦耗功 Wp 排斥大气功 pb f 1 2 膨胀功和压缩功 体积功 系统对外作功为 外界对系统作功为 1 三 热量 heat 符号约定 系统吸热 定义 仅仅由于温差而通过边界传递的能量 单位 计算式及状态参数图 热量是过程量 过程功 热力循环 热量 功 广义力 广义位移 温熵图 S 熵 1 熵 是状态参数 S 熵 温熵图 1 热量与功的异同 1 通过边界传递的能量 2 过程量 过程功 热力循环 热量 同 1 1 7热力循环 thermodynamiccycle 定义 封闭的热力过程特性 一切状态参数恢复原值 即 热力循环 热量 热效率 状态参数 点 热力过程 线 热力循环 面 1 可逆热力循环 W1 膨胀功123 4 W2 压缩功433 4 W0 净功阴影部分 热力循环 热量 热效率 不可逆热力循环 可逆循环与不可逆循环 reversiblecycleandirreversiblecycle 1 热力循环 动力循环 正向循环 powercycle directcycle 输出净功 在p v图及T s图上顺时针进行 膨胀线在压缩线上方 吸热线在放热线上方 热力循环 热量 热效率 1 逆向循环 reversecycle 制冷循环 refrigerationcycle 热泵循环 heat pumpcycle 一般地讲 输入净功 在状态参数图逆时针运行 吸热小于放热 热力循环 热量 热效率 1 热效率 热力循环的经济性用热效率 衡量 工程热力学的主要任务之一就是提高 t 热力循环 小结 热效率 1 热力循环的经济性 经济性指标 动力循环 热效率 thermalefficiency 制冷循环 制冷系数 coefficientofperformancefortherefrigerationcycle 供暖系数 coefficientofperformancefortheheat pumpcycle 热力循环 小结 热效率 1 a 状态参数是宏观量 是大量粒子的宏观表现 只有平衡态才有状态参数 系统有多个状态参数 b 状态参数的特性 状态的单值函数 状态参数在数学上表现为是点的函数 它沿闭合路径的积分为零 状态参数特点小结 物理上 与过程无关数学上 其微量是全微分 热力循环 小结 热效率 1 习题 Pg23 1 当大气压力为97990Pa时 由压力表测得汽缸内的表压力为0 5MPa 现因气候变化 大气压力为98700Pa 压力表的读数应为多少Pa 5 5kg空气在温度t1 20 压力p1 7 105Pa时储存在容器中 由于空气泄漏 经过一段时间后 容器中的状态成为温度t2 10 压力p1 4