第一章热力学基础知识ppt课件.ppt

暖通系统的维护与管理 基础知识 制冷 是指用人工的方法在一定的时间内将某物体或某空间的温度降低到环境温度以下 并维持这个低温 这里所说的 冷 是相对于环境而言的 空调 是指用人工的方法在一定的时间内将某环境内空气的温度 湿度 空气流动速度 空气洁净度及空气成分调整到符合生命生存舒适的程度或符合生产科研工艺的要求 第一章热力学基础知识 1 1基本概念和定义 温度 1 1 1温度温度是表明物体冷热程度的物理量 测量温度的标尺简称温标 常用的温标有热力学温标 摄氏温标和华氏温标 按分子运动学说 温度是物质内部大量分子平均移动动能的强烈程度 它是确定物质状态的基本参数之一 温度概念的建立及温度的测定 都是以热平衡为依据的 当温度计与被测物体达到热平衡时 温度计指示的温度就等于被测物体的温度 在我国法定制量单位中 温度测量采用热力学温度 物理量符号为T 单位采用开 尔文 符号为K 热力学温度规定水的三相点 纯冰 纯水和水蒸气三相平衡共存状态 的温度为273 16K 与热力学温度并用的还有摄氏温度 物理量符号为t 单位为 摄氏度 摄氏温度 每1 与热力学温度每1K是相等的 但两种温度的起始点不同 在摄氏温度中 规定0 101325MPa下纯水的冰点为0 其热力学温度为273 15K 1 1 1 1热力学温标 热力学温标也称绝对温标 通常用T表示 其单位用符号K 读做 开尔文 表示 1 1 1 2摄氏温标 国际单位制 SI 规定摄氏温标为实用温标 摄氏温度用t表示 其单位是 摄氏温标规定 在1标准大气压下 纯冰的融点是0 纯水的沸点为100 两者之间等分为100格 每一格就是1 摄氏温标的每1 与热力学温标的每1K相同 摄氏温度T K 与热力学温度之间的关系是 温度 1 1 1 3华氏温标 在标准大气压下冰融点定为32度 水沸点定为212度 二点之间分为180分格 每格称为华氏一度的温标叫华氏温标 符号为 进口英制设备常采用华氏温标 华氏温度的单位是 华氏温标与摄氏温标之间有以下关系 温度 压力 1 1 2压力1 1 2 1绝对压力绝对压力通常用P表示 其单位用符号Pa表示 1Pa 1N m 由于1Pa是一个很小的数 所以工程上常用Kpa 千帕 或MPa 兆怕 作为压力的单位 1MPa 103KPa 106Pa1 1 2 2表压力表压力也称相对压力 通常用P 或Pb 表示 其单位常采用MPa或Kpa 绝对压力与表压力有以下关系 绝对压力 表压力 当地大气压 约0 1MPa 1 1 2 3真空度真空度也称负压力 以Pz表示 其单位常采用Pa或Kpa 真空度与表压力有以下关系 真空度 当地大气压 约0 1MPa 表压 1 1 2 4压力单位换算1标准大气压 atm 101325Pa 760mmHg 0 1MPa1工程大气压 at 1kgf cm2 0 1MPa1巴 bar 105Pa 0 1MPa1mmHg 133 32Pa1mmH2O 9 80665Pa1mH2O 9 80665 103Pa 比体积 密度 1 1 3比体积和密度1 1 3 1比体积比体积是单位质量的气体所占有的容积 比体积用符号 表示 单位是m3 kg 立方米 千克 1 1 3 2密度密度是单位体积的气体所具有的质量 在数值上是比体积的倒数 用 表示 单位为kg m3 式中v 气体的比体积 m3 kg 气体的密度 kg m3 m 物质的质量 kg V 物质的体积 m3 1 1 4热能 1 1 4 1热量热是能量的一种形式 它表示物体和外界在相互作用过程中传递 吸收或者放出 的能量 常用Q表示 单位是焦尔 J 也可以用千焦 kJ 有的进口设备还用卡 cal 或千卡 kcal 做单位 1J 0 2389cal或1kJ 0 2389kcal或1cal 4 1868J 1 1 4 2比热容单位质量的物体温度升高或降低1 所吸收或放出的热量 称为物质的质量比热容 常用C表示 其单位是千焦 千克 开 kJ kg k 对于气体 除了常用质量单位外 还有容积比热容 kJ m3 K 和摩尔比热容 kJ kmol K 在不做特别说明时 我们所说的比热容均指质量比热容 在一定压力下水的比热容为4 187kJ kg k 空气的比热容为1kJ kg k 严格讲 任何物质的比热容都不是常数 温度变化时 比热容也随着变化 在制冷技术中 温度变化范围不太大 或计算本身并不要求十分精确时 可以认为比热容与温度无关 把比热容视为定值 气体的比热容还随加热或冷却过程的不同而有所变化 当气体在加热过程中其压力保持不变时 称为定压比热容 常用CP表示 而气体在加热过程中其容积保持不变时 则称为定容比热容 常用Cv表示 热量 比热容 假设某物体的质量为Gkg 千克 当它吸收了QkJ 千焦 的热量后 温度从原来的T1K 度 升高到T2K 度 那么该物体的比热容C kJ kg k 为 在一定压力下水的比热容为4 187kJ kg k 空气的比热容为1kJ kg k 严格讲 任何物质的比热容都不是常数 温度变化时 比热容也随着变化 在制冷技术中 温度变化范围不太大 或计算本身并不要求十分精确时 可以认为比热容与温度无关 把比热容视为定值 气体的比热容还随加热或冷却过程的不同而有所变化 当气体在加热过程中其压力保持不变时 称为定压比热容 常用CP表示 而气体在加热过程中其容积保持不变时 则称为定容比热容 常用Cv表示 热量 比热容 显热 1 1 4 3显热物质进行热交换时 物质的相态不发生变化 物质的温度生变化 此时交换的热量称为显热 显热计算采用下式 式中C 物体比热容为 kJ kg k m 物体质量 kg t 物体的温度 显热变化可以用温度测量仪器进行测量 在一定压力下水的比热容为4 187kJ kg k 空气的比热容为1kJ kg k 1 1 4 4潜热物质进行热交换时 物质的相态发生变化 物质的温度不发生变化 此时交换的热量称为潜热 如果使液体变为气体 那么该潜热为汽化潜热 已知物质的汽化潜热为r kJ kg 质量为m kg 的液体被加热为气体 温度未变 那么该物体吸收的热量为 如果使气体变为液体 则该潜热称为凝结潜热 已知物质的凝结潜热为L kJ kg 质量为m kg 的气体被冷却为液体 温度未变 那么该物体放出的热量为 潜热变化不能用温度测量仪器进行测量 潜热 水的蒸发 水蒸气 水在一个大气压下 沸腾 水的状态变化 大气压下 1 1 5比焓与比熵1 1 5 1比焓焓是一个复合状态参数 对于1kg工质所具有的焓称为比焓 一般用符号h表示 单位为J kg 焦耳 千克 或kJ kg 千焦 千克 它的定义式为 式中 u 物质的内能 J kgP 压力 Pav 比容 m3 kg关于焓的绝对值是无法测量和计算出来的 通常都选择某一个状态作为焓的起点 其他状态点的焓值均是与该点焓的差值 在制冷工程中 一般取0 时饱和液体的比焓为200 00kJ kg 关于比焓的绝对值是无法求出的 实用中也没有必要求出 因为只要知道同一种物质由一种状态变化到另一种状态时 比焓的变化量就可以了 比焓 1 1 5 2比熵熵是一个表征工质状态变化时与外界热量交换程度的物质状态参数 对于1kg工质的熵而言 称为比熵 一般用符号s表示 单位为J kg K 焦耳 千克 开 或kJ kg K 千焦 千克 开 熵增加的过程表示工质从外界吸收热量 熵减少的过程表示工质对外界放出热量 绝热过程熵是不变的 与焓一样 熵的绝对值无法测定 在实际应用中也只需了解熵在热力过程中的改变量 当s2 s1时 为熵增加的过程 表示工质从外界吸收热量 当s2 s1时 为熵减少的过程 表示工质对外界放出热量 不可逆的绝热过程 熵总是增加的 即s2 s1 可逆的绝热过程 熵不变 即s2 s1 在此过程中与外界热量传递交换为零 比熵 1 2热力学的定律 1 2 1热力学第零定律表述为 如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡 则它们彼此之间也一定处于热平衡 在温度的测量中 温度计即为第零定律中的第三个物体 1 2 2热力学第一定律可以表述为 在任何发生能量转换的热力过程中 转换前后能量的总量维持恒定 热力学第一定律也可以表述为 永动机 是不可能创造成功的 1 热力学第一定律 1 2 3热力学第二定律 它有以下几种等效的表达方式 1 使热能全部转换为机械能是不可能的 2 热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体 3 第二类永动机 即单热源热机是不存在的 制冷装置是根据热力学第二定律 用消耗一定的机械能或热能作为补偿条件 把热量从低温热源 如冷藏室 转移到高温热源 自然界的水或空气 中去 从而达到连续制冷的目的 设从低温热源取出Q热量 同时制冷机消耗W的机械能 那么 Q与W的比值就称为制冷系数 用 表示 的值可以大于1 等于1或小于1 在相同的条件下 制冷系数是制冷机的一个技术经济指标 值越大 则制冷机的性能越好 1 制冷循环的热力学分析 热力学循环 2 热力学第二定律 1 2 4热力学第三定律 不能用有限的步骤使一个系统的温度降到绝对零度 另一种为 当温度趋近于绝对零度时 凝聚系统的熵的绝对值趋近于零 2 5气体分压力定律 道尔顿气体分压力定律 混合气体的总压力p等于各组成气体分压力pi之和 即 此即道尔顿气体分压力定律 严格来讲 该定律只适用于理想气体 但在制冷 空调所涉及的一般温度 压力条件下 该定律也近似适用 1 3传热学基础 热量传递的基本方式有三种 导热 对流与热辐射 1 3 1传导热 传导热是指物体各部分之间无相对位移 或不同物体直接接触时而进行的热量传递现象 设有如图1 1所示的一块厚度为的大平壁 壁两侧的温度分别为 垂直于热流方向的平壁面积为 通过平壁的导热量的计算式为 通过平壁的热流通量 热流密度 为 式中 材料的热导率 导热系数 单位是W m2 K 热导率 导热系数 表示材料导热能力的大小 其数值一般由实验测定 把热流通量的计算式写成电学中欧姆定律的形式 可以看出 正是导热的阻力 我们将它称为导热热阻 其单位是m2 K W 1 3 2对流换热 1 3 2对流换热 依靠流体的宏观运动 把热量由一处传递到另一处的现象 称为热对流 因为有温度差 对流过程必然同时伴随导热 很难实现纯粹的对流 工程上遇到的实际传热问题 都是流体与固体壁直接接触时的换热 称为对流换热 也称放热 与纯粹的对流不同 对流换热过程既有对流作用 又有导热作用 对流换热过程的计算式是牛顿冷却公式式中 q 单位面积上得对流放热量 W m2 t 壁面温度与流体温度之差 表面传热系数 放热系数 W m2 表面传热系数 放热系数 是对流换热过程强弱的标志 影响它的因素有流体的物理性质 流体的流速与特 壁面的形状及表面状况等等 对流换热时的热阻为1 单位为m2 K W 1 3 2对流换热 1 3 3热辐射 热辐射依靠物体表面发射可见和不可见的射线 电磁波 传递能量 热辐射不依靠物质的接触而进行热量传递 热辐射过程伴随着能量形式的两次转化 即发射物体的部分内能转化为电磁波能发射出去 接受物体表面吸收时 电磁波能又转化为内能 一切物体只要其温度T 0K 都会不断地发射热射线 即使各个物体的温度相同 辐射换热仍然在不断进行 只是每一物体辐射出去的能量 等于吸收的能量 处于动平衡状态 辐射换热量等于零 1 3 3热辐射 1 3 4传热基本方程式 热量从壁的一侧流体通过壁传递给另一侧流体的过程 称为传热过程 如果传热过程中物体各处温度不随时间改变 就是稳态传热 1 3 4 1通过平壁的稳定传热如图1 2所示 通过单层材料平壁的传热 传热量的基本计算方程式为 式中 Q 传热量WA 传热面积 m2 壁面两侧的平均温度差 K 传热系数 W m2 传热系数的确定 式中 平壁的厚度 m 平壁材料的热导率 导热系数 W m 1 平壁一侧的表面传热系数 放热系数 W m2 2 平壁另一侧的表面传热系数 放热系数 W m2 t1 图1 2通过平壁的稳定传热 1 3 4 2通过圆管壁的稳态传热通过n层圆管壁的稳态传热过程传热量的计算式为式中 d2 管外壁直径 m d1 管内壁直径 m 1 管内表面传热系数 放热系数 W m2 2 管外表面传热系数 放热系数 W m2 管壁材料的热导率 导热系数 W m L 管长 m tm 管内外流体的平均温度差 通过圆管壁的传热计算公式中包含了对数项 给实际应用带来不变 对于通过d2 d1 2的薄壁圆管的传热 可以近似用平壁的传热计算公式进行计算 误差一般不超过4 圆管壁的稳态传热 1 3 4 3通过肋管的稳态传热通过肋管 如图1 3 的稳态传热传热计算公式为 式中 壁厚 m 壁面材料的热导率 导热系数 W m A1 肋管内表面面积 m2 A2 肋管外表面面积 m2 1 管内表面传热系数 放热系数 W m2 2 管外表面传热系数 放热系数 W m2 t1 t2 管内 外两种介质的温度差 肋管的的稳态传热 1 3 4 4平均温度差的确定在前面叙述的传热计算中 传热温度差都应该取平均温度差 这是因为冷