工程热力学第1章基本概念.ppt

1 第1章开篇 功和热量都是能量 单位也相同 没有本质区别 温度是物体冷热程度的标志 可逆过程就是可以逆向进行的过程 第一章基本概念 BasicConceptsandDefinition 2 本章学习目标 指出常用热能动力转换装置及其工作过程和热能转变成机械能的共同本质 能从工程或生活的实际装备中划分出 各类 热力系 归纳它们的特征 并用状态参数正确描述其状态 概述平衡状态的特征 分辨系统处于稳定还是平衡状态 描述可逆过程的特征 区分准平衡过程与可逆过程 牢记功和热量的热力学定义 归纳两者的特性和异同 进行可逆过程体积功和热量的计算 复述循环 可逆循环的定义及各类循环的经济性指标 教学参考资料 工程热力学 第五版 3 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 本章教学内容 4 一 热能动力装置 Thermalpowerplant 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 5 二 工质 workingsubstance workingmedium 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 良好的膨胀性 2 良好的流动性 3 较大的热容量 4 可靠的稳定性 安全性 5 对环境友善 6 价廉 易大量获取 1mm3水中有3 34 1020个分子 标准状态下22 4升中有6 02 1023个空气分子 通常 工程领域的系统都是大量粒子组成的系统 6 三 热源 heatsource heatreservoir 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 反应堆堆芯低温热源 冷源 heatsink 冷却水 恒温热源 constantheatreservoir 稳定工况的堆芯变温热源启动 停堆时的堆芯 7 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 8 二 系统及边界示例 汽车发动机 9 汽缸 活塞装置 闭口系例 10 移动和虚构边界 虚构边界 11 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 12 三 热力系分类 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 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 1 不计恒外力场影响 13 闭口系 closedsystem 控制质量 CM 没有质量越过边界 2 按系统与外界质量交换 14 开口系 opensystem 控制体积 CV 通过边界与外界有质量交换 15 4 简单可压缩系 simplecompressiblesystem 由可压缩物质组成 无化学反应 与外界有交换容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 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 16 四 热力系示例 1 刚性绝热气缸 活塞系统 一侧设有电热丝 红线内 闭口绝热系 赭线内 不包含电热丝 闭口系 绿线内 包含电热丝 闭口绝热系 蓝线内 孤立系 17 qQ 0 取喷管为系统 取红线为系统 闭口系 2 刚性绝热喷管 开口系 绝热系 18 A B两部落 鸡 犬之声相闻 民至老死不相往来 A B A部落为系统 A B部落为系统 孤立系 闭口系 19 1 3工质的热力学状态和基本状态参数 热力学状态 stateofthermodynamicsystem 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 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 20 2 状态参数是状态的单值函数 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 广延量的比性质具有强度量特性 如比体积 工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数 21 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 22 四 温度和温标 temperatureandtemperaturescale 温度的概念 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 热力学温标取水的三相点为基准点 并定义其温度为273 16K 温差1K相当于水的三相点温度的1 273 16 物体冷热程度的标志 23 华氏温标和朗肯温标 华氏温标和摄氏温标 附 24 五 压力 pressure 绝对压力p absolutepressure 表压力pe pg gaugepressure manometerpressure 真空度pv vacuum vacuumpressure 当地大气压pb localatmosphericpressure 25 常用压力单位 例A4001441 26 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 27 1 4平衡状态 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 无外界作用 系统内部 系统与外界处处温度相等 力平衡 mechanicalequilibrium 无外界作用 系统内部 系统与外界处处压力相等 系统平衡的充要条件 系统同时达到热平衡和力平衡 一 平衡状态 thermodynamicequilibriumstate 28 讨论 1 系统平衡与均匀 2 平衡与稳定 平衡可不均匀 稳定未必平衡 29 二 纯物质的状态方程 puresubstancestateequation 状态方程 理想气体状态方程 ideal gasequation Clapeyron sequation Rg 气体常数 gasconstant R 通用气体常数 universal constant molargasconstant 摩尔质量 30 三 状态参数坐标图 parametriccoordinates 简单可压缩系只有两个独立参数 p v 1 p1 v1 T s 2 T2 s2 p T 3 p3 T3 O O O 用平面坐标上一点可确定其状态 任一状态可在平面坐标上找到对应点 两个变量值可确定平面坐标上的点 31 固 液 液 气 三相线 固体 临界点 气体 固 气 T 常数 p T v 附 纯物质的p v T图 32 气体 临界点 蒸汽 三相线 固体 液体 固 液 液 汽 固 汽 p 常数 T 常数 T v p 水p v T图 33 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 1 5工质的状态变化过程 34 二 可逆过程 reversibleprocess 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 可逆过程与准静态过程的关系 非准静态 单纯传热过程 1 2 可逆过程的判断 系统可返回原来状态 在外界不留下任何变化 准静态 不可逆 可逆 35 非准静态过程 准静态过程 准静态过程 作功过程 p F f pb 不可逆 不可逆 可逆 36 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总效果 3 一切实际过程不可逆 4 内部可逆过程的概念 讨论 Q 不可逆 可逆 可逆 Q Q TA TB 5 可逆过程可用状态参数图上实线表示 37 思考讨论题 容器刚性绝热 逐个抽去隔板 如何 隔板数n 逐个抽去 又如何 抽去隔板 重又平衡 过程性质 准静态 可逆 38 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 1 2 dx p dv pdv 39 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 1 2 w w 膨胀 压缩 6 讨论 有用功 usefulwork W 膨胀功 expansionwork Wl 摩擦耗功 Wp 排斥大气功 pb f 40 用外部参数计算不可逆过程的功 不计活塞质量 例A7001331 例A4002771 过程不可逆 p V关系未知 p0A被移动了H 41 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 广义力 广义微位移 42 三 热量 heat 定义 仅仅由于温差通过边界传递的能量 符号约定 系统吸热 放热 单位 可逆过程热量计算式及T s图 热量是过程量 可用T s图上过程线与s轴包围面积表示 1 2 T s o ds 43 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 比熵变化是传热的标志 4 功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量 热是物系间通过紊乱的微粒运动相互作用而传递的能量 功 2 均为过程量 热是无条件的 热 功是有条件 限度的 44 1 7热力循环 一 热力循环 定义 封闭的热力过程 特性 一切状态参数恢复原值 即 可逆循环 reversiblecycle a b c d b c d a 45 b c a d 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 a b c d wnet qnet 二 动力循环 正向循环 powercycle directcycle 46 b c d b c d a wnet a qnet