热力学完整ppt课件

复习内容 第一章基本概念及定义 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 3 一 热能动力装置 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 燃气动力装置内燃机燃气轮机装置喷气发动机 蒸汽动力装置电厂蒸汽动力装置 1 1热能和机械能相互转换的过程 热能动力装置的共性 能量转换的媒介 工质 燃气 蒸汽 膨胀 作功 压缩 耗功 双热源 吸热 放热 热能动力装置的共性 动力装置模化成双热源示意图 共性可总结为 工作介质经历吸热 膨胀作功 排热过程 6 1 2热力系统 热力系 系统 体系 外界和边界 系统 人为分割出来 作为热力学研究对象的有限物质系统 外界 与体系发生质 能交换的物系 边界 系统与外界的分界面 线 一 定义 7 闭口系 控制质量CM 没有质量越过边界 开口系 控制体积CV 通过边界与外界有质量交换 按系统与外界质量交换 三 热力系分类 8 简单可压缩系 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 与外界无热量交换 孤立系 与外界无任何形式的质能交换 按能量交换 以系统与外界关系划分 有无是否传质开口系闭口系 是否传热非绝热系绝热系 是否传热 功 质非孤立系孤立系 区分 10 1 3工质的热力学状态和基本状态参数 热力学状态 系统宏观物理状况的综合状态参数 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 11 四 温度和温标 温度的定义 测温的基础 热力学零定律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 热力学温标和国际摄氏温标 12 五 压力 绝对压力p 表压力pe pg 真空度pv 当地大气压pb 压力 常用单位 1kPa 103Pa1bar 105Pa1MPa 106Pa1atm 760mmHg 1 013 105Pa1mmHg 133 3Pa1at 1kgf cm2 9 80665 104Pa 14 1 4平衡状态 状态方程式 坐标图 平衡状态 一个热力系统 如果在不受外界影响的条件下 系统的状态能始终保持不变 则系统的这种状态叫做平衡状态 15 平衡状态 温差 热不平衡势压差 力不平衡势相变 相不平衡势化学反应 化学不平衡势 不存在不平衡势差 即同时处于热平衡 力平衡 相平衡和化学平衡 平衡的本质 势差 平衡状态 不平衡状态 16 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 去掉外界影响 则状态变化 稳定不一定平衡 但平衡一定稳定 17 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 且物系中各处的状态参数相同 18 准平衡过程的定义 若过程进行得相对缓慢 工质在平衡被破坏后自动恢复平衡所需的时间 即所谓弛豫时间又很短 工质有足够的时间来恢复平衡 随时都不致显著偏离平衡状态 那么这样的过程就叫做准平衡过程 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 1 5工质的状态变化过程 19 准平衡过程的实质 压差作用下的准平衡 温差作用下的准平衡 工质与外界的压差和温差均为无限小 平衡点1 平衡点2 平衡点3 压差 不平衡 不平衡 温差 压差 温差 20 可逆过程定义 二 可逆过程和不可逆过程 当工质完成某一热力过程之后 若能沿原来路径逆向进行 能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹 反之 为不可逆过程 可逆过程只是指可能性 并不是指必须要回到初态的过程 21 可逆过程的实现 准平衡过程 无耗散效应 可逆过程 不平衡势差无限小 不平衡势差耗散效应 耗散效应 不可逆根源 22 准静态过程与可逆过程区别 准静态过程 工质内部平衡过程 外部可以不平衡 可逆过程 工质内部 工质与外界处于平衡状态 且无摩擦 可逆过程必然是准静态过程 而准静态过程却不一定是可逆过程 23 功的热力学定义 功是系统与外界相互作用的一种方式 在力的推动下 通过有序运动方式传递的能量 且全部效果可表现为举起重物 1 6过程功和热量 24 功的符号约定系统对外界做功为正 外界对系统做功为负 有用功及功的符号约定 功不是状态参数 而是过程函数 容积功 只与压力和体积变化有关 既适用于封闭热力系也适用于开口热力系 功的特性 25 可逆过程的功 V p 1 2 dv dx 功的量不但同初终状态有关 而且同过程经过的路径有关 是过程量 而不是状态参数 26 过程热量 热量定义 热量是热力系与外界相互作用的另一种方式 在温差的推动下 以微观无序运动方式通过边界传递的能量 符号约定 系统吸热 放热 27 过程热量计算 28 循环和过程 循环由过程组成 过程分 可逆 不可逆 循环定义 工质经过一系列的过程后又回到初始状态 则称工质经历了一个循环 29 正向循环 顺时针 wnet q1 q2 wnet 输出功 吸热 30 逆向循环 输入功 输出热 逆时针方向 wnet q1 q2 wnet 六 循环经济性指标 动力循环 热效率 逆向循环 制冷系数 供暖系数 第二章热力学第一定律 2 1第一定律实质2 2热力学能和总能2 3能量传递和转化2 4焓2 5基本能量方程式2 6开口系统能量方程式2 7能量方程式应用 热是能的一种 机械能变热能 或热能变机械能时 它们间的比值是一定的 或 热可以变成功 功也可以变成热 一定量的热消失时必产生相应量的功 消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热 热力学第一定律的描述 在能量的转换过程中能量的总量保持不变 34 热力学能 内动能 f T 内位能 f v T 气体的热力学能既然决定于它的温度和比体积 也就决定于它的状态 因此 热力学能也是气体的状态参数 考虑到气体的内动能决定于气体的温度 内位能决定于气体的温度和比体积 所以气体的热力学能是温度和比体积的函数 即 2 2热力学能和总能 内能是状态量 35 内能 U 宏观 动能Ek 势能Ep 微观 内部 总能 E 宏观 外部 总能 36 2 3能量的传递与转换 1功和热 能量传递的两种方式 做功和传热功量与热量都是系统与外界所传递的能量 而不是系统本身的能量 其值并不由系统的状态确定 而是与传递时所经历的具体过程有关 功量和热量不是系统的状态参数 而是与过程特征有关的过程量 37 推动功和流动功 推动功 工质在开口系中流动而传递的功 Wpush pAdl pV 流动功 系统为维持工质流动所需的功 注 推动功只有在工质移动位置时才起作用 38 2 4 焓 在开口系中由于有工质流动 热力学能u与推动功pv必然同时出现 所以焓可以理解为由于工质流动而携带的 并取决于热力状态参数的能量 焓对于开口系有上述物理意义 对闭口系不再具有上述物理意义 焓是状态参数 39 H U pV kJ h u pv kJ kg 2 4 焓 因热工计算中时常出现U pV 所以把它定义为焓H 40 2 5热力学第一定律基本能力方程式 适用于任何系统 任何过程 进入系统的能量 离开系统的能量 系统中储存能量的增加 热力学第一定律基本表达式 E E dE 热力系 41 U U U 闭口系 闭口系 闭口系统能量方程 闭口系中工质从外界吸热Q 从状态 变化到状态 并对外界作功W 忽略工质宏观动能和宏观位能 则工质储存能的增量全部为热力学能增量 U 可得 或 任何工质 包括理想气体 实际气体 甚至液体 任何过程 可逆过程或不可逆过程 应用闭口系统能量方程时 注意Q W的符号 闭口系统能量方程总结 mkg工质经过有限过程 mkg工质经过微元过程 1kg工质经过有限过程 1kg工质经过微元过程 闭口系统能量方程 43 当流动系统中 包括进 出口截面上 各点的热力学状态及流动情况 流速 流向 不随时间变化时 称系统处于稳态稳流 1 系统各截面状态参数不随时间变化 2 系统与外界的能量交换不随时间变化 3 系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化 稳定流动能量方程 44 稳定流动系统的能量平衡 任何流动的工质 任何稳定流动过程 单位质量工质 微元过程 45 技术功的图表表示 技术功 膨胀功 流动功 46 闭口系统和稳定开口系的方程 膨胀功w 技术功wt 闭口系 稳定流动系 等价 轴功ws 流动功 pv 47 热力学问题经常可忽略动 位能变化 2 7能量方程式的应用 48 动力机 1 忽略动能差2 位能差3 绝热轴功是由焓的变化转变而来的 q 0ws h h1 h2 0 49 换热器 没有做功的部分 高温工质 低温工质 h2 h1 h2 焓的变化 高温工质 低温工质 忽略动能差 位能差 h1 50 喷管 扩压管 喷嘴 减小压力 增大速度 扩压器 减小速度 增大压力 51 绝热节流 h1 h2 忽略动能差 位能差 52 3 1理想气体的概念3 2理想气体的比热容3 3理想气体的热力学能 焓和熵3 4水蒸气的饱和状态和相图3 5水的汽化过程和临界点3 6水和水蒸气的状态参数3 7水蒸气表和图 第三章气体和蒸汽的性质 53 一 理想气体模型 1 理想气体 理想假设 分子是弹性的 无体积质点 分子间无作用力 U u T 没有内位能 气体分子的运动规律极大地简化了 分子两次碰撞之间为直线运动 且弹性碰撞无动能损失 3 1理想气体的概念 54 压力比较低 体积大 常温 高温 远离液态的稀薄气体 理想气体的条件 T 常温 p 7MPa双原子分子 理想气体 O2 N2 Air CO H2 理想气体是不存在的 什么样的气体可以简化成理想气体 55 2 实际气体 不符合理想气体假设 水蒸气 制冷工质是实际气体 因为 这类物质临界温度较高 蒸气在通常的工作温度和压力下离液态不远 56 气体常数 Rg 理想气体状态方程 科拉贝隆方程 波尔兹曼常数 Rg 与气体种类有关 与气体状态无关 单位 变量 P v T 57 摩尔气体常数 摩尔气体常数 通用气体常数 既与气体状态无关也与气体性质无关的普适恒量 58 比热容C可用于计算热力学能U 焓H 热量Q 熵S等 定义C 1kg物质温度升高1K或1oC所需的热量 3 2理想气体的比热容 一 比热容的定义 59 1 cv cp 确定的过程可看作是状参 cV 定容过程单位质量增加1度时的热力学能增量 cp 定压过程单位质量工质增加1度时焓的增量 60 2 Rg 3 对理想气体 cp cv 1 cp f T cV f T cp cV Rg 61 3 3理想气体的热力学能 焓和熵 对于理想气体 任何一个过程的热力学能变化量都和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等 任何一个过程的焓变化量都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等 62 3 3理想气体的热力学能 焓和熵 理想气体的等温线即等热力学能线 等焓线 63 1 2 对于理想气体的任何一种过程cv 热力学能 热力学第一定律解析式 定压过程 如果 则 64 1 2 cp 定值 3 cp 平均值 理想气体焓 65 状态参数熵 1 定义 ds是此微元可逆过程中1kg工质的熵变 称为比熵变 66 3 5水的汽化过程和临界点 工业上所用的水蒸气都是在定压加热设备中产生的 一般经过三个阶段 预热阶段 未饱和水 饱和水 汽化阶段 饱和水 干饱和蒸汽 过热阶段 干饱和蒸汽 过热蒸汽 水蒸气定压生成过程 二 水定压加热汽化过程的p v图及T s图 一点临界点 两线 饱和液线饱和蒸汽线 三区 液 汽液共存 汽 五态 未饱和水 饱和水 湿蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽 68 4 1理想气体的可逆多变过程4 2定容过程4 3定压过程4 4定温过程4 5绝热过程4 6理想气体热力过程综合分析4 7水蒸气的基本过程 第4章气体和蒸汽的基本热力过程 4 2定容过程 1 过程方程v 定值 2 状态参数关系式 3 定容过程的过程曲线 可知定容过程线在T s图上为一指数曲线 曲线的斜率是 3 定容过程的过程曲线 p v T s 1 2 1 2 4 2定容过程 4 功和热量 内能变化量 焓的变化量 容积功 热量 定容过程的功和热量的计算 4 2定容过程 技术功 1 过程方程p 定值 2 状态参数关系式 3 定压过程的过程曲线 可知定压过程线在T s图上为一指数曲线 定压过程曲线的斜率是 定容过程曲线的斜率是 4 3定压过程 定压过程的p v图和T s图 p v T s 2 1 2 v 4 3定压过程 4 功和热量 内能变化量 焓的变化量 容积功 热量 技术功 4 3定压过程 定压过程VS定容过程的p v图和T s图 p v T s 2 1 2 v 定压过程VS定容过程 1 v 定温过程的p v图和T s图 p v T s 1 2 1 2 4 4定温过程 理想气体的热力学能 焓都是温度的单值函数 故定温过程也是定热力学能过程和定焓过程 4 功和热量 内能变化量 焓的变化量 容积功 热量 技术功 因 可知定温过程的比热容 所以不能用定温过程的比热容来计算热量 定温过程的功和热量的计算 4 4定温过程 定值 流动功为0 适用于理想气体 定熵过程的p v图和T s图 p v T s 1 2 1 2 T 4 5绝热过程 4 功和热量 内能变化量 焓的变化量 容积功 热量 技术功 4 5绝热过程 可逆绝热过程是定熵过程 5 1热力学第二定律5 2卡诺循环5 3卡诺定理5 4熵 热力学第二定律表达式5 5熵方程5 6孤立系统的熵增原理5 7火用参数的基本概念和热量火用5 8工质火用及火用平衡方程 第五章热力学第二定律 不可能从单一热源取热 并使之完全转变为有用功而不产生其它影响 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功 而必须将某一部分传给冷源 开尔文 普朗克表述 热力学第二定律的开尔文说法 不可能制造出从单一热源吸热 使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机 克劳修斯表述 热量不可能自发地 不付代价地从低温物体传至高温物体 空调 制冷 代价 耗功 热力学第二定律的实质 1 卡诺循环 卡诺循环是工作于温度分别为T1和T2的两个热源之间的正向循环 由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成 v p T TH TL a b d c s1 s2 d b a c q1 q2 q1 q2 s s TL TH T T s 1 卡诺循环 1 t c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关 卡诺循环效率小结 2 T1 t c T2 t c 温差越大 t c越高 4 当T1 T2时 t c 0 单热源热机 第二类永动机 不可能 3 T1 K T2 0K t c 100 热二律 恒温热源 5 实际循环不可能实现卡诺循环 原因 a 一切过程不可逆 b 气体实施等温吸热 等温放热困难 c 气体卡诺循环wnet太小 若考虑摩擦 输出净功极微 卡诺循环效率小结 6 卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向 恒温热源 2 概括性卡诺循环 T h d b a c q1 q2 TL TH n g m s 回热 提供了一个提高热效率的途径 如燃气轮机装置 大中型蒸汽动力装置 如果吸热和放热的多变指数相同 4 多热源的可逆循环 T D C m A B n s Th Tl h a b c d g e 工作于两个热源间的一切可逆循环的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环 l s 循环热效率归纳 适用于一切循环 任意工质 多热源可逆循环 任意工质 卡诺循环 概括性卡诺循环 任意工质 卡诺定理1 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环 其热效率都相等 与可逆循环的种类无关 与采用哪一种工质无关 5 3卡诺定理 定理2 在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环 其热效率必小于可逆循环 卡诺提出 卡诺循环效率最高 即在恒温T1 T2下 5 3卡诺定理 卡诺循环小结 在两热源间工作的一切可逆循环 它们的热效率相同 与工质的性质无关 只决定于热源和冷源的温度 温度界限相同 但是有两个以上热源 多热源 的可逆循环 其 t c 不可逆循环的 It必定小于同等条件下的可逆循环 t 卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件 指出了提高热机热效率的方向 是研究热机性能不可缺少的准则 对热力学第二定律的建立具有重大意义 对于可逆循环 工质温度等于热源温度 T Tr S 熵 状态参数 状态参数熵的导出 克劳修斯积分含义 一切可逆循环的克劳修斯积分等于零 一切不可逆循环的克劳修斯积分小于零 任何循环的克劳修斯积分都不会大于零 可以利用来判断一个循环是否能进行 是可逆循环 还是不可逆循环 热力学第二定律的数学表达式 可逆 不可逆 热力学第二定律的数学表达式 判断微元过程是否可逆的热力学第二定律的数学表达式 可逆 不可逆 用于判断热力过程是否可逆的热力学第二定律的数学表达式的积分形式 可逆 不可逆 第二定律数学表达式 讨论 1 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律 2 热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据 熵增大原因 主要是由于耗散作用 使损失的机械功转化为热能 耗散热 被工质吸收 内部存在的不可逆耗散是绝热闭口系统熵增大的唯一原因 其熵变量等于熵产 不可逆绝热过程分析 闭口系 控制质量 熵方程 由热流引起的那部分熵变称为热熵流 简称熵流 为熵产 为熵流 表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程 表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程 使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的 或 孤立系熵增原理 孤立系统必为绝热系统 孤立系统熵增原理 孤立系统的熵只能增大 或者不变 绝不能减小 第七章气体和蒸汽的流动 1 沿流动方向上的一维问题 取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值 2 可逆绝热过程 流体流过管道的时间很短 与外界换热很小 可视为绝热 另外 不计管道摩擦 稳定流动 流体在流经空间任何一点时 其全部参数都不随时间而变化的流动过程 简化假设 7 1稳定流动的基本方程式 Ma0 截面扩张 1 喷管 dcf 0 的截面形状与流速间的关系 缩放喷管 拉伐尔喷管 缩放喷管可实现气流从亚声速变为超声速 在喷管最小截面 喉部截面或临界截面 处Ma 1 在临界截面处的参数称为临界参数 以下标cr表示 如 Ma 1 超声速流动 dA0 截面扩张 2 扩压管 dcf 0 的截面形状与流速间的关系 第八章压气机的热力过程 V 1 2 a b p V V2 p2 0 a 1 气体引入气缸 1 2 气体在气缸内进行压缩 2 b 气体流出气缸 输向储气筒 不是热力过程 只是气体的