能源与动力专业英语

1.1工程热力学基础热力学是研究能量储存、转化和传递的科学。 以能量内能(与温度相关)、动能(与物体运动相关)、势能(与高度相关)、化学能(与化学组成相关)的形式储存。 不同形式的能量可以相互转化，而且能量可以在边界以热和功的形式传递。在热力学中，我们就能量的转化和传递以及物性参数，如温度、压力和密度等关系推导方程式。 因此，在热力学中物质及其性质非常重要。 许多热力学方程基于实验观察，这些实验观察的结果已经整理成数学公式和法则形式。 其中热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。1.1.1热系统和控制体热系统是被某个封闭边界包围的具有一定质量的物质系统。 系统边界通常比较清晰，例如气缸中气体的固定边界。 然而，系统边界可以是虚拟的(例如，当一定质量的流体在泵中流动时不断变形的边界)。系统以外的所有物质和空间统称外界或环境。 热力学主要研究系统与外界或系统与系统的相互作用。 系统通过在边界进行能量传递与外界相互作用，但在边界没有质量交换。 当系统和外界之间没有能量交换时，这样的系统被称为孤立系统。大多数情况下，只关心物质流入或流出空间的特定体积，分析就会简化。 这样的特定体积称为控制体。 例如，泵、涡轮、充气、排气的气球都是控制体的例子。 包含控制体的表面称为控制表面。因此，对于具体的问题，必须决定选择系统作为研究对象是有利的，还是选择控制体是有利的。 当边界有质量交换时，选择控制体是有利的，相反，必须选择系统作为研究对象。1.1.2平衡、工艺和周期某些参考系统假定系统内各点的温度完全相同。 物质内部各点的特性参数相同，不随时间变化时，系统处于热力学平衡状态。 当系统边界某部分的温度急剧上升时，系统内的温度在任何地方都会自发地再分布到相同为止。当系统从一个平衡状态转变到另一个平衡状态时，系统经历的一系列中间状态的变化历史称为过程。 在从一个状态到另一个状态的过程中，总是无限远离平衡状态，这个过程被称为准静态过程，并且任何中间状态可以被认为是平衡状态。 准静态过程可以被认为是许多过程的叠加结果，而不会显着降低其精度，例如内燃机内的气体压缩和膨胀。 当系统经历一系列不平衡状态(例如燃烧)而从一个平衡状态转换到另一个平衡状态时，这一过程就是不平衡过程。据说，从给定系统的初始状态经过一系列的中间过程再次回到初始状态时，系统经历了循环。 循环结束后，系统中的每个参数都与初始参数相同。如果在其中一个属性参数名称前加上前缀iso-，则表示该参数不会在整个进程中更改。 等温(isothermal )中温度不变等压(isobaric )中的压力一定等容中体积不变。1.1.3纯物质的气液相平衡如图1-1(a )所示，由活塞和气缸构成的装置中装有1kg水。 假设活塞及其上方的重物将气缸内压力维持在0.1Mpa，初始温度维持在20。 当热量开始传递给水时，缸内水温急速上升，比容积稍微增加，缸内压力保持一定。 水温达到99.6时，如果进一步增加传热量，则如图1-1(b )所示，水发生相变。 也就是说，一部分水开始汽化变成蒸汽，在这个相变过程中温度和压力没有变化，但比容却大幅度增加。 最后一滴液体汽化，再加热，蒸汽温度和比容积就会增加。在规定的压力下气化的温度称为饱和温度，压力称为规定温度下的饱和压力。 因此，99.6水的饱和压力为0.1MPa，0.1MPa的水的饱和温度为99.6。某种工业物质是液体，在其饱和温度和饱和压力下，该液体称为饱和液体。 在液体的温度低于当前压力下的饱和温度的情况下，液体被称为过冷却液体(表示液体的当前温度低于规定压力下的饱和温度)或者压缩液体(表示液体的当前压力大于规定温度下的饱和压力)。在规定的压力下气化的温度称为饱和温度，压力称为规定温度下的饱和压力。 因此，99.6水的饱和压力为0.1MPa，0.1MPa的水的饱和温度为99.6。某种工业物质是液体，在其饱和温度和饱和压力下，该液体称为饱和液体。 在液体的温度低于当前压力下的饱和温度的情况下，液体被称为过冷却液体(表示液体的当前温度低于规定压力下的饱和温度)或者压缩液体(表示液体的当前压力大于规定温度下的饱和压力)。某种工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，蒸汽质量与总质量之比称为干燥度。 因此，如图1-1(b )所示，若蒸汽质量为0.2kg、液体质量为0.8kg，则干燥度为0.2或20% . 干燥度只有在饱和状态下才有意义。某种工业质量在饱和温度下以蒸汽的形态存在的话，将该蒸汽称为饱和蒸汽(有时也称为干饱和蒸汽，意味着将其干度强调为100% )。 蒸汽温度高于饱和温度时，称为过热蒸汽。 过热蒸汽的压力和温度是独立的。 即使温度上升，压力也有可能保持不变。在图12所示的温度比较图中画出等压线，表示在水压0.1MPa、初始温度20下水被加热的过程。 点a为初始状态，点b为饱和液体(99.6)，线ab表示从初始温度将液体加热至饱和温度的过程。 点c表示饱和蒸汽状态，线BC表示等温过程，即液体汽化变成蒸汽的过程。 曲线CD表示在等压条件下将蒸汽加热至过热的过程，在此过程中温度和比容积增大。类似地，线路IJKL表示10MPa的压力下的等压线，并且对应的饱和温度为311.1。 但是，在压力为22.09MPa的条件下(管线MNO )，不存在等温蒸发过程。 相反，点n是转折点，在该点切线的斜率为零，通常将n点称为临界点。 在临界点，饱和液体和饱和气体的状态相同。 临界点的温度、压力、容积分别称为临界温度、临界压力、临界容积。 一些工程临界点数据见表1-1。1.1.4热力学第一定律通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。 在基础物理课程中，能量守恒定律着重于动能、势能的变化、与工作的相互关系。 更常见的能量守恒形式包括传热效应和内部能量的变化。 当然，也包括静电能、磁场能、应变能、表面能等其他形式的能。历史上用热力学第一定律来描述循环过程。 净热传导等同于循环过程中给系统的净功。1.1.5热力学第二定律热力学第二定律有多种表现形式。 这里列举了克劳狄表现和开尔文普朗克表现两种。克劳迪斯说，唯一的功能是制造从低温物体向高温物体传热的循环设备是不可能的。以冰箱(或热泵)为例，如图1-3(a )所示，不输入功能就不能制作从低温物体向高温物体传热的冰箱。开尔文普朗克说，从单一的热源制造吸热和工作的循环设备是不可能的。换句话说，从某个热源吸热，向外部工作，制造不与低温热源进行热交换的热机是不可能的。 因此，如图1-3(b )所示，该表示不存在工作效率为100%的热机。1.1.6卡诺循环卡诺机是低温热源和高温热源之间运转效率最高的热机。 卡诺机是理想的热机，利用多个可逆过程构成循环过程，这种循环被称为卡诺循环。 卡诺机器非常有用，因为它的运转效率是实际热机的最大可能效率。 因此，如果实际发动机的效率远低于在相同条件下的卡诺机构的效率，则有可能通过改进该发动机来提高效率。理想卡诺循环包括4个可逆过程，如图1-4所示： 12等温膨胀； 23绝热可逆膨胀； 34等温压缩； 41可逆绝热压缩。 卡诺循环的效率为：小时，可以提高TH (提高吸热温度)，也可以降低TL (降低散热温度)，从而提高循环效率。1.1.7朗肯循环我们感兴趣的第一类动力循环被电力生产工业采用，也就是说，动力循环运行是工业质量相变，从液体变为气体。 最简单的蒸汽-动力循环是朗肯循环，如图1-5(a )所示。 朗肯循环的主要特征之一是泵少功能将高压水输送给锅炉。 其可能的缺点是，工质在蒸汽机内膨胀成功后，通常进入湿蒸汽区，形成可能损伤汽轮机叶片的液滴。朗肯循环是理想的循环，忽略了四个过程的摩擦损失。 这些损失通常很小，因此初始分析可以完全忽略。 朗肯循环由4个理想的过程构成，其T-s图如图1-5(b )所示： 12是泵内的等熵压缩过程23是炉内定压吸热过程34是汽轮机内的等熵膨胀的工作过程41是冷凝器的内压散热过程。泵被用来增加饱和液体的压力。 实际上，状态1和状态2大致相同，因为从两点开始的相对高压下的吸热过程线非常接近饱和曲线，所以在图中为了便于说明而分别表示。 锅炉(也称蒸汽发生器)和冷凝器是热交换器，不需要工作也不需要工作。忽略动能和势能的变化，输出的净功等于T-s曲线下的面积，即图1-5(b )中1-2-3-4-1包围的面积，可以用热力学第一定律证明。 循环中工质的吸热量与面积a-2-3-b-a相对应。 因此，朗肯循环的热效率也就是说，热效率h等于输出能量除以输入能量(购买能量)。 很明显，通过增大分子或减小分母来提高热效率。 这能够通过增大泵出口压力p2，提高锅炉出口温度T3，或者降低蒸汽机出口压力p4来实现。1.1.8再热循环在高锅炉压力和低冷凝器压力条件下的朗肯循环中，很难阻止在汽轮机低压部形成液滴。 许多金属经不起600以上的高温，通常采用再热循环来防止液滴的形成。再热过程中，通过汽轮机的蒸汽的一部分在某个中间压力下再热，如图16所示，蒸汽温度上升到状态5。 然后，该部分的蒸汽进入汽轮机低压缸，进入冷凝器(状态6 )。由于再热循环方式能够控制或完全消除汽轮机中的湿汽问题，通常汽轮机分为高压缸和低压缸两部分。再热循环不影响循环的热效率，但如图1-6的面积4-5-6-4所示，产生了显着的额外输出。 当然，再热循环需要大量的投资，这些设备的使用效果必须通过大量增加的输出和经济分析来判断。 如果不采用再热循环回避液滴的形成，冷凝器出口压力必须相当高，循环热效率低。 从这个意义上说，与没有再热循环且冷凝器出口压力高的循环相比，再热可以显着提高循环效率。1.2流体力学的基础流体运动表现出各种运动形式。 有的可以简单地说明，其他的则需要完全理解内在的物理法则。 在工程应用中，尽量简单地记述流体运动是很重要的。 简化的程度取决于通常精度的要求，通常可以接受10%左右的误差，但在一些工程应用中要求很高的精度。 因为描述运动的一般方程式一般很难解，所以工程师有责任理解可以做出什么样的简单假设。 当然，这需要丰富的经验，更重要的是深刻理解与流动相关的物理意义。简化流动状态的一般前提与流体性质有关。 例如，在粘性在一些条件下对流体有显着影响的其他条件下，忽略粘性效应的影响可以显着简化方程，但是不会显着改变计算结果。 已知气体速度高时必须考虑压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度或预测风力直接影响的其他物理量时，不考虑空气的压缩性。 学习流体运动学后，明确了采用什么样的适当假设。 现介绍分析流体力学问题的一般重要方法，并简要介绍不同类型的流程。1.2.1拉格朗日运动描述和欧拉运动描述描述流场时，着眼于流体质点是非常方便的。 每个质点都含有微小质量的流体，它由大量的分子构成。 质点占小体积，随流体流动而移动。 在非压缩流体中，体积大小不变，但可能变形。 可压缩流体不仅体积变形，大小也变化。 在这两种情况下，都将所有质点视为一个整体在流场中运动。质点力学主要研究单一质点，质点运动是时间的函数。 任何质点的位移、速度和加速度也可以计算s(x0，y0，z0，t )、V(x0，y0，z0，t )、a(x0，y0，z0，t )和其他相关参数。 坐标(x0，y0，z0)表示质点的开始位置，也是每个质点的名称。 这是拉格朗日运动描述，以约瑟夫l拉格朗日的名称命名，该描述方法通常用于质点动力学分析。 拉格朗日法追踪多个质点的运动过程，考虑质点间的相互作用。 但是，由于实际流体质点的数量很多，用拉格朗日法研究流体的流动是非常困难的。跟踪各个流体的质点的另一个方法是，着眼于空间点，通过观察质点通过各个空间点时的质点速度，能否得到质点通过各个空间点时的速度变化率。 x，什么V/？ y，什么V/？ z； 您能否计算一个时间点的速度是否随时间变化？ V/？ t。 这种记述方法被称为欧拉运动记述，以莱昂哈德欧拉的名字命名。 在欧拉法中，速度等流动参数是空间和时间的函数。 在正交笛卡尔坐标系中，由V=V(x，y，z，t )表示加速度。 我们研究的流动领域叫做流场。1.2.2跟踪和流线可以使用两条不同的流线来描述流域。 跟踪是由某个特定质点在流场中移动时通过的不同空间点形成的跟踪，记录质点的“历史”位置。 能够在一定的曝光时间内拍摄发光粒子的运动轨迹。流线是具有流线上的点处的任意质点的速度向量与流线相接触(即vdr=0)的特性的线。 这是因为v和dr具有相同方向，具有相同方向的两个向量的乘积等于零。 与轨迹线相比，流线不能直接用照相机拍摄得到。 对于一般的非常流动，可以从大量质点的短迹线照片推测流线的形状。1.2.3一维、二维、三维流程一般来说，欧拉运动描述的速度向量依赖于三个空间变量和时间变量，即V=V(x，y，z，t )。 由于这种流程的速度向量依赖于3个空间坐标，因此将其称为三维流程。 三维流程求解非常困难，超出了序言范围。 即使流是稳定的(例如，V=V(x，y，z ) )，