蒸汽动力系统：1.1工程热力学基础知识

1、1,第1章,工程热力学基础知识,2,工程热力学,热力学的一个分支，它主要研究热能转变为机械能的规律以及提高转变效率的途径。 主要相关设备：蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、给水泵 二回路生产流程的基本原理,3,热能转变为机械能的基本路径,吸热 膨胀 做功,4,工程热力学的知识体系,1个循环：朗肯循环。目标 两类（4种）热力过程。组成 两个定律：热力学第一、二定律 五个参数：温度、压力、比容、焓、熵 1种工质：水。热力性质,5,工程热力学的重要知识点,工质及其状态参数 功和P-V图，热量和T-S图 稳定流动能量方程与焓 水蒸汽在定压下的形成过程 热力学第二定律 朗肯循环,6,1.1 基本概念

2、,1.1.1 工质和与热力学系统,工质：,实现热能和机械能之间转换的媒介物质。 例如空气、燃气、水蒸气等。,7,热源：,本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。,例如锅炉、循环水池、大气等。,提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。,8,热力学系统：,在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。选取热力系统必须具有足够大的尺寸（物质的微观尺度）。系统以外的物体称为外界或环境。系统与外界之间的分界面称为边界。,9,（1）闭口系统,与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。

3、,边界,闭口系统,外界,10,（2）开口系统,与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。,11,（3）绝热系统,与外界没有热量交换的系统。,（4）孤立系统,与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。,注意：绝热和孤立系统是相对概念。,12,1.1.2 平衡状态及基本状态参数,1. 平衡状态,（1）状态（热力状态）,系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。,13,（2）平衡状态,系统内部各处的宏观性质均匀一致,不随时间而变化的状态称为平衡状态。 达到平衡状态的条件： 1、力平衡（内：压力均匀，外：无压差） 2、热平衡（内：温度均匀，外：无

4、温差） 意义：系统简化为点,14,（3）非平衡状态,系统内部存在不平衡势（温差或压差），因此存在能量或质量传递的宏观物理状况。 非平衡状态的状态参数不确定，不能用状态参数来描写。,15,状态参数的特点：,（4）状态参数,用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。,具有点函数性质，只是状态的函数，与如何达到该状态的过程/路径无关。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。,16,2. 基本状态参数,工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。,（1）压力,单位面积上所受到的垂直

5、作用力（即压强）,单位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 ，,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,17,常用非SI压力单位：,1 bar（巴） = 105 Pa,1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa,1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa,18,压力测量：,绝对压力 p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv,只有绝对压力 p 才是状态参数。,19,（2）温度,温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。,当两个温

6、度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据 。,1）温度的物理意义,20,2）热力学第零定律：,如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。,热力学第零定律是温度测量的理论依据 。,3）温标：,温度的数值表示法。,建立温标的三个要素：,a . 选择温度的固定点，规定其数值；b. 确定温度标尺的分度方法和单位；c. 选择某随温度变化的物性作为温度测量的 依据。,21,摄氏温标:,在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ，纯水的沸点温度为100 ，纯

7、水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01 。,瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t 表示，单位为 。,选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0 100 温度下的体积差均分成100份，每份对应1 。,22,用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T 表示，单位为 K（开）。,热力学温标（绝对温标）:,英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,

8、热力学温标与摄氏温标的关系：,温差:1 K = 1 ,t = T 273.15 K,23,国际单位制（SI）采用热力学温度T作为基本状态参数。,4) 温度的测量,a. 接触式,水银温度计、酒精温度计,热电偶、电阻温度计等。,b. 非接触式,光学辐射高温计,激光全息干涉仪,CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,24,（3）比体积,定义：,单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为 m3/kg 。,密度：,单位体积工质的质量，用符号 表示，单位为 kg/ m3 。,比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。,25,1.1.3 状态方程与状态参数坐标图,（1）状态公理 对于和外界只有热

9、量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v，p、T 或v、T）便可确定它的平衡状态。,26,（2）状态方程式,表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式 。如：,27,（3）状态参数坐标图,在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。,以独立状态参数为坐标的坐标图。,28,1.1.4 准平衡过程和可逆过程,（1）热力过程,系统由一个状态到达另一个状态的变化过程，也简称过程 。 实际过程一定是不平衡的。,29,（2）准平衡过程（准静态过程）,所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。,在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的

10、实线表示。,在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间（在无外界作用时，从非平衡态趋近平衡态所需时间）非常短的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。,30,（3）可逆过程,如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化，这样的过程为可逆过程。,实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等 。,可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件：准平衡过程无耗散效应（无摩擦、粘性扰动、温差传热等，即无功的损失）。,31,1.1.5 示功图与示热图,热力系统与外界之间的2种能量交换形式： 1、功W： W0系统对外界

11、做功, W0 系统吸收外界的热量, Q 0 系统对外界放热量, 用热力过程线，记载功：示功图，P-V图 用热力过程线，记载热：示热图，T-S图,32,1. 功量与示功图,(1) 膨胀功,工质在体积膨胀时所作的功称为膨胀功。,符号：W,单位：J 或 kJ,对于微元可逆过程，,对于可逆过程12：,33,单位质量工质所作的膨胀功用符号w 表示，单位为J/kg 或 kJ/kg。,膨胀：dv 0 , w 0,压缩：dv 0 , w 0,34,(2) 示功图（p-v图）,w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积来表示 。 功是过程量而不是状态量。,35,2. 热量与示热图,（1）热量,系统与外界之间依靠

12、温差传递的能量称为热量，符号为Q ，单位为J 或kJ。,单位质量工质所传递的热量用q 表示，单位为 J/kg 或 kJ/kg。,热量正负的规定：,系统吸热：q 0 ;,系统放热：q 0 。,热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量。,36,在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式具有相同的形式。,功量：,热量：,s 称为比熵。比熵同比体积 v 一样是工质的状态参数。,比熵的定义式：,（可逆过程）,比熵的单位为J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。,37,对于质量为 m 的工质，,S为质量为 m 的工质的熵，单位是 J/K。,根据熵的变化判断

13、一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：,38,（2）示热图（T-s图）,在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s 图（温熵图）上过程曲线下的面积来表示。,温熵图也称示热图,39,P-V图与T-S图的对比,理解S的来历：,40,1. 功量与示功图,功与膨胀功 功与压容图：示功图,41,功与膨胀功,功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。,膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。,压缩：dv 0 , w 0（水泵、压气机）,膨胀：dv 0 , w 0（汽轮机、燃机）,42,设气缸中盛有1kg气体，缸内装有一个无摩擦可移动的活塞，其截面积为f，若缸内气体压力为P，作用于活塞外测的力为

14、Fout，且作用于活塞里侧的力Pf稍大于外侧的力Fout，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动dx的距离。则缸内气体对活塞所作的功为： 当此1kg气体从状态1变化到状态2时，所作的膨胀功为： （J/kg）,43,功与压容图,功在p-v图上可用过程线与v轴包围的面积表示。,45,2. 热量与示热图,46,功 与 热量,作功 与 传热 是能量传递的两种基本方式 “功”是由压力差的作用而传递的能量； “热量”是由温差的作用而传递的能量。 二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。,47,示功对示热的示范,功：,热量：,比熵的定义式：,比熵的单位为J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。,热量与温熵图,热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程中过程中的传热量可表示如下： 由此得到熵的定义式：,p-v图和T-s图,功可用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示；热量可用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示，所以p-v图和T-