工程热力学第1章基本概念及定义ppt课件

1、第一章第一章 根本概念根本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参数工质的热力学形状及其根本形状参数1-4 平衡形状、形状方程式、坐标图平衡形状、形状方程式、坐标图1-5 工质的形状变化过程工质的形状变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环一、热能动力安装一、热能动力安装(Thermal power plant) 定义：从燃料熄灭中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分分类类气体动力安装气体动力安装(combustion gas power plant) 内燃机内燃机(intern

2、al combustion gas engine) 燃气轮机安装燃气轮机安装(gas turbine power plant) 喷气发动机喷气发动机(jet power plant) 蒸气动力安装蒸气动力安装 (steam power plant)1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 二、工质二、工质(working substance; working medium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求对工质的要求:物质三态中物质三态中气态最适宜。气态最适宜。 1膨胀性 2流动性 3热容量 4稳定性，平安性

3、5对环境友善 6价廉，易大量获取三、热源三、热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中汲取或向之排出热能的物质系统。 高温热源高温热源热源热源 heat source 低温热源低温热源冷源冷源heat sink 恒温热源恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源变温热源蒸汽动力安装中热能转变为机械能的过程蒸汽动力安装中热能转变为机械能的过程过热器过热器134 锅炉锅炉给水泵给水泵汽轮机汽轮机发发电电机机冷冷凝凝器器26冷却水冷却水 热能动力安装的任务过程：热能动力安装的任务过程： 工质自工质自高温热源高温热源吸热吸热将其中一部分将其

4、中一部分转化为机械能转化为机械能而作功而作功把余下部分把余下部分传给传给低温热源低温热源第一章第一章 根本概念根本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参数工质的热力学形状及其根本形状参数1-4 平衡形状、形状方程式、坐标图平衡形状、形状方程式、坐标图1-5 工质的形状变化过程工质的形状变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环1-2 热力系统热力系统 系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学研讨对象的有限物质系统。人为分割出来，作为热

5、力学研讨对象的有限物质系统。 外界(surrounding )：系统之外的一切物质统称为外界或环境。系统之外的一切物质统称为外界或环境。 边境(boundary)：系统与外界的分界面。系统与外界的分界面。一、定义一、定义系统与外界的作用都经过边境系统与外界的作用都经过边境 汽缸-活塞安装 二、系统及边境例如二、系统及边境例如二、系统及边境例如二、系统及边境例如 汽车发动机边境特性边境特性固定、活动固定、活动真实、虚拟真实、虚拟闭口系闭口系closed system 系统与外界之间没有物质交换，只需能系统与外界之间没有物质交换，只需能量交换量交换.控制质量系。控制质量系。开口系开口系open s

6、ystem 系统与外界之间既有物质系统与外界之间既有物质 交换，又有能量交换。交换，又有能量交换。 控制容积系统。控制容积系统。 (1) 按系统与外界能否进展质量交换按系统与外界能否进展质量交换三、热力系分类三、热力系分类2. 按系统与外界能量交换情况划分按系统与外界能量交换情况划分 a: 简单系统简单系统Simple system b: 绝热系统绝热系统Adiabatic system c: 孤立系统孤立系统Isolated system系统与外界只交换热量和一种方式的功。系统与外界只交换热量和一种方式的功。系统与外界之间完全没有热量交换。系统与外界之间完全没有热量交换。系统与外界之间既无物

7、质，又无能量交换。系统与外界之间既无物质，又无能量交换。1234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系 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。留意：留意：3. 简单可紧缩系统简单可紧缩系统simple compressible system 最重要的系统最重要的系统只交换热量和一种体积变化功的系统只交换热量和一种体积变化功的系统体积变化功体积变化功紧缩功紧缩功膨胀功膨胀功三、热力系分类三、热力系分类 按组元数 单元系 由单一化学成分的物质组成

8、，即纯质系统。 多元系 由多种物质组成的系统。 按相数按相数 (一个相是指物质系统在空间上一个均匀的部分，一个相是指物质系统在空间上一个均匀的部分， 例如气相、液相等。例如气相、液相等。) 单相系单相系 复相系复相系留意：留意：1不计恒外力场影响；不计恒外力场影响； 2复相系未必不均匀复相系未必不均匀湿蒸汽；湿蒸汽； 单元系未必均匀单元系未必均匀气液平衡分别形状。气液平衡分别形状。 4. 按组元和相数划分按组元和相数划分第一章第一章 根本概念根本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参数工质的热力学形状及其

9、根本形状参数1-4 平衡形状、形状方程式、坐标图平衡形状、形状方程式、坐标图1-5 工质的形状变化过程工质的形状变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环1-3 工质的热力学形状和根本形状参数工质的热力学形状和根本形状参数 热力学形状 把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理 情况称为工质的热力学形状，简称形状 形状参数 描画物系所处形状的宏观物理量 热力学形状和形状参数热力学形状和形状参数形状参数的特征：形状参数的特征：1、形状确定，那么形状参数也确定，反之亦然、形状确定，那么形状参数也确定，反之亦然2、形状参数的积分特征：形状参数的变化量、形状参数的积分特征：

10、形状参数的变化量 与途径无关，只与初终态有关与途径无关，只与初终态有关3、形状参数的微分特征：全微分、形状参数的微分特征：全微分形状参数的积分特征形状参数的积分特征 形状参数变化量与途径无关，只与形状参数变化量与途径无关，只与初终态有关。初终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化形状参数的微分特征形状参数的微分特征设设 z =z (x , y)dz是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判别能否可判别能否是形状参数是形状参数强度参数

11、与广延参数强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数强度参数：与物质的量无关的参数 如压力如压力 p、温度、温度T广延参数：与物质的量有关的参数广延参数：与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积、容积 V、内能、内能 U、焓、焓 H、熵、熵S比参数：比参数：比容比容VvmUum比内能比内能Hhm比焓比焓Ssm比熵比熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质温度温度T 的普通定义的普通定义传统：冷热程度的度量。传统：冷热程度的度量。微观：衡量分子平均动能的量度微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2热力学第零定律热力学第零定律the

12、zeroth law of Thermodynamics 假设两个物体同时与第三个物体处于热平衡，假设两个物体同时与第三个物体处于热平衡，那么它们彼此也处于热平衡。那么它们彼此也处于热平衡。引出了温度的概念引出了温度的概念 温度的热力学定义温度的热力学定义处于同一热平衡形状的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此一样，用于描画此宏观特征的物理量 温度。 温度是确定一个系统能否与其它系统温度是确定一个系统能否与其它系统处于热平衡的物理量。处于热平衡的物理量。阅阅历历温温标标物质物质 水银，铂电阻水银，铂电阻特性特性 体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值基准点基准点刻度刻度 ScaleReference st

13、ate温标：温标： 温度的数值表示法。温度的数值表示法。温标温标Temperature scale 热力学温标绝对温标热力学温标绝对温标Kelvin scale Britisher, L. Kelvin, 1824-1907 摄氏温标摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744 华氏温标华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736) 朗肯温标朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)常用温标之间的关系常用温标之间的关系绝对绝对K摄氏摄氏

14、华氏华氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点559.67温标的换算温标的换算O273.15T KtCO5( 32)9tCt F 459.67t Ft RTemperature Measurement Devices水银温度计水银温度计thermometer ，酒精温度计，酒精温度计，热电偶热电偶 Thermocouple热电阻热电阻 Resistance temperature detector辐射温

15、度计辐射温度计Radiation thermometer铂电阻温度计铂电阻温度计 Platinum激光全息干涉仪激光全息干涉仪CARS相关反斯托克斯喇曼光谱法相关反斯托克斯喇曼光谱法 2. 压力压力 pressure1压力：单位面积上所受的垂直作用力，用压力：单位面积上所受的垂直作用力，用p表示。表示。2单位：单位：大气压的倍数表示大气压的倍数表示 atm, at液柱的高度表示液柱的高度表示 mH2O, mmHg国际单位制，单位面积上所受的力表示国际单位制，单位面积上所受的力表示 pa常用单位常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106

16、 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa压力压力p丈量丈量绝对压力与环境压力的相对值绝对压力与环境压力的相对值 相对压力相对压力留意：只需绝对压力留意：只需绝对压力 p 才是形状参数才是形状参数U-tube manometerBourdon Tube绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p p0 活塞上行活塞上行 中间形状：不平衡形状中间形状：不平衡形状 中间过程：不平衡过程中间过程：不平衡过程准静态过程准静态过程p1

17、= p0+重物重物p，Tp0假设重物有无限多层假设重物有无限多层每次只去掉无限薄一层每次只去掉无限薄一层pv12. . . .系统随时接近于平衡态系统随时接近于平衡态实现条件实现条件 ： 推进过程进展的势差温差，压差无限小，推进过程进展的势差温差，压差无限小，保证系统在恣意时辰皆无限接近于平衡形状。保证系统在恣意时辰皆无限接近于平衡形状。特点：特点： 是实践过程进展的无限缓慢的极限情况，是热是实践过程进展的无限缓慢的极限情况，是热力学意义上的缓慢。力学意义上的缓慢。益处：益处： 1可用确切的形状参数描画过程；可用确切的形状参数描画过程； 2可在参数坐标图上用一条延续曲线表示过程可在参数坐标图上

18、用一条延续曲线表示过程驰豫时间驰豫时间 relaxation time 当工质在平衡被破坏后，自动恢复到当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。平衡所需时间。准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程运用准静态过程的工程运用例：活塞式内燃机例：活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度

19、声速压力波恢复平衡速度声速350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间普通的工程过程都可以为是准静态过程普通的工程过程都可以为是准静态过程详细工程问题详细分析。详细工程问题详细分析。“忽然忽然“缓缓慢慢可逆过程可逆过程 reversible process 可逆过程：可逆过程： 系统阅历某一过程后，假设能使系统与外界同时系统阅历某一过程后，假设能使系统与外界同时恢复到初始形状，而不留下任何痕迹，那么此过程为恢复到初始形状，而不留下任何痕迹，那么此过程为可逆过程。可逆过程。 实现条件：实现条件： 是无耗散的准静态过程。是无

20、耗散的准静态过程。 p A pext AF 21F=0耗散效应：耗散效应： 经过摩擦，粘性扰动，温差传经过摩擦，粘性扰动，温差传热等耗费功或潜在作功才干的损热等耗费功或潜在作功才干的损失失可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关系区别：二者的着眼点不同。区别：二者的着眼点不同。 准静态：准静态： 只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械 摩擦耗散对工质内部的平衡并无影响摩擦耗散对工质内部的平衡并无影响 可逆过程：可逆过程： 分析工质与外界作用所产生的总效果。分析工质与外界作用所产生的总效果。 不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与外不仅强调工质内部

21、的平衡，而且要求工质与外 界作用可以无条件地逆复，过程进展时不存在界作用可以无条件地逆复，过程进展时不存在 任何能量的耗散。任何能量的耗散。不平衡过程，一定是不可逆过程；不平衡过程，一定是不可逆过程；不可逆过程就是指工质不能恢复原来形状的过不可逆过程就是指工质不能恢复原来形状的过程；程；一个可逆过程必需同时也是一个准平衡过程，一个可逆过程必需同时也是一个准平衡过程，但准平衡过程不一定是可逆的。但准平衡过程不一定是可逆的。实践过程都是不可逆过程。实践过程都是不可逆过程。|思索题思索题常见的不可逆过程常见的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 ( (阀门阀门p1p2p1

22、p2常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程 自在膨胀自在膨胀真空真空 引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实践过程的理想化过程，准静态过程是实践过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的形状参数表达，可不思索系统与外界的形状参数表达，可不思索系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实践过程不是可逆过程，但为了研讨方实践过程不是可逆过程，但为了研讨方 便，先按理想情况可逆过程处置，便，先按理想情况可逆过程处置， 用系统参数加以分析，然后

23、思索不可逆用系统参数加以分析，然后思索不可逆 要素加以修正。要素加以修正。第一章第一章 根本概念根本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参数工质的热力学形状及其根本形状参数1-4 平衡形状、形状方程式、坐标图平衡形状、形状方程式、坐标图1-5 工质的形状变化过程工质的形状变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环过程功和过程热量过程功和过程热量功功workwork1力学中功的定义：力学中功的定义： 力和沿力的方向位移的乘积。力和沿力的方向位移的乘积。 2热力学中功的定义：热力学中功的

24、定义： 在热力过程中，功是热力系统经过边境而传在热力过程中，功是热力系统经过边境而传送的能量，且其全部效果可表现为举起重物。送的能量，且其全部效果可表现为举起重物。 1. 功的定义功的定义 21dxFWdxFW 膨胀功：工质在体积膨胀时所作的功；膨胀功：工质在体积膨胀时所作的功； 紧缩功：工质受紧缩时外界对工质所作的功。紧缩功：工质受紧缩时外界对工质所作的功。对准平衡过程：对准平衡过程： 系统在整个过程中作功系统在整个过程中作功JpdVW 21比膨胀功比膨胀功 ：单位质量工质所作的膨胀功：单位质量工质所作的膨胀功 。kgJpdvw 213体积变化功体积变化功 经过工质体积的变化而与外界交换的功

25、量经过工质体积的变化而与外界交换的功量 p A dx 5. 示功图：示功图： 对一个可逆过程，体积变化功可在对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用、图上用、 过程线下面的面积表示过程线下面的面积表示 21pdvwpdvw p A 21阐明阐明 规定：规定： 系统对外作功，取正，系统对外作功，取正， d v 0, w 0； 外界对系统作功，外界对系统作功，取负，取负， d v 0, w 0 系统放热：热量为负，系统放热：热量为负， q 0 系统绝热：系统绝热： q = 0 可逆绝热：可逆绝热： d s = 0 热量是过程量：与初终形状，过程有关热量是过程量：与初终形状，过程有关Ts12ds示

26、热图示热图Tq 功和热量的关系功和热量的关系共同点共同点 1都是能量传送的度量，都是过程量；都是能量传送的度量，都是过程量； 2只需在传送过程中才有功，热量。只需在传送过程中才有功，热量。1功是有规那么的宏观运动能量的传送，在作功是有规那么的宏观运动能量的传送，在作功功 过程中往往伴随着能量形状的转变；过程中往往伴随着能量形状的转变； 热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传 递，传热过程中不出现能量形状的变化；递，传热过程中不出现能量形状的变化；区别区别2功转变成热量是无条件的；功转变成热量是无条件的； 而热转变胜利是有条件的。而热转变胜利是有条件的。第一

27、章第一章 根本概念根本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参数工质的热力学形状及其根本形状参数1-4 平衡形状、形状方程式、坐标图平衡形状、形状方程式、坐标图1-5 工质的形状变化过程工质的形状变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环1-7 热力循环热力循环正向循环和逆向循环正向循环和逆向循环 1. 正向循环正向循环1正向循环：将热能转变为机械能的循环。正向循环：将热能转变为机械能的循环。 2p-v图，图，T-s图表示图表示p-v图图顺时针方向进展：顺时针方向进展：1-a-2为膨胀

28、过程为膨胀过程2-b-1为紧缩过程为紧缩过程p210vab34wnetT-s图图顺时针方向进展：顺时针方向进展：1-a-2为工质吸热过程为工质吸热过程2-b-1为工质放热过程为工质放热过程21ab4q1-q2=wnetT0s3 循环循环 p210vab34wnetnet1 22 1abwwww net1 22 1abqqqq 循环中被参与热量有效利用程度，循环中被参与热量有效利用程度， 评价正向循环的经济性。评价正向循环的经济性。3热效率热效率t t 1。 能够能够1，=1，1。 或或 愈大，阐明循环的经济性越好。愈大，阐明循环的经济性越好。2netqw1netqw 1. 效率为效率为100%

29、的热机能否能够存在。的热机能否能够存在。2. 在一定条件下，热机的热效率最大能到达多少？在一定条件下，热机的热效率最大能到达多少？ 即循环中吸收的热量最多能转变为多少功？即循环中吸收的热量最多能转变为多少功？3. 热效率又与哪些要素有关？热效率又与哪些要素有关？|思索思索例题：某种气体工质从形状例题：某种气体工质从形状1p1, V1可逆地膨胀可逆地膨胀到形状到形状2。膨胀过程中：。膨胀过程中：1工质的压力服从工质的压力服从p=a-bV，其中，其中a，b为常数；为常数；2工质的工质的pV坚持恒定为坚持恒定为p1V1。试分别求两过程。试分别求两过程 中气体的膨胀功。中气体的膨胀功。解：过程为可逆过程：解：