工程热力学第一章课件

1、中南大学能源学院 制冷与低温研究所 第一章 基本概念中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-1 热能和机械能转换1 1、蒸汽蒸汽动力装置动力装置2 2、内燃机内燃机热能热能动力装置动力装置中南大学能源学院 制冷与低温研究所 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 q从火力发电厂的生产过程可见，就其能量转换来从火力发电厂的生产过程可见，就其能量转换来说，可以分为两大部分，即从燃料的化学能转变为说，可以分为两大部分，即从燃料的化学能转变为机械能的部分和从机械能转变为电能的部分。机械能的部分和从机械能转变为电能的部分。q前者称为发电厂的热力部分，后者称为发电厂的前者称为发电厂的热力部分，后者称为发电厂的

2、电气部分。热力部分包括锅炉、汽轮机、凝汽器、电气部分。热力部分包括锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵、加热器等热力设备以及连接它们构成的热力水泵、加热器等热力设备以及连接它们构成的热力系统。系统。 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-2 热力系统与工质热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为地：人为地 研究对象研究对象外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质1、系统与边界系统与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界中南大学能源学院 制冷与低温研究所 边界特性真实、虚构

3、固定、活动固定、活动中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系中南大学能源学院 制冷与低温研究所 Hot Fluid Control Volume Control Surface Cold Fluid Warm Fluid Concepts & DefinitionsqClosed systemquantity of mat

4、ter under studyqControl massqOnly heat and work can cross boundary of closed systemqOpen systemregion in space on which attention is focusedqControl volumeqHeat and work may cross control surfaceqMass may also cross control surface Fluid Control Mass Control Surface 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力系统其它分类方式 其它分类

5、方式其它分类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相中南大学能源学院 制冷与低温研究所 简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功中南大学能源学院 制冷与低温研究所 工质q在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借助于媒介物质。助于媒介物质。q实现能量转换的媒介物质就称为工质。实现能量转换的媒介物质就称为工质。q不同性质的工质对能量

6、转换的效果有直接影响，不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态物质作为工质。物质作为工质。 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 q在火电厂中，由于工质连续不断地流过热力设在火电厂中，由于工质连续不断地流过热力设备而膨胀作功，因此，要求工质应有良好

7、的膨胀备而膨胀作功，因此，要求工质应有良好的膨胀性和流动性，此外，还要求工质热力性能稳定、性和流动性，此外，还要求工质热力性能稳定、无毒、无腐蚀性、价廉、易得等。鉴于此，目前无毒、无腐蚀性、价廉、易得等。鉴于此，目前火电厂中采用水蒸气作为工质。水在锅炉中吸热火电厂中采用水蒸气作为工质。水在锅炉中吸热生成蒸汽，然后在汽轮机中膨胀推动叶片旋转对生成蒸汽，然后在汽轮机中膨胀推动叶片旋转对外作功，作功后的乏汽在凝汽器中向冷却水放热外作功，作功后的乏汽在凝汽器中向冷却水放热又凝结成水。又凝结成水。 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-3 状态和状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬

8、间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分、状态参数的微分特征：全微分中南大学能源学院 制冷与低温研究所 状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与状态参数变化量与路径无关，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 0

9、dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化其他参数变化其他参数变化中南大学能源学院 制冷与低温研究所 状态参数的微分特征设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数中南大学能源学院 制冷与低温研究所 强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的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

10、参数：比参数：比容比容VvmUum比比内能内能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质中南大学能源学院 制冷与低温研究所 Concepts & DefinitionsqExtensive properties properties whose value depend on the amount of matter in systemqMass, volume, energy, etc.qUse upper case letter to designate extensive propertiesqIntensive properti

11、es properties whose value does not depend on the amount of matter in systemqPressure, temperature, density, energy per unit mass, etc.qUse lower case letter to designate extensive properties中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-3 (Cont.)基本状态参数1 1、温度温度 T2 2、压力压力 p3 3、比容比容 v中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1、温度传统：传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量

12、冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：微观：衡量分子平均动能的量度衡量分子平均动能的量度 T 0.50.5 m w 21) 同同T , 0.50.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气不同，如碳固体和碳蒸气2) T=0 0 0.5mw0.5mw 2=0 0 分子一切运动停止，分子一切运动停止， 零点能零点能中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力学第零定律温度的热力学定义温度的热力学定义热力学第零定律热力学第零定律（R.W. Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的理温度测量

13、的理论基础论基础B 温度计温度计中南大学能源学院 制冷与低温研究所 温度的热力学定义处于同一处于同一热平衡热平衡状态的各个热力系，状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量此宏观特征的物理量 温度温度。 温度温度是确定一个系统是否与其它系是确定一个系统是否与其它系统处于统处于热平衡热平衡的物理量的物理量中南大学能源学院 制冷与低温研究所 温度的测量温度温度计计物质物质 （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温标温标中南大学能源学院 制冷与低温研究所 常用温标绝对绝对K K摄氏摄

14、氏 华氏华氏F F朗肯朗肯R 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沸点盐水沸点发烧发烧水沸点水沸点559.67中南大学能源学院 制冷与低温研究所 温标的换算O 273.15T Kt CO5( 32)9t Ct F 459.67t Ft R中南大学能源学院 制冷与低温研究所 2、压力 p常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3

15、 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa物理中物理中压强压强，单位单位: Pa , N/m2中南大学能源学院 制冷与低温研究所 绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 pg当当 p 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中南大学能源学院 制冷与低温研究所 准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 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=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（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

16、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）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”中南大学能源学院 制冷与低温研究所 准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中工质为系统以汽缸中工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W = p A dl =pdV1kg工质工质 w =pdvdl 很小很小，近似认为近似认

17、为 p 不变不变中南大学能源学院 制冷与低温研究所 准静态过程的容积变化功pp外外2mkg工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意： 上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程中南大学能源学院 制冷与低温研究所 示功图pV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW中南大学能源学院 制冷与低温研究所 准静态容积变化功的说明pV. .12. .1）单位为单位为 kJ 或或 kJ/kg2） p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关，

18、 功是过程量功是过程量4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正） dV0，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流体）工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别，只影响系统功与外界功的大小差别中南大学能源学院 制冷与低温研究所 摩擦损失的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，系再返还给

19、系统，系统得到的功统得到的功WT2Q自由膨胀自由膨胀真空真空中南大学能源学院 制冷与低温研究所 典型的不可逆过程节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2混合过程混合过程中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-6 过程功和热量1 1、力学力学定义定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义(外文参考书外文参考书） a a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的外界的唯一效果可归结为取起重物唯一效果可归结为取起重物，此即为热力，此即为热力系对外作功。系对外作功。 b b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在功是系统与

20、外界相互作用的一种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方式传递的能量运动方式传递的能量。功功的定义的定义中南大学能源学院 制冷与低温研究所 功的表达式功功的一般表达式的一般表达式Fdxw Fdxw热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 pdvwpdvw其他准静态功：其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功拉伸功，表面张力功，电功等等中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。 另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界是热力系与外界相互作用的另一种方式，在

21、相互作用的另一种方式，在温度温度的推的推动下，以微观动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能能量量。热量定义中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆中南大学能源学院 制冷与低温研究所 示功图与示热图pVWTSQ 示功图示功图温熵温熵(示热示热)图图pdVWTdSQ中南大学能源学院 制冷与低温研究所 1-7 热力

22、循环要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环定义：定义： 热力系统经过一系列变化回到初热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为态，这一系列变化过程称为热力循环热力循环。不可逆循环不可逆循环分类：分类：可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环中南大学能源学院 制冷与低温研究所 正循环pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向2112中南大学能源学院 制冷与低温研究所 逆循环pVTS净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向2112中南大学能源学院 制

23、冷与低温研究所 热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）1WQ收 益代 价净 功吸 热WT1Q1Q2T2动力循环：热效率动力循环：热效率中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）2QW收 益代 价吸 热耗 功WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数中南大学能源学院 制冷与低温研究所 热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）1QW收 益代 价放 热耗 功WT1Q1Q2T0制热循环：制热系数制热循环：制热系数中南大学能源学院

24、制冷与低温研究所 第一章 小 结基本概念：基本概念： 热力系热力系 平衡、稳定、均匀平衡、稳定、均匀 准静态、可逆准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数过程量、状态量、状态参数 功、热量、熵功、热量、熵 p-V图、图、T-S图图 循环、工作系数循环、工作系数中南大学能源学院 制冷与低温研究所 第一章 讨论课 热力系热力系种类：种类：闭口系、开口系、绝热系、闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系绝功系、孤立系 热力系的选取取决于研究目的热力系的选取取决于研究目的和方法，具有和方法，具有随意随意性，选取不当将性，选取不当将不便于分析。不便于分析。 一旦取定系统，一旦取定系统，沿边界沿边界寻找相寻找

25、相互作用。互作用。中南大学能源学院 制冷与低温研究所 例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取试分别选取闭口系闭口系和和开口系开口系，画出，画出充气前后充气前后边界边界，标明，标明功功和和热热的方向。的方向。中南大学能源学院 制冷与低温研究所 (1)以容器内原有气体为系统闭口系闭口系功量：功量： 气体对活塞作功气体对活塞作功WWQ热量：热量：气体通过活塞从外界吸热气体通过活塞从外界吸热Q中南大学能源学院 制冷与低温研究所 (2)以容器内残留的气体为系统闭口系闭口系功量：功量： 残留气体对放逸气体作功残留气体对放逸气体作功WWQ热量：热量：残留气体从放逸气体吸热残留气体从放逸气体吸热Q中南大学能源

26、学院 制冷与低温研究所 (3)以放逸气体为系统闭口系闭口系功量：功量： W + W热量：热量：Q + QWQW Q中南大学能源学院 制冷与低温研究所 (4)以容器为系统开口系开口系功量：功量： W热量：热量：QWQ中南大学能源学院 制冷与低温研究所 (5)以气缸为系统开口系开口系功量：功量： W + W热量：热量：Q + QWQWQ中南大学能源学院 制冷与低温研究所 强度量与广延量速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）中南大学能源学院 制冷与低温研究所 状态量与过程

27、量q状态量：q 描述工质状态，工质的状态一定，状态参数一定。q 具有物理上势函数的特征q 状态参数的变化与过程无关，状态参数的全微分是恰当微分，微元量用符号dz表示。q过程量（功和热）q 只有在热力过程中通过边界才能实现交换和传递。q 没有过程就不会有迁移的能量功和热。q 不能说“系统具有多少功量或热量”q 功量和热量的大小不仅和系统的初、终态有关，而且与系统经历的过程有关。q 不是恰当微分，微元过程写成“ W”和“ Q” 中南大学能源学院 制冷与低温研究所 思考题7有人说，不可逆过程是无法恢复到初有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？始状态的过程，这种说法对吗？不对。关

28、键看是否引起外界变化。不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指可逆过程指若若系统回到初态，外界系统回到初态，外界同时恢复到初态。同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。态的过程。中南大学能源学院 制冷与低温研究所 可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程可逆过程一定是一定是准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程不一定是不一定是可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程准静态过程准静态过程无耗散无耗散可逆过程可逆过程完全理想，以后均用完全理想，以后均用可逆可逆过程过程的概念。的概念。准静态过程准静态过程很少用。很少用。中南大学能源学院 制冷与低温研究所 有用功气缸中气体膨胀对外作功，气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程准静态过程气体对外作功气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功但外界得到的有用功pbpWpdVbppVW重物（）bWWpV有用中南大学能源学院 制冷与低温研究所 可逆过程与准静态过程的功加热加热A腔中气体，腔中气体，