热工基础单元1.ppt

1、2020/7/27,核科学与技术学院,1,热工基础,王建军 wang- 电话：82569655,2020/7/27,核科学与技术学院,2,2,课程体系,两大基础课相关知识 工程热力学基本概念 工程热力学基本定律 水及水蒸汽热力性质 典型蒸汽动力循环 蒸汽流动与喷管 热传递基本方式及其基本规律 换热器及其换热效果评价,2020/7/27,核科学与技术学院,3,3,课程要求,掌握工程热力学相关基本概念 掌握传热学相关基本概念 掌握典型热工过程基本规律 熟练进行相关计算 可用来解释相关的现象和过程,2020/7/27,核科学与技术学院,单元一 工程热力学基础知识,主要内容 工程热力学的研究内容及应用

2、 热能转变成机械能的过程和实现条件 工质、热力状态及状态参数 工质状态变化与参数坐标图 理想气体状态方程 工质热容,2020/7/27,核科学与技术学院,5,5,工程热力学 是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学,热力学 是研究伴有热效应的一切过程中的能量关系及能量转换的科学,2020/7/27,核科学与技术学院,6,6,工质 实现热能和机械能相互转化的媒介物质 实例,一、工质、热机、热源以及热力系统,2020/7/27,核科学与技术学院,7,7,火力发电装置,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加

3、压、加热、膨胀做功、放热),2020/7/27,核科学与技术学院,8,8,燃气装置,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,2020/7/27,核科学与技术学院,9,9,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,internal combustion engine,2020/7/27,核科学与技术学院,良好的膨胀特性 良好的流动性能 热力性质稳定 与设备相容性好 无毒、廉价、易于获得 ,热力机械中工质的一般性要求,用来将热能转变为机械能的设备称为热机,2020/7/27,核科学与技术学院,1

4、1,11,热源、冷源 工质从中吸取能量的物体叫做热源 接受工质排出热能的物体叫做冷源 热力系统 人为地分割出来、由界面包围着的、作为热力学分析对象的物体总和叫做热力系统，简称热力系,2020/7/27,核科学与技术学院,12,12,外界：系统以外的所有物质,外界与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,surroundings,boundary,2020/7/27,核科学与技术学院,13,13,边界特性,真实、虚构,固定、活动,fixed 、 movable,real 、,imaginary,2020/7/27,核科学与技术学院,14,14,热力系统分类,以系统与外

5、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,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,2020/7/27,核科学与技术学院,15,15,1 开口系,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统分类,2020/7/27,核科学与技术学院,16,16,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,2020/7/27,核科学与技术学院,17,17,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的

6、特征：,1、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 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,二、状态及状态参数,2020/7/27,核科学与技术学院,18,18,状态参数的积分特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,点函数、态函数,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,2020/7/27,核科学与技术学院,19,19,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,2020/7/27,核科学与技术学院,20,核动力装置研究所,20,强度参数与广延参数,强度参数：

7、与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T,广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质,2020/7/27,核科学与技术学院,21,21,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,2020/7/27,核科学与技术学

8、院,22,22,常见状态参数,压力 比容 温度 内能 焓 熵,p v t u h s,P V T U H S,基本状态参数,复合状态参数,导出参数,2020/7/27,核科学与技术学院,23,23,三、基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p ( pressure ) 物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2,常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 =

9、 9.80665104 Pa,2020/7/27,核科学与技术学院,2020年7月27日,24,2020年7月27日,24,压力p测量,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-tube manometer,Bourdon Tube,示意图,2020/7/27,核科学与技术学院,25,25,绝对压力与相对压力,示意图,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,2020/7/27,核科学与技术学院,26,26,常用压力单位及变换,单位面积上的力 Pa，MPa，GPa，kPa 液柱高度 大气压力,2020/7/27,核科学与技术学院,27,27,基本状态参数

10、,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,2、温度t，T,2020/7/27,核科学与技术学院,28,28,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,BT = 0.5mw2,对气体：,2020/7/27,核科学与技术学院,29,29,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 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。,温度测量的理论基础 B 温度计,2020/7/27,核科学与技术学院,30,30,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）

11、,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,2020/7/27,核科学与技术学院,31,31,温标, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),2020/7/27,

12、核科学与技术学院,32,32,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,2020/7/27,核科学与技术学院,33,33,温标的换算,2020/7/27,核科学与技术学院,34,34,温度测量装置,日常：水银温度计，酒精温度计， thermometer 工业：热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperatu

13、re detector 辐射温度计Radiation thermometer 计量：铂电阻温度计 Platinum,2020/7/27,核科学与技术学院,35,35,基本状态参数,3、比容 v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度density ,kg/m3,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,2020/7/27,核科学与技术学院,36,36,二、热力过程及参数坐标图,1、平衡状态,一、平衡状态、状态方程式,定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,2020/7/27,核科学与技术学院,37,为什么引入平衡概念？,如

14、果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,状态方程,2020/7/27,核科学与技术学院,38,2、状态方程式,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,只交换热量和一种准静态的容积变化功，只要2个即可,2020/7/27,核科学与技术学院,39,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,3、准平衡状态,2020/7/27,核科学与技术学院,定义 工质从一个状态连续变化到另一个状态所经历的状态转化过程叫做热力过程 过程变化

15、过程的简化,二、热力过程,2020/7/27,核科学与技术学院,41,一般过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,1、准静态过程,2020/7/27,核科学与技术学院,42,准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,2020/7/27,核科学与技术学院,43,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？

16、,2020/7/27,核科学与技术学院,44,准静态过程的工程条件,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,2020/7/27,核科学与技术学院,45,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,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）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,2020/7/27,核科学与技术学院,46,2、可逆

17、过程,系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。,可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,2020/7/27,核科学与技术学院,47,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差不可逆根源 耗散效应,耗散效应,2020/7/27,核科学与技术学院,48,三、容积变化功和示功图,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,上式仅适用于准静态过程,2020/7/27,核科学与技术学院,49,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,2020/7/27,核科学与技术学院,2020年7月27日,50,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关， 过程量,4）