《工程熱力學(xué)》PPT課件

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1、工程熱力學(xué),第一章 基本概念,第一章 基本概念,本章基本要求：,掌握工程熱力學(xué)中一些基本術(shù)語(yǔ)和概念：熱力系、平衡態(tài)、準(zhǔn)平衡過(guò)程、可逆過(guò)程等。 掌握狀態(tài)參數(shù)的特征，基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T 的定義和單位等。掌握熱量和功量這些過(guò)程量的特征，并會(huì)用系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)對(duì)可逆過(guò)程的熱量、功量進(jìn)行計(jì)算。,熱能動(dòng)力裝置： 從燃料燃燒中得到熱能，并利用熱能得到動(dòng)力的設(shè)備。,熱能動(dòng)力裝置分為兩大類： 燃?xì)鈩?dòng)力裝置（內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)） 蒸汽動(dòng)力裝置（蒸汽輪機(jī)）,熱能,機(jī)械能,,化學(xué)能,,1-1 熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換,內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)）,工作物質(zhì)：燃?xì)?燃?xì)?熱能,機(jī)械能,,燃料 化學(xué)能,,,排入大氣,燃燒、膨脹 排氣,吸氣

2、壓縮,工作過(guò)程：,能量轉(zhuǎn)換：,蒸汽動(dòng)力裝置,1鍋爐2沸水管3汽鍋4過(guò)熱器 5汽輪機(jī)6發(fā)電機(jī)7冷凝器8泵9蓄水池,,9,燃料在鍋爐中燃燒，加熱沸水管內(nèi)的水，使之變?yōu)檎羝?，并在過(guò)熱器內(nèi)過(guò)熱，成為過(guò)熱蒸汽，完成從化學(xué)能轉(zhuǎn)變到熱能的過(guò)程； 高溫高壓（相對(duì)于環(huán)境）蒸汽膨脹推動(dòng)汽輪機(jī)作功（機(jī)械能）； 作功后的乏汽從汽輪機(jī)進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷凝成水，并由泵加壓送入鍋爐加熱。,蒸汽動(dòng)力裝置工作過(guò)程：,不同點(diǎn)：構(gòu)造和工作特性不同。 相同點(diǎn)： 存在某一種媒介物質(zhì)以獲得能量； （如內(nèi)燃機(jī)中混合氣，蒸汽機(jī)中的水） 存在能提供熱能的能量源； 余下的熱能排向環(huán)境介質(zhì)。,結(jié)論： 各種形式的熱機(jī)都存在以下幾個(gè)相同的熱力過(guò)程

3、：吸熱、膨脹作功和排熱。,比較上述兩種熱機(jī),名詞定義：,工質(zhì)： 實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。 熱源（高溫?zé)嵩矗?： 工質(zhì)從中吸取熱能的物系。 冷源（低溫?zé)嵩矗?： 接受工質(zhì)排出熱能的物系。,工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而作功，并把余下部分傳給低溫?zé)嵩础?熱能動(dòng)力裝置的工作過(guò)程可概括成：,熱源,冷源,熱機(jī),,,,作功,吸熱,放熱,1 系統(tǒng)與邊界,1-2熱力系統(tǒng),熱力系統(tǒng)（熱力系）： 人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng),邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面,外界：熱力系統(tǒng)以外的部分,邊界可以是實(shí)在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動(dòng)的,熱力系統(tǒng)選取的人為性,,,

4、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋 爐,汽輪機(jī),,,,發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,,過(guò)熱器,,只交換功,,,,只交換熱,,,既交換功 也交換熱,,,,,,,1-2熱力系統(tǒng),邊界特性,,,真實(shí)、虛構(gòu),,,固定、活動(dòng),,,,1-2熱力系統(tǒng),2 熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：,有 無(wú) 是否傳質(zhì) 開(kāi)口系 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕功系 絕功系,是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系,,1-2熱力系統(tǒng),以空間為系統(tǒng)，進(jìn)、出口邊界均為假想邊界，系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換,以氣缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)，活塞表面上的邊界是移動(dòng)邊界，系統(tǒng)與外界沒(méi)有物

5、質(zhì)交換,1-2熱力系統(tǒng),熱力系統(tǒng)其它分類方式,其它分類方式,,,物理化學(xué)性質(zhì),均勻系 非均勻系,,,工質(zhì)種類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,1-2熱力系統(tǒng),最重要的系統(tǒng) ,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功,,容積變化功,,,壓縮功膨脹功,1-2熱力系統(tǒng),定義：用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì),1-2熱力系統(tǒng),3 工質(zhì),,,,,氣體,,理想氣體,實(shí)際氣體,蒸氣,1-3熱力狀態(tài),狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況,狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量,一、狀態(tài)參數(shù),狀態(tài)參數(shù)分類：,強(qiáng)度參數(shù)：無(wú)關(guān) 如壓力 p、溫度T,廣延參數(shù)：有關(guān)可加性 如 質(zhì)量m、容積 V、內(nèi)能 U

6、、焓 H、熵S,按與所含工質(zhì)的量有關(guān)否分,,比參數(shù)：,比容,比內(nèi)能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì),1-3熱力狀態(tài),強(qiáng)度量與廣延量,速度,動(dòng)能,高度,位能,內(nèi)能,溫度,（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（廣）,（廣）,（廣）,1-3熱力狀態(tài),基本狀態(tài)參數(shù),壓力 p、溫度 T、比容 v,1-3熱力狀態(tài),按是否直接或容易測(cè)量分,,非基本狀態(tài)參數(shù),內(nèi)能U、焓 H、熵S,狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特征：,狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定,,1,2,a,b,,,1-3熱力狀態(tài),1、壓力 p 物理中壓強(qiáng)，單位: Pa , N/m2,常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 10

7、6 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,二、基本狀態(tài)參數(shù),氣體分子撞擊器壁的統(tǒng)計(jì)（平均）效果,壓力p測(cè)量,,一般是工質(zhì)絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值 相對(duì)壓力,注意：只有絕對(duì)壓力 p 才是狀態(tài)參數(shù),1-2熱力狀態(tài),,,,,絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力,,當(dāng) p pb,,表壓力 pe,,當(dāng) p < pb,,真空度 pv,,,,,,,pb,,pe,,p,,,pv,,p,例1：已知當(dāng)?shù)卮髿鈮毫b,及壓力表1、2的讀數(shù)分別為pg1，pg2。求pg3？,解：壓力表1測(cè)得的是A室的

8、 相對(duì)壓力，故,壓力表2測(cè)得的也是A室的相對(duì)壓力，但它處在B室環(huán)境中，故,,壓力表3測(cè)得的是B室的相對(duì)壓力，故,,其它壓力測(cè)量方法,高精度測(cè)量：活塞式壓力計(jì),工業(yè)或一般科研測(cè)量：壓力傳感器,1-3熱力狀態(tài),2 比體積,1-3熱力狀態(tài),m3/kg,工質(zhì)聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,1-3熱力狀態(tài),3 溫度 T,傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。,感覺(jué)，導(dǎo)熱,熱平衡,熱力學(xué)第零定律 如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于 熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ) B 溫度計(jì),溫度的熱力學(xué)定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫

9、度。,溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,1-3熱力狀態(tài),溫標(biāo)：,溫度的數(shù)值表示,溫標(biāo)三要素,,基準(zhǔn)點(diǎn),測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì),分度方法,1-3熱力狀態(tài),絕對(duì)溫標(biāo)：符號(hào)T,單位K,t()=T(K)-273.15,新攝氏溫標(biāo)：符號(hào)t,單位,常用溫標(biāo),絕對(duì)K,,,攝氏,華氏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,冰熔點(diǎn),水三相點(diǎn),鹽水熔點(diǎn),發(fā)燒,水沸點(diǎn),559.67,溫度的測(cè)量,溫度計(jì),物質(zhì) （水銀，鉑電

10、阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準(zhǔn)點(diǎn),刻度,溫標(biāo),,,1-3熱力狀態(tài),溫度測(cè)量方法,日常：水銀溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)， 水溫度計(jì) 工業(yè)：熱電偶，熱敏電阻 計(jì)量：鉑電阻溫度計(jì),1-3熱力狀態(tài),1、定義：在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,1-4 平衡狀態(tài),溫差 熱不平衡勢(shì) 壓差 力不平衡勢(shì) 化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)不平衡勢(shì),2、平衡的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界之間不存在不平衡勢(shì),3、平衡與穩(wěn)定的比較,穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定,穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化，但可能有外界作用。,穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差,去掉外界影響， 則狀態(tài)變化,1

11、-4 平衡狀態(tài),4、平衡與均勻的比較,平衡：時(shí)間上 均勻：空間上,平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的,1-4 平衡狀態(tài),5、為什么引入平衡概念？,如果系統(tǒng)平衡，可用一組確定的參數(shù)（壓力、溫度）描述,能量交換,,狀態(tài)變化,,破壞平衡,,如何描述,1-4 平衡狀態(tài),1-5 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,問(wèn)題:,平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài),,想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？,一、狀態(tài)公理,針對(duì)純物質(zhì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng),1-5 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,N=n+1,,,系統(tǒng)獨(dú)立狀參個(gè)數(shù),,,功的形式數(shù),,,熱,組元一定的閉口系,獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢(shì)差數(shù) =能量轉(zhuǎn)換

12、方式的數(shù)目 =各種功的方式+熱量= n+1,n 容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 =,1-5 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,2,2、狀態(tài)方程,溫度、壓力和比體積這三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是最基本的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系，稱為狀態(tài)方程,1-5 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,,,,狀態(tài)方程式是平衡狀態(tài)下基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T之間的關(guān)系 狀態(tài)方程式的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì),3、坐標(biāo)圖,簡(jiǎn)單可壓縮系 N=2，平面坐標(biāo)圖,,,p,v,,系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上,說(shuō)明：,過(guò)程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài),不平衡態(tài)無(wú)法在圖上用實(shí)線表示,常見(jiàn)p-v圖和T-s圖,,

13、,2,1,1-5 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,1-6 熱力過(guò)程,平衡狀態(tài),,狀態(tài)不變化,,能量不能轉(zhuǎn)換,非平衡狀態(tài),,無(wú)法簡(jiǎn)單描述,熱力學(xué)引入準(zhǔn)平衡過(guò)程？,1、準(zhǔn)平衡過(guò)程,但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒(méi)有能量交換,1-6 熱力過(guò)程,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件,恢復(fù)平衡所需時(shí)間 （馳豫時(shí)間）,破壞平衡所需時(shí)間 （外部作用時(shí)間）,,有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,可逆過(guò)程,系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。,1-6 熱力過(guò)程,注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。,1-6 熱力過(guò)程,典型的不可逆過(guò)程,不等溫傳熱,自由膨脹,,1-

14、6 熱力過(guò)程,,節(jié)流過(guò)程 (閥門）,混合過(guò)程,,1-7 過(guò)程功和熱量,1、力學(xué)定義: 力 在力方向上的位移,2、熱力學(xué)定義 a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。,b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。,功的定義,1-7 過(guò)程功和熱量,功的一般表達(dá)式,熱力學(xué)最常見(jiàn)的功 容積變化功,1-7 過(guò)程功和熱量,可逆過(guò)程的功,1-7 過(guò)程功和熱量,熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。,另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。,熱

15、量定義,1-7 過(guò)程功和熱量,過(guò)程的熱量,1.8 熱力循環(huán),要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán),定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化后，又回到原初始狀態(tài)的一系列變化過(guò)程稱為熱力循環(huán)。,不可逆循環(huán),分類：,可逆,過(guò)程,不可逆,循環(huán),可逆循環(huán),,,1.8 熱力循環(huán),正循環(huán),正循環(huán)：順時(shí)針?lè)较?,,p,,2,1,,,凈效應(yīng)：對(duì)外作功,,,T,S,,1,2,,,凈效應(yīng)：吸熱,V,1.8 熱力循環(huán),逆循環(huán),逆循環(huán)：逆時(shí)針?lè)较?,,p,V,,2,1,,,凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功,,,T,S,,1,2,,,凈效應(yīng)：放熱,1.8 熱力循環(huán),正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）,W,Q1,,,,,Q2,,動(dòng)力循環(huán)：熱效率,1.8 熱力循環(huán),逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）,W,Q1,,Q2,制冷循環(huán)：制冷系數(shù),,,,,1.8 熱力循環(huán),逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）,制熱循環(huán)：制熱系數(shù),W,Q1,,Q2,,,,,本章小結(jié),基本概念： 熱力系 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程 過(guò)程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù) 功、熱量 p-V圖、T-S圖 循環(huán)、工作系數(shù),