朱明善清华大学工程热力学课件全集ppt

朱明善教材与参考书教材：《工程热力学》朱明善等编参考书：《工程热力学》（第二版）庞麓鸣等编《工程热力学》（第四版）沈维道编2007年《工程热力学》严家騄编2007年绪论工程热力学是重要的专业基础课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主要内容0-1热能及其利用0-2热能转换装置的工作过程0-3工程热力学的研究对象及其主要内容0-4热力学的研究方法0-1热能及其利用热能电能机械能风能水力能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖能源转换利用的关系风力发电水力发电火力发电江苏田湾核电站0-2热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理火力发电装置基本特点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(加压、加热、膨胀做功、放热)二、燃气轮机装置的工作原理压气机—从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。燃烧室—空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。涡轮机—高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功。工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务。燃烧室燃气装置基本特点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燃料三、内燃机的工作原理进气过程：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。压缩过程：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升高。燃烧过程：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气内燃机装置基本特点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)四、蒸汽压缩制冷装置压气机—吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩(耗功)产生高温高压的蒸汽。冷凝器—使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀—使液体降压，产生低压低温的液体。蒸发器—工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷库降温。制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热)热力装置共同基本特点1、热源，冷源2、工质3、容积变化功4、循环0-3工程热力学的研究内容1、能量转换的基本定律2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。特点：可靠，普遍，不能任意推广经典（宏观）热力学0-4工程热力学研究方法√2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律特点：揭示本质，模型近似微观（统计）热力学工程热力学研究方法工程热力学的学习方法抓住主线理论联系实际重视基本技能训练–分析计算能力、实验技能–认真完成作业绪论完第一章基本概念1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环第一章基本概念主要内容1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环1-1热力系统一、系统、外界与边界热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面边界特性真实、虚构固定、活动•封闭热力系（闭口系）•只与外界有能量交换而无物质交换•开口热力系(开口系)•与外界既有能量交换又有物质交换•孤立系•与外界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类以系统与外界关系划分：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、质非孤立系孤立系归纳：1234mQW1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简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功1-2状态平衡状态一、状态与状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。二、平衡状态与非平衡状态平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。三、平衡状态的判据1、力平衡2、热平衡3、相平衡4、化学平衡1-3热力状态参数一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。二、特点1、与状态一一对应，完全取决于状态。2、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。三、分类1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度ρ、比焓h、比熵s、比容ν、比内能u2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S四、基本状态参数（一）压力1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的总效果。2、单位：1Pa=1N/m21kPa=1000Pa，1MPa=106Pa，1bar=105Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa标准大气压1atm=760mmHg=1.01325×105Pa工程大气压1at=1kgf/cm2=9.80665×104PaAFPn注意：只有绝对压力p才是状态参数压力p测量绝对压力与相对压力当ppb表压力pg当ppb真空度pvpbpgppvpbgpppvbppp（二）比容单位质量的物质所占的体积。kgmmV/33/1mkg（三）温度1、定义：温度是物系间达到热平衡的判据习惯上：物体冷热程度的度量。热力学第零定律: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温度计温度的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量2、温标：指温度的标度或温度的定量表示法。热力学温标（单位：开尔文，符号K），摄氏温标℃，华氏温标℉朗肯温标R热力学温标T——不依赖于测温物质的性质。选用热力学温度，以水的三相点为基准点，并规定它的温度为273.16K，即每单位开尔文等于水三相点的1/273.16。常用温标之间的关系绝对K摄氏℃华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67KTRTFtRTFtCtKTCt/59/67.459//)32/(95/15.273//温标的换算1-4状态方程、状态参数坐标图一、状态方程足够的状态参数就能确定一个状态,而一旦状态确定,该状态的所有状态参数也就确定了。热力学的研究结果告诉我们,对于可压缩纯物质只要两个状态参数就足够了。那么从数学上就应有:v=f(p,t)u=f(p,t)h=f(p,t)s=f(p,t)(设已知状态参数为p,t)以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况下它通常指p,v,T组成的方程。二、状态参数坐标图两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。注:对非平衡态由于其各部分状态参数不尽相同,故无法绘在状态参数坐标图上。1-5准静态过程和可逆过程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）过程一、基本概念1、过程—热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合。2、非准静态过程—系统经历一系列不平衡状态的过程。3、准静态过程—系统经历一系列无限接近平衡状态过程。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？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=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/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。准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA=p外A+fA如果p外微小可视为准静态过程dx以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdx=pdV1kg工质w=pdvdx很小，近似认为p不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv121WpdV21wpdv注意：上式仅适用于准静态过程示功图(p-V图)pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV21WpdV1kg工质：w=pdv21wpdvW准静态容积变化功的说明pV.12.2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，过程量4）统一规定：dV0，膨胀对外作功（正）dV0，压缩对内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为[kJ]或[kJ/kg]Ww摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’W若外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’W’则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。摩擦损失的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。二、可逆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。注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。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常见的不可逆过程不等温传热T1T2T1T2Q节流过程(阀门）p1p2p1p2常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••引入可逆过程的意义准静态过程是实际过程的理想化过程，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的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。1-6功和热量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义I：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。热力学定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。一、功3、功的计算式①物理上为:W=Fx②若系统内外力平衡FdxWpAdxpdVxp二、热量1、定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。2、热量的表达式考虑：δW=pdV式中：p为压差是作功的驱动力,dV表示热力系是否作功对于热量Q：热传递的驱动力是温度T，若dS表示热力系是否传热应有:TdSQrev热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程