2015工程热力学和传热学-岳丹婷

1工程热力学和传热学第一篇工程热力学EngineeringThermodynamics2工程热力学是研究什么的？WhattheEngineeringThermodynamicsstudyfor?我们为什么要学习工程热力学？WhywestudyEngineeringThermodynamics？3第一章概论Introduction第一节热能及其利用第二节热能在热机中的转化过程第三节工程热力学的研究对象、内容和方法4第一节热能及其利用•热能的直接利用•热能的动力利用5直接利用：烘干、蒸煮、采暖、溶化等。间接利用：热能→其他形式的能量（如：机械能、电能——热力发电厂、以及车辆、船舶、飞机等的动力装置）热能的间接利用中，能量的转换是能量利用的前提。热动力装置工作的实质（热能动力过程的任务）：热能→机械能（电能）历史上，蒸汽机的应用，引起了历史上著名的“工业革命”。现代社会中，所消耗的机械能（电能）绝大多数是由热能转换而来的（热力发电厂、核电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机以及火箭发动机等）。6第二节热能在热机中的转换过程一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程热能动力装置蒸汽动力装置内燃动力装置热能动力装置(Thermalpowerplant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。71.内燃动力装置进气过程：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，活塞左行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。81.内燃动力装置燃气进口排入大气910燃气轮机装置示意图112.蒸汽动力装置锅炉—产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机—将蒸汽的热能转换为机械能。冷凝器—将乏汽冷凝成水。水泵—使得工作介质循环（保证系统内部的高压）。工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务1213原理，构造均不同。但是共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热1相同的能量转换形式化学能热能机械能2工质3排热14二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程制冷：以消耗机械功或其它形式的能量为代价，使物体获得低于环境的温度并维持该低温。15蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀1234压缩机—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（含少量汽体）。蒸发器—工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷库降温或保持低温。工质（气态或液态制冷剂）在压气机的作用下周而复始地循环，进而实现了制冷的任务。16工质(workingsubstance;workingmedium)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:1）膨胀性;2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取物质三态中气态最适宜。17第三节工程热力学的研究对象、内容和方法研究对象：热能与机械能相互转换的规律和方法以及提高转换效率的途径。基本内容：1）基本概念和定律2）工质的性质和过程；3）工程应用。18方法：1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学)2）微观方法；(微观热力学或统计热力学)宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量（状态参数）来描述物质所处的状态。优点是直观、可靠。统计热力学采用微观方法，优点是物理概念清楚。19热力学（经典热力学）：研究能量（特别是热能)性质及其转换规律的科学。工程热力学：热力学的一个分支，着重研究热能与机械能相互转换（热功转换）的规律。20具体的工程应用节能潜力的评估露点及控制油船中剩余舱容的确定第二章基本概念Chapter2BasicConcepts第一节热力系统第二节热力状态及状态参数第三节热力过程第四节热力循环第一节热力系统Thermodynamicsystem一、系统、边界与外界系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。外界：surrounding系统之外与系统有关的物体。边界：boundary系统与外界的分界面。边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。QW膨胀中的燃气系统的边界流动中的工质系统的边界二、系统的类型1.按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热（1）开口系统：opensystem系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界稳定流动开口系统不稳定流动开口系统（2）闭口系统：closedsystem系统与外界无物质交换闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统。QW膨胀中的燃气系统的边界（3）绝热系统：adiabaticsystem系统与外界没有热量交换.冷源QW把冷源包括在内的绝热系统（4）孤立系统：isolatedsystem系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。孤立系统内两物体间的热传递边界T2T1QBA孤立系统内两物体间的热传递边界T2T1QBA2.按系统内部状况分类1）单相系和复相系2）单元系与多元系3）均匀系统与非均匀系统系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。第二节热力状态及状态参数一、状态及状态参数状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况状态参数：描述系统宏观特性的物理量二、热力学平衡态1.平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学平衡态。2.系统实现平衡态的条件在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。3.平衡与稳定、均匀的差别平衡必稳定，稳定未必平衡均匀必平衡，平衡未必均匀区别平衡与稳定：外圆绝热的均匀金属棒两端与两个恒温热源T1、T2接触，T1T2，则金属棒某截面的温度如下图。稳定导热问题。取金属棒为系统，由于它受外界影响，且金属棒内、外存在不平衡势，故是处于稳定状态而不是处于平衡状态。若去掉热源，金属棒不受外界影响，最终整个金属棒温度T＝1/2（T1＋T2）这时金属棒达到了平衡态。或两热源温度相等，外界作用的平均效果为零，金属棒也处于平衡态。区别平衡和均匀：例如水和水蒸气组成的系统，不受外界的影响，系统的宏观性质不随时间变化，处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。所以系统平衡不一定均匀。对于单相系，忽略重力场的影响，可认为是均匀的，可用统一的、确定的状态参数描述系统状态。三、热力状态参数1.常用状态参数：压力、温度、体积、热力学能、焓和熵重要特征：1）状态参数的数值由系统的状态唯一定确定；2）当系统从初态变为终态时,状态参数的变化量,只与系统的初、终状态有关,而与变化的途径无关。状态参数是系统状态的单值函数或点函数,状态参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数是否为状态参数的充分和必要条件。功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。2.状态参数分类强度量尺度量压力、温度体积、热力学能、焓、熵基本参数导出参数压力、温度、体积热力学能、焓、熵3.基本状态参数a.压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。(1)压力的单位：1N/m2=1Pa(帕）1MPa=106Pa；1bar=105Pa(2)大气压力:Pb标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa(3)绝对压力P、表压力Pg、真空度Pv相对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）表压力Pg真空度Pv系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）U形管式压力计示意图bppbppgpvpbpbpppbgpppbvppp真空度U形管式压力计示意图bpbppgpgppb.温度：表征物体冷热程度的物理量。(1)热平衡定律(热力学第零定律)温度定义及温度测量的基础两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系统彼此之间必定处于热平衡。(2)温标：温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）热力学温标t(C)=T(K)-273.15①热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。）既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描述。②温度的定义：标志系统热平衡性质的物理量为温度。一切处于热平衡的物体，其温度相等。上述第三个系统，可作为测量温度的仪器，叫温度计。③温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。它是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。比体积：单位质量工质的体积m3/kg密度：单位体积工质的质量kg/m3=1/vc.比体积和密度第三节热力过程热力过程:系统从初始平衡态变化到终了平衡态所经历的全部状态，简称“过程”。一、准静态过程（准平衡过程）弛豫时间：恢复平衡所需要的时间图1说明准静态过程用图任何实际过程都是在有限势差推动下进行的，因而都是不平衡过程。所谓准平衡过程，只是实际过程当不平衡势趋于零时的极限过程，是可以设想而不可能达到的。结论：热力系的一切变化过程都是在不平衡势推动下进行的，没有不平衡就没有变化，也就没有过程。当不平衡势为无限小时所进行的极限过程称为准平衡过程。如过程进行的足够缓慢，则封闭系统所经历的每一中间状态足够接近平衡态，这样的过程称为准静态过程。p1p2v1v2准静态过程在p-v图上的表示vP12二、可逆过程系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢复到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。过程的不可逆因素：1）耗散效应2）有限温差传热3）自由膨胀（作功为零）隔板自由膨胀4）不同工质混合隔板不同工质混合燃气进口排入大气内燃动力装置p1p2v1v2关于可逆过程vP120),,(Tvpfp1p2v1v2准静态过程在p-v图上的表示vP121.状态方程2.状态参数坐标图其他状态参数坐标图：T-sP-hh-s三、状态方程和状态参数坐标图第四节热力循环工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态，这种闭合的过程称为循环。可逆循环不可逆循环vP1234正循环（动力循环）1-2-3-4-1逆循环1-4-3-2-1制冷循环热泵循环动力循环：也称热机循环。目的是从高温热源取热Q1，得到功W。在状态参数坐标图P－V图上为顺时针方向。为正循环。制冷循环：目的是把热量Q2从低温物体中取出排向高温，为此要消耗外功W。在状态参数坐标图P－V图上为逆时针方向。为逆循环。热泵循环：为另一种逆循环，目的是向高温热源供热（空调取暖）。其工作原理和P-V图与制冷循环相同。循环的经济性指标用工作系数来表示代价效果（收益）工作系数1QWt动力循环的经济性用循环的热效率来衡量WQ2制冷循环的经济性用循环的制冷系数来衡量WQh1供热循环的经济性用循环的供热系数来衡量Q1为与高温热源交换的热量，Q2为与低温热源交换的热量作业P16-17思考题：3、7习题：1、3、4第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质第二节能量第三节封闭系统热力学第一定律的表达式第四节开口系统热力学第一定律的表达式第五节稳定流动能量方程的应用第一节热力学第一定律的实质实质正说反说表述实质“热力学第一定律”的实质是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔·焦耳（德国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。恩格斯说：能量转换与守恒定律是19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。这个定律指出“一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从