工程热力学全套课件(第一章)

第一章基本概念一、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。分类蒸气动力装置(steampowerplant)§1-1热能和机械能相互转换的过程燃气动力装置(combustiongaspowerplant)蒸汽动力装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器给水泵燃气动力装置——内燃机气缸火花塞进气活门排气活门活塞连杆曲轴飞轮进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下运动，燃料和空气的混合物从进气门吸入气缸。吸气过程进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。压缩过程在压缩过程未尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气。高温高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。膨胀作功进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。排气过程内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气二、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:物质三态中气态最适宜。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1、高温热源：工质从中吸取热能的物质叫做高温热源（热源）。2、低温热源：接受工质排出热能的物系叫做低温热源（冷源）。三、热源(heatsource;heatreservoir)蒸汽动力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)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)热力装置共同基本特点1、热源，冷源heatreservoir2、工质medium3、容积变化功movingboundarywork4、循环cycle热机高温热源T1低温热源T0Q1Q2W热力装置的模型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)WT0Q1Q2T2制冷或热泵装置的模型锅炉汽轮机给水泵凝汽器过热器汽轮机热机高温热源T1低温热源T0Q1Q2W§1.2热力系统热力系统(热力系、系统)：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：系统以外的所有物质一、热力系统边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界系统外界边界边界特性2、可以是真实的，也可以是虚构的1、可以是固定的，也可以是活动汽缸活塞系统汽轮机中的蒸汽1122热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功既交换功也交换热只交换热二、热力系统分类（1）按系统与外界的质量m交换分（2）按能量交换情况，分为：开口系：有m交换闭口系：无m交换简单可压缩系：只交换热量和可逆体积变化功绝热系：无热量交换孤立系：无任何质量、能量交换1、孤立系统一定是绝热系统，对吗？Why?2、闭口绝热系统一定是孤立系统。（3）热力系统其它分类方式其它分类按物理化学性质分：均匀系非均匀系按工质种类分：多元系单元系按相态分：多相单相§1.3工质的热力学状态状态：某一瞬间系统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基本状态参数：可直接测量的参数，如：P,v,T导出状态参数：不易测量，但可用公式计算得到的参数，如u,h,s1、状态及状态参数一、状态参数及其基本状态参数2、分类强度参数：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、热力学能U、焓H、熵S比参数：比体积VvmUum比热力学能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质3、状态参数的数学特性（1）状态确定，则状态参数也确定，反之亦然（2）状态参数在数学上为点函数0dz系统经历一个循环后，状态参数的变化量为零。212,12,112abzzdzdzdzz从一个状态到另一个状态:状态参数的变化量只与初终态有关，而与路径无关；12ab二、基本状态参数（压力p、温度T、比容v）1、压力p物理中压强，单位:Pa,N/m2（1）常用单位：1bar=105Pa1kPa=103Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104Pa（2）压力测量Pg：表压力Pb:环境压力（大气压力）P：绝对压力(真实压力)Pv：真空度绝对压力与相对压力示意图当ppb表压力pggbppp当ppb真空度pvbvppppbpgppvp例题：例1：环境压力为0.1MPa，表B的读数为0.2MPa，表C的读数为0.05MPa，问：表A的读数为多少？例2：当地大气压为100kPa，容器A上压力表读数为0.8MPa，容器B上真空表读数为30kPa，则容器A内的绝压为MPa，容器B的真空度为kPa。20.050.10.15MPagCbppp120.150.20.35MPagBppp110.350.10.25MPagAbgAbpppppp2、温度T传统：物体冷热程度的标志微观：是大量分子热运动强烈程度的量度T0.5mw2（1）T的一般定义（2）温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。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）温度的热力学定义（2）温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。温度测量的理论基础（3）温度的测量经验温标三要素测温物质（水银，酒精，铂电阻）（体积膨胀，阻值）基准点分度方法热力学温标（绝对温标）理论温标符号：T单位：K摄氏温标符号：t单位：℃O[][]273.15TKtC（3）温度的测量常用温标绝对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559.67温标的换算O[][]273.15TKtCO5[]([]32)9tCtF[][]459.67tFtR测温仪表日常：水银温度计，酒精温度计，工业：热电偶热电阻辐射温度计3、比体积v［m3/kg]Vvm工质聚集的疏密程度物理上常用密度［kg/m3]1v一、平衡状态1、定义：在不受外界影响的条件下，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。1）热平衡——无温差2）力平衡——无压差3）相平衡——无相变4）化学平衡——无化学反应§1.4平衡状态、状态方程、坐标图温差—热不平衡势压差—力不平衡势相变—相不平衡势化学反应—化学不平衡势2、平衡的条件：不存在不平衡势§1-4平衡状态、状态方程、坐标图平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定，但存在不平衡势差若去掉外界影响（两恒温热源），则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，但均匀一定平衡对于单相，平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？如果系统平衡，则可用一组确切的状态参数描述系统所处的状态。如果系统不平衡，则不能！工程热力学研究的正是这种平衡状态。二、状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态No!想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？1、状态公理而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+传热=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等不平衡势差状态变化能量传递消除一种达到某一消除一种能量不平衡势差方面平衡传递方式简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：N=n+1=绝热简单可压缩系统N=?2只交换热量和一种准静态的容积变化功2、状态方程简单可压缩系统：N=2状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系),(Tpfv0),,(Tvpf状态方程的具体形式理想气体的状态方程gpvRTgpVmRT实际工质的状态方程？？？取决于工质的性质例：R134a的维里型状态方程2421234245673567891011234541213141516172351819202123222324252/(///)(//////)(/////)(///)(///rrrcrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrpTZaaTaTaTaaTaTaTaTaTaTaaTaTaTaTaTaaTaTaTaaTaTaTa46623472728293028239313233343536/)(////)(//)(//)rrrrrrrrrrrrrTaTaTaTaTaaTaTaaTaT3180K480K070MPa01600kg/mTp3、状态参数坐标图简单可压缩系N=2，常用的:p-v图和T-s图：说明：★系统任何平衡态都可表示在坐标图上。★坐标图中任意一点为平衡态。pv21p1p2v1v2Ts21T1T2s1s2★不平衡态无法表示在图上。§1.5工质的状态变化过程热力过程：系统从一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的总和。问题：热力学研究：平衡状态无势差状态不变热力过程不能实现热力学研究：能量转换途径：状态变化条件：有势差平衡被破坏可见：“平衡”和“过程”是一对矛盾体，如何解决？一、准平衡过程（准静态过程）p1=p0+重物p，TP0T0T1=T0突然去掉重物最终p2=p0T2=T0pv12..1、一般过程2、准静态过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态★准静态过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。实现准静态过程的条件：不平衡势差为无限小：、无穷小过程进行得无限缓慢定义：准平衡过程—系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。pT、无穷小引入准静态过程的意义2、实际意义：疑问：理论上准静态过程为无限缓慢的过程，工程上有意义吗？1、理论意义：解决了“平衡”和“过程”的矛盾既是平衡，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二、可逆过程力学例子1、可逆过程：当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变，则这一过程叫做可逆过程。2、不可逆过程包括：1）若不付出代价（外界不留下痕迹），则系统无法恢复到初态；2）系统恢复到初态，但外界留下了痕迹。[理解]：1、可逆：系统回到初态，且外界同时恢复到初态。二、可逆过程力学例子2、实现可逆过程的条件准静态过程+无耗散效应=可逆过程不平衡势差为无限小使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等）不可逆因素耗散效应不平衡势差耗散效应∴系统和外界均不存在不可逆因素的过程才是可逆过程★可逆过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。3、典型的不可逆过程有温差传热T1T2T1T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••3、典型的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★节流过程(阀门）p1p2p1p24、引入