工程热力学课件

第一章热力学基础知识第二章热力学第一定律第三章理想气体的热力性质及基本热力过程第四章热力学第二定律第五章水蒸气第六章蒸气的流动第七章蒸气的动力循环工质和热力系、状态和基本状态参数、平衡状态和热力过程、功和热量第一章热力学基础知识第一节工质和热力系一、工质1.热机：能够将热能转变为机械能的设备热能机械能2.工质：在热机中热能不断的转变为机械能所借助的媒介物质3.工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质媒介物质(一)、热力系、外界和边界1.热力系：具体制定的，用界面分离出来的研究对象。2.外界：系统以外与之相关的所有有关物体二、热力系3.边界(界面)：系统与外界的分界面界面的性质：它可以是真实的，也可以假想；可以固定也可以移动系统与外界的作用都通过边界(二)、闭口系和开口系、绝热系和孤立系热力系外界物质交换能量交换物质流进和流出热力系统传热和作功两种形式1.热力系分类：按热力系与外界进行物质交换的情况分：闭口系：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界开口系：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界绝热系：系统与外界无热交换孤立系：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发生任何形式的能量交换。绝对的绝热系和孤立系实际上不存在，是两种理想模型。某段时间内与外界传热量很少，对于系统的能量传递和能量转换所起的作用可忽略，就可看成绝热系；研究对象连同它直接相关的外界所有物体一起取做新的热力系，就是一个孤立系。第二节状态和基本状态参数一、状态与状态参数1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量3.状态参数的特征：(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。数学表达式如下：2112xxdxx式中，x1，x2分别代表两种状态的状态参数4.基本状态参数：常用的三个状态参数是压力、温度和比体积，它们都是可以直接测量的物理量，并且物理意义简单易懂二、基本状态参数(一)、压力1.压力：单位面积上所承受的垂直作用力，以表示pAFp注意：物理学：压强压力工程：压力总压对应绝对压力2.表压与真空：工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时当地大气压的差值。(1)表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。表压力=绝对压力-大气压力bgppp(2)真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分。真空度=大气压力-绝对压力pppbv要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。bppbpppbpgppvp如左侧图所示，如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的对数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数。工程计算中，必须选取绝对压力3.压力的单位：国际单位制中压力的单位:Pa,1Pa=1N/m21MPa=106Pa常用单位：1atm(标准大气压)=760mmHg(毫米汞柱)=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at(工程大气压)=735.6mmHg=9.80665104Pa(二)、温度1.温度：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标摄氏温标：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温标：用T表示，单位为K15.273Tt可以看出两种温标的温差是相等的(三)、比体积比体积：单位质量的物质所占有的体积，用v表示。mVv式中V——体积；m——质量。比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。比体积大物质内部分子间的距离大比体积的倒数为密度，用表示第三节平衡状态和热力过程一、平衡状态、状态方程和参数坐标图1.平衡状态：在没有外界影响的情况下，系统内工质的宏观性质不随时间而变化的状态。2.平衡状态的特性：(1)工质个点相同的状态参数均匀一致，有确定的数值(2)只有平衡状态下才可以用确定的状态参数来描述工质的状态特性3.状态方程：描述热力系状态的各状态参数不都是独立的，不必给出全部状态参数。三个基本参数之间联系表示为：0),,(Tvpf这样的函数关系式就称为状态方程。具体形式取决于工质的性质。3.参数坐标图：热力学中为了分析问题的方便和直观，常采用任意两个独立参数组成的一个平面直角坐标图。pv0p1p2v1v212此图为p-v图，称为压容图，图中每一点代表工质的某一平衡状态。还有其他形式的坐标图。二、热力过程热力过程：工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态所经历的全部状态的总和。1.准平衡过程：工质从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态。准平衡过程的特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。2.可逆过程(1)定义：当工质完成某一热力过程之后，若能沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。反之，为不可逆过程。(2)可逆过程必须满足的条件：过程必须是准平衡过程作机械运动时不存在摩擦传热无温差可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正第四节功和热量热力系在实施热力过程时，与外界发生能量交换只要是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。一、气体的功与p-v图1.功：工在物理学中，把物体通过力的作用而传递的能量称为功，功等于力F和物体在力的作用方向上的位移△x的乘积，即xFw2.功的符号和单位：用符号W表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg。3.可逆过程的体积变化功和p-v图：(1)体积变化功用：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。(2)规定：系统外界功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。功量正功量负(3)功的计算：21pdVW单位工质：21pdvw可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示，如图所示。单位质量气体的膨胀功为：2121pdvw功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，只是一个过程量。二、热量功与t-s图1.热量：热力系与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界所传递的能量。2.热量符号和单位：用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。是一个过程量系统吸热系统放热热量为正热量为负3.热量的计算和T-s图：21TdSQ单位工质：21Tdsq熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。温熵图T-s如图所示TSQ温熵(示热)图熵的说明1.熵是状态参数3.熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向2.符号规定系统吸热时为正Q0dS0系统放热时为负Q0dS04.用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量热量与容积变化功pdvw能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p温度T标志dV,dvdS,ds公式pdvwTdsq条件准静态或可逆可逆Tdsq热力学第一定律的实质、熟练应用热力学第一定律解决具体问题第二章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系。热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。热功相应量第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备第二节系统储存能系统储存能热力学能：取决于系统本身的状态，与系统内工质的分子结构及微观运动形式有关外储存能：系统工质与外力场的相互作用(如重力，位能)；以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量(宏观动能)。一、热力学能是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，由两部分组成：内动能：分子热运动的动能内位能：分子之间由于相互作用所形成的位能热力学能：是指储存于热力系内部的能量。用U表示，单位是J或kJ，单位质量工质的热力学能称为比热力学能，用u表示，单位是J/kg或kJ/Kg。热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的初态和终态，与过程的途径无关。二、外储存能宏观动能：m—物体质量；c—运动速度重力位能：Z—相对于系统外的参考坐标系的高度221mcEkmgZEp三、系统的总储存能系统总储存能(E)=热力学能(U)+外储存能(Ek+Ep)单位质量工质的比储存能：gZcuc221比储存能为状态参数对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储存能就等于热力学能第三节闭口系能量方程式输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化能量平衡关系式：闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W；12EEWQ对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变化，有：WUQ对于微元过程，有：WdUQ对于单位质量工质，有：wduqwuq,各项正负号的规定：吸热和对外作功为正，放热和外界对系统作功为负热力系吸收的能量增加系统的热力学能对外膨胀作功热能转变为机械能的根本途径热力系吸收的能量增加系统的热力学能对外膨胀作功第四节状态参数焓一、推动功推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推动功等于pv。流动净功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差。流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价。二、焓对于m千克工质：pVUH焓的定义式：焓=内能+流动功焓的物理意义：1.对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.思考：特别的对理想气体h=f(T)对于1千克工质：h=u+pv2.对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数第五节开口系稳定流动的能量方程及其应用一、稳定流动的能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout221mc221mc稳定流动工程上常用的热工设备，除启动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的，可以认为处于稳态稳定流动状态。1.定义：开口系统内任意点工质的状态都不随时间而变化的流动过程。2.实现稳定流动的必要条件：（1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变；（2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随时间而变；（3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而改变。3.轴功：通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用Ws表示。进入系统的能量：)2(1211gzchmQ离开系统的能量：)2(2222gzchmWs由于是稳定流动，系统储存能的变化量为0。代入能量平衡方程式，可得开口系统稳定流动能量方程：sWzzgcchhmQ)]()(21)[(12212212单位质量工质：swzgchq221在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一起称技术功（Wt）。单位质量工质：stwzgcw221故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：twhq可逆过程技术功的大小可以在p-v图上用过程线以左和纵坐标围成的面积表示。理想气体的热力性质理想气体状态参数间的关系理想气体比热第三章理想气体的