热工基础基本概念

热工学张小军2015-03-03BasisofHeatEnergyEngineering能源转换利用的关系热能电能机械能风能水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%转换直接利用供暖节能EnergySaving节能是近年来的基本国策“开发和节约并重”节能任重道远是我们的责任热机高温热源低温热源Q1Q2W动力循环简图热效率Thermalefficiency热机种类（heatengin）发电（火力、核能）40%车辆发动机（内燃机）25~35%轮船发动机25~35%航空发动机20~30%制冷空调(非热机，同理）200%能量利用率Energyefficiency中国与日本工业能耗比较00.511.522.533.5吨煤/吨钢吨煤/吨合成氨总利用率中国日本0.绪论热工学是重要的专业基础课热工学是机械工程类专业开设的必修课程。必要性工程热力学与节能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建立节能理论及技术热工学是重要的技术基础课四大力学理论力学：机械系统热力学与统计物理学：热力系统电动力学：电、磁系统量子力学：微观系统工程热力学物理热力学化学热力学生物热力学溶液热力学重要性热工学的研究内容(1)能量转换的基本规律(3)工质的基本性质与热力过程(4)热功转换设备、工作原理(2)能量转移的基本规律工程热力学传热学理论分析与建模：试验研究：数值模拟及分析：热工学研究方法宏观模型：连续体(continuum)，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、平衡）classical(macroscopic,equilibrium)热工学研究方法微观模型：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microscopic(statistical)thermodynamics工程热力学研究方法学习要求上课—做好笔记、课堂作业(出勤)；作业—每周第一次课(周二)交作业；成绩—平时成绩(30%)和期末成绩(70%)相互配合，共同进步！授课信息教材：热工基础，主编：张学学，清华大学出版社，2006年第二版。办公地址：基础楼1109房间Tel：13810624136Email:[e-mail]第一章基本概念机电学院张小军2015-03-03内容提要1.1热能转变为机械能的过程1.2热力系统1.3热力学状态及基本状态参数1.4平衡状态、状态方程与坐标图1.5工质的状态变化过程（准平衡与可逆）1.6功量与热量√√√热电站涉及内容：(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)锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器火力发电基本原理1.1热能转变为机械能的过程(1)热动力装置蒸汽动力装置燃气动力装置(2)热动力机(热机)锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器热机1.1热能转变为机械能的过程(3)工质：实现热能与机械能转换的媒介物质。如：燃气、烟气、水蒸气、氟利昂、空气。(4)热源：在能量转换中与工质有热量交换的物系。对于空调工作过程来说，高温热源和低温热源分别是什么？1.2热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象(1)系统的定义systemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy1.2热力系统真实、虚构固定、活动fixed、movablereal、imaginary边界的特性边界(boundary)：系统与外界的分界面1.2热力系统分类：(1)闭口系统：只有能量交换，而无质量交换(2)开口系统：有能量交换，也有质量交换。(3)绝热系统：无热量交换。(4)孤立系统：既无能量交换，又无质量交换。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热、质非孤立系孤立系1.2热力系统1234mQW1开口系1.2热力系统非孤立系＋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1.2热力系统内燃机工作的不同阶段，热力系统有何区别？1.3热力学状态及基本状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的宏观物理量。结论：•状态一定，则状态参数也一定，反之亦然。•状态参数变换，则状态一定发生变化。压力p、温度T、比容v(容易测量)：基本状态参数。1.3热力学状态及基本状态参数(1)压力p(pressure)物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位Units：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1mmHg/mmH2O1atm=760mmHg=1.013×105N/m21at=0.981×105N/m2压力测量值：绝对压力与环境压力的相对值。注意：只有绝对压力p才是状态参数。1.3热力学状态及基本状态参数绝对压力与相对压力当ppb表压力peebppp当ppb真空度pvbvppppbpeppvprelativepressureabsolutepressure1.3热力学状态及基本状态参数(2)温度T宏观：冷热程度的度量。微观：大量基本微粒做无规则热运动的激烈程度。1.3热力学状态及基本状态参数热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）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。1.3热力学状态及基本状态参数(2)温度T（温度计测温的基本原理）热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)1.3热力学状态及基本状态参数(2)温度T——温标常用温标之间的关系绝对K摄氏℃100373.150.01273.160273.150-273.1537.8冰熔点水三相点水沸点1.3热力学状态及基本状态参数(3)比体积v(specificvolume)[m3/kg]Vvm表征工质聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]1v1.3热力学状态及基本状态参数