工程热力学ppt课件

第一章基本概念,基本概念（Basicconceptsanddefinitions）,1-1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,燃气动力装置combustiongaspowerplant,蒸汽动力装置steampowerplant,内燃机,gasturbine,internalcombustionengine,jetpowerplant,燃气轮机,喷气动力装置,1,返回,继续,下一页,2,返回,继续,下一页,3,返回,继续,下一页,4,四冲程汽油机,5,四冲程柴油机,6,二冲程汽油机,7,返回,下一页,继续,8,蒸汽动力装置（流程图）,锅炉,过热器,汽轮机,发电机,冷凝器,泵,返回,继续,下一页,9,共同本质：,都是通过媒介物的：,1-2工质、热源及热力系统,定义:实现热能和机械能互相转化的媒介物质。,对工质的要求：,膨胀性,流动性,热容量,稳定性、安全性,环保性能,价格,物质三态中气体最合适,1.工质（workingsubstance;workingmedium）,吸热,膨胀做功,排热,来完成从燃料燃烧产生的热能向机械能的转化。,10,2.热源（heatsource；heatreservoir）,定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。,热源,温度高低,温度变化,高温热源（热源heatsource）,低温热源（冷源heatsink）,恒温热源（constantheatreservoir）,变温热源（variationalheatreservoir）,3.1热力系统（热力系、系统、体系）和外界及边界,系统（thermodynamicsystemorsystem）,人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；,外界（surrounding）与体系发生能量和物质交换的物质；,边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；,11,System,Boundary,Surroundings,三者之间的关系：,12,汽缸-活塞装置（闭口系例）,13,汽车发动机（开口系示例）,14,注意：,系统与外界设定的人为性；外界与环境介质；边界可以是：刚性的或可变形的；固定的或可移动的；真实存在的或虚拟的。,15,3.2边界示意图,16,3.3热力系统分类（1）,按组元数：单元系onecomponentsystem;puresystem多元系multicomponentsystem按相数：单相系homogeneoussystem多相系heterogeneoussystem注意：1)不计恒外力场的影响;2)多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）；3)单元系未必均匀（汽液平衡分离）。,17,3.4热力系统分类（2）,按系统与外界有无质量交换分为：开口系（opensystem）控制体积（CV）通过边界与外界有物质交换；闭口系（closesystem）控制质量（CM）没有物质交换。,18,绝热系adiabaticsystem与外界无热量交换；孤立系isolatedsystem与外界既无能量交换也无物质交换；简单可压缩系simplecompressiblesystem由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。注意：1)闭口系与质量不变系的区别；2)开口系与绝热系的关系；3)孤立系与绝热系的关系。,常见的热力常系统,19,3.5热力系统示例图,刚性绝热气缸-活塞系统，B侧有电热丝加热,红线内,闭口绝热系,黄线内不包含电热丝,闭口系,黄线内包含电热丝,闭口绝热系,蓝线内孤立系,20,3.6热力系示例图,刚性绝热喷管,取红线为系统闭口系,取喷管为系统开口系绝热系？,21,1-3工质的热力状态及基本状态数,热力学状态stateofthermodynamicsystem某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况状态参数stateofproperties描述系统所处状态的宏观物理量a).状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果，只有平衡态才有统一的状态参数。常用的状参有：p,T，等，其中，称为基本状态参数。）状态参数的特性：状态的单值函数物理上：与过程无关数学上：其微分是全微分,22,c)状态参数的分类：广延量与系统质量多少有关extensiveproperties强度量与系统质量多少无关intensiveproperties注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如：任意两个系统状态相同的充要条件是：所有状参一一对应相等。两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是：两个独立的状态参数分别对应相等。,23,一、温度（temperature）温度：物体的冷热程度热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡热力学第零定律热平衡定律（thezerothlawofthermodynamics）如果A与B，A与C热平衡，则B与C热平衡测量温度的依据,24,温标（temperaturescale）温度的表示方法温标的组成：1.基准点，2.刻度,华氏温标基准点：1atm水冰点规定为32F1atm水汽点规定为212F刻度：基准点间1/180,热力学温标基准点：水的三相点规定为273.16K刻度：基准点温度的1/273.16,摄氏温标：基准点：1atm水冰点规定为01atm水汽点规定为100刻度：基准点间1/100,25,热力学温标和国际摄氏温标（thermodynamicsscale;KlvinabsolutetemperaturescaleandCelsiustemperaturescale）T=t+273.15K华氏温标与摄氏温标的关系华氏温标和朗肯温标的关系,经验温标：与测温物质的特性有关。,26,二、压力（pressure）,压力：即物理上的压强。单位单位换算，一定要注意：见表1-1（P15）压力的测量：1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外界压力的差。2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量，测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力之差。3.大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝对压力。,27,绝对压力absolutepressure表压力gaugepressure;manometerpressure真空度vacuumpressure当地大气压localatmosphericpressure,28,示例图,三、比容（specificvolume）,比容：单位质量物质所占的体积,密度(density)；单位体积物质的质量,两者的关系：,可见，二者相关，不互相独立。,注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。,作业：四版1-3，9三版1-3，8；,29,1-4平衡状态、状态方程式、坐标图,讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系,定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。,一、平衡状态(thermodynamicequilibriumstate),处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。,系统处于平衡状态的条件：,系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。,热平衡(thermalequilibrium)温差为零力平衡(mechanicalequilibrium)和力均为零。,30,稳定未必平衡,平衡未必均匀,反之如何？请思考！,非平衡状态：有不平衡势存在！,稳定与平衡,均匀与平衡,平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。,31,二、状态方程式,状态公理：,例.1)单组分气体系统：2=1-1+2如p和T，当p一定时，T不同则状态不同。2)液或汽态的水：2=1-1+2。饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2;3)水的三相点：0132,32,状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。,T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,T)隐含数的形式：F=F(p,v,T),这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。,三、状态参数坐标图,简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：,p,v,p,T,T,s,h,T,p,h,坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。,33,1-5工质的状态变化过程,热力过程：工质状态变化,一、准平衡过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibrium),例.放气：,对比右侧：,水,波向左传播,打开,关阀时：平衡,打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播(假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不均匀，无统一状态参数。,b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时间内可以看作平衡状态。,34,准平衡过程,定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫准平衡过程。,特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态，准平衡过程又叫准静态过程。,进行条件：不平衡势p，T无穷小；过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。,准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。,35,二、可逆过程和不可逆过程,可逆过程(reversibleprocess),定义：过程能经原路径逆行，使系统回复到原来状态；相关的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变。,36,例：气缸活塞系统,正,逆,正,逆,摩擦的影响：,a)无摩擦,正过程,逆过程,b)有摩擦,正过程,逆过程,逆过程使系统复原，但外界多耗功。,结论：摩擦使过程不可逆。,37,温差的影响：,a)无温差,b)有温差(假设),结论：温差使过程不可逆。,进一步分析，为使Q能传回，需加热泵，但要消耗一定的功，也不可逆(比较水泵)。,但，Q不能传回。,压力差的影响：压力差使过程不可逆。,正,逆,正,逆,38,P,F,f,非准静态过程nonequilibriumprocess,准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,39,准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维),可逆过程,准平衡过程；,反之，准平衡过程,可逆过程。,？,不平衡过程,不可逆过程；,不平衡过程。,不可逆过程,？,原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立,40,无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；,2.准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；,讨论：,3.一切实际过程均不可逆；,4.内部可逆过程；外部可逆过程,5.可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。,41,1-6过程功和热量,一、功的热力学定义,p,功的定义：对微元过程(状态发生微小变化),式中：,叫微元功；,叫折合压力，是考虑外界得到的效果。,42,当状态有限变化时，过程功为：,这里：1初始状态，2终了状态,功的单位：焦(J);功率的单位：瓦(W)。,工程中常用的单位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。,43,二、可逆功,当过程为可逆过程时，,，故,可见：可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来进行计算。,示功图如右：则有，,可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。,44,功是过程量。某一状态时没有功的概念。(无),功的“正”与“负”的意义：,膨胀，,压缩，,定容，,系统对外界作功，如1-2；,系统不作功，如1-4；,外界对系统作功，如1-3。,45,几点讨论：,a)有用功(usefulwork),pb,f,其中W膨胀功(compression/expansion)；Wl摩擦耗功；Wr排斥大气功；Wu有用功。,例题一,46,b)用外部参数计算不可逆过程的功：,?,作业：四版1-12，16；三版1-9，13,47,三、广义功(不要求)未言明“不要求”的，一律自学,四、过程热量,热量(heat)：,系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。,单位：焦耳(J)。正负：系统吸热为“正”，放热为“负”。,计算式及其在T-S图上的表示：,所以，热是过程量。,48,功与热量的相同与区别：,1.二者均为过程量，是传递的能量；,2.只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量；,3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；,4.功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化；热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。,5.功,热量,无条件,有条件和限度,49,1-7热力循环,一、循环(thermodynamiccycle),定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。,特性：系统一切状态参数复原。,可逆循环(reversiblecycle)：全部由可逆过程组成的循环；不可逆循环(irreversiblecycle)：其中有部分过程或全部过程是不可逆的循环。,50,二、正向循环和逆向循环,正