[工学]第1章-基本概念及定义ppt课件

1、第一章第一章 根本概念及定义根本概念及定义 教学目的教学目的: 熟练掌握热力学研讨的根本概念及定义。熟练掌握热力学研讨的根本概念及定义。知识点：热力系统；工质热力形状及根本形状参数；知识点：热力系统；工质热力形状及根本形状参数；平衡形状；准静态过程、可逆过程；热力循环。平衡形状；准静态过程、可逆过程；热力循环。重重 点：三种典型的热力系统；点：三种典型的热力系统；p、v、T三个形状参三个形状参数的物理意义；测温测压安装；绝对压力和相对压力数的物理意义；测温测压安装；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的断定准那么。的计算；可逆过程的断定准那么。难难 点：使学生了解并掌握笼统的热力学根本概念。点：

2、使学生了解并掌握笼统的热力学根本概念。1-1 1-1 热能在热机中转变为机热能在热机中转变为机 械能的过程械能的过程活塞活塞曲柄连杆机构曲柄连杆机构气缸气缸两冲程内燃机任务过程(two-stroke cycle engine)进气排气四冲程内燃机任务过程(four-stroke cycle engine)进气排气内燃机汽油机任务物质：燃气燃气热能机械能燃料化学能排入大气n紧缩n熄灭、膨胀n吸气n排气任务过程：能量转换：蒸汽动力安装流程简图蒸汽动力安装流程简图蒸汽动力安装流程简图蒸汽动力安装流程简图 蒸汽动力循环系统简图550C0过过热热器器锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器冷冷却却水水汽汽轮轮机

3、机发电机发电机Q QQ Q12W20C0高温高压蒸汽高温高压蒸汽WWp汽轮机水泵冷凝器锅炉简单蒸汽动力循环过程图锅 炉(热源):燃料熄灭产生热量,将水变成蒸汽(吸热过程)汽轮机:将蒸汽携带的热能动能转子旋转机械能(对外作功过程)冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水(对外放热过程)水 泵:提高水的压力,将水送入锅炉(耗费外功)工 质:水问题:由哪些典型过程组成?热动力安装任务过程的共同点:1、从高温热源吸热(吸热过程)2、将其中一部分转变为功(对外作功过程)3、将其他部分传给低温热源(对外放热过程)4、工质提高压力需求耗功(耗费外功) 内燃机安装内燃机安装 燃气轮机安装燃气轮机安装 蒸

4、汽动力安装蒸汽动力安装 安装称号 任务物质 热 源 冷 源 功水蒸汽水蒸汽 高高 温温 物物 体体 冷却水冷却水 对外输出功对外输出功燃燃 气气 熄灭产物熄灭产物( (本身本身) ) 大大 气气 对外输出功对外输出功燃燃 气气 熄灭产物熄灭产物( (本身本身) ) 大大 气气 对外输出功对外输出功紧缩制冷安装紧缩制冷安装 制冷剂制冷剂 被冷却物体被冷却物体 大大 气气 消消 耗耗 功功1-2 热力系或称热力系统热力系或称热力系统 一、热力系的定义一、热力系的定义 热力学系统热力学系统 热力系热力系 外界外界 边境边境 界面的特性界面的特性可以是真实的，可以是真实的，也可以是虚拟的；也可以是虚拟

5、的；可以是固定的，可以是固定的，也可以是运动或变形的。也可以是运动或变形的。界面热热源源外界外界热力系统热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例研讨气缸中的气体。是什么热力系？研讨气缸中的气体。是什么热力系？热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统续4界面热热源源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统热力系、界面、外界热力系、界面、外界续4系系 统统热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例研讨气缸中的气体翻开阀门。研讨气缸中的气体翻开阀门。是什么热力系？是什

6、么热力系？系系 统统系系 统统热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例系系 统统系系 统统热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例系系 统统系系 统统热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例系系 统统外界外界热力系、界面、外界例热力系、界面、外界例二、热力系统的分类二、热力系统的分类物质物质功功热热物质物质物质物质功功物质物质绝热热力系绝热热力系孤立热力系孤立热力系闭口热力系闭口热力系开口热力系开口热力系( (一一) )按系统与外界之间的相互联络划分：按系统与外界之间的相互联络划分： 1. 1.闭口系闭口系与外界无物质交换的热力系。与外界无物质交换的热力系。 2. 2.开口系开口系与外界有物质

7、交换的热力系。与外界有物质交换的热力系。 3. 3.绝热系绝热系与外界无热量交换的热力系。与外界无热量交换的热力系。 4. 4.孤立系孤立系与外界无任何联络的热力系。与外界无任何联络的热力系。阀门封锁阀门封锁开口举例热力系管道开口举例热力系管道续15来自水泵来自水泵过热器过热器炉墙炉墙蒸发管蒸发管去汽轮机去汽轮机燃料与空气燃料与空气锅炉的简化热力学分析模型锅炉的简化热力学分析模型(主要思索蒸汽的发生主要思索蒸汽的发生)锅炉的简化热力学分析模型锅炉的简化热力学分析模型去凝汽器去凝汽器调速器调速器来自锅炉来自锅炉喷管喷管 叶片叶片 汽轮机汽轮机发电机发电机开口热力系 汽轮机表示图轴功轴功水蒸汽水蒸

8、汽物质物质汽轮机的简化热力学分析模型汽轮机的简化热力学分析模型水蒸汽水蒸汽物质物质汽轮机的简化热力学分析模型汽轮机的简化热力学分析模型来自汽轮机的水蒸汽来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水去水泵的凝结水冷却水冷却水冷却水冷却水( (凝结水凝结水 物质物质蒸汽放热给冷却水蒸汽放热给冷却水冷凝器的简化热力学分析模型冷凝器的简化热力学分析模型水蒸汽水蒸汽物质物质冷凝器的简化热力学分析模型冷凝器的简化热力学分析模型(主要思索蒸汽的凝结主要思索蒸汽的凝结)开口热力系水泵表示图开口热力系水泵表示图锅炉给水锅炉给水物质物质凝结水凝结水物质物质功功水泵的简化热力学分析模型水泵的简化热力学分析模型蒸汽动力安装流程简

9、图蒸汽动力安装流程简图蒸汽动力安装流程简图蒸汽动力安装流程简图冷却水带走热量冷却水带走热量工质放热量工质放热量向外输出功向外输出功汽轮机汽轮机水泵耗功水泵耗功工质吸热量工质吸热量热力系热力系向系统输入功向系统输入功热源供热热源供热蒸汽动力安装的简化热力学分析模型蒸汽动力安装的简化热力学分析模型二按照系统内部的情况可划分二按照系统内部的情况可划分1.1.均匀热力系均匀热力系2.2.非均匀热力系非均匀热力系3.3.单元热力系单元热力系4.4.多元热力系多元热力系5.5.可紧缩系统可紧缩系统6.6.简单可紧缩系统简单可紧缩系统热力系统的分类热力系统的分类1-3 1-3 工质的热力学形状及其根本形状参

10、数工质的热力学形状及其根本形状参数一、热力学形状一、热力学形状 定义定义: :工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理情况。观物理情况。二、平衡形状的描画二、平衡形状的描画 在不受外界影响重力场除外的条件下，假设系统宏在不受外界影响重力场除外的条件下，假设系统宏观特性不随时间变化，那么该系统所处的形状称为平衡形状。观特性不随时间变化，那么该系统所处的形状称为平衡形状。实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。形状和平衡形状描画工质宏观特性的物理量称为形状参数。描画工质宏观特性的物理量称为形状参数。. .热力学中

11、常用的形状参数热力学中常用的形状参数. .形状参数的数学特性形状参数的数学特性三、形状参数三、形状参数. .形状参数的分类形状参数的分类 根本形状参数根本形状参数 导出形状参数导出形状参数按能否用仪器或仪表进展直接或间接丈量划分按能否用仪器或仪表进展直接或间接丈量划分. .压力压力 热力系的单位面积上所遭到的垂直作用力。热力系的单位面积上所遭到的垂直作用力。bppbppgpvpbpbpppbgpppbvppp真空度U U形管式压力计表示图形管式压力计表示图3.3.温度温度热力学第零定律热力学第零定律温度温度 温标【基准点、分度方法】温标【基准点、分度方法】 热力学温标热力学温标 常用的温标常用

12、的温标摄氏温标摄氏温标 t t = T273.15热力学温标与摄氏温标之间的关系：热力学温标与摄氏温标之间的关系：常用温标常用温标绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点1-4 1-4 平衡形状平衡形状, ,形状方程形状方程, ,坐标图坐标图一、平衡形状一、平衡形状 定义定义: :一个热力系一个热力系, ,假设在不受外界影响下假设在不受外界影响下, ,系统的系统的形状可以一直坚持不变形状可以一直坚持不变, ,那么系统的这种

13、形状称为平衡状那么系统的这种形状称为平衡状态态. . 热平衡形状热平衡形状 力平衡形状力平衡形状 化学平衡形状化学平衡形状平衡态平衡态 维持平衡【不受外界影响】维持平衡【不受外界影响】不平衡不平衡 趋于平衡【不受外界影响】趋于平衡【不受外界影响】平衡态平衡态 突破平衡【遭到外界热、功影响】突破平衡【遭到外界热、功影响】 建立新的平衡【与外界】建立新的平衡【与外界】问题：如何定量描画工质的形状？实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。平衡与稳定平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡

14、与均匀平衡与均匀平衡：时间上平衡：时间上均匀：空间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态那么一定是均匀平衡不一定均匀，单相平衡态那么一定是均匀的的二、形状方程二、形状方程对于简单可紧缩系统对于简单可紧缩系统, ,形状方程形状方程: :( , )vf T p( , , )0f T p v 或或三、形状参数坐标图三、形状参数坐标图pv11p1v反映工质处于平衡形状时根本形状参数之间的关系式，反映工质处于平衡形状时根本形状参数之间的关系式，称为形状方程。称为形状方程。Tv1v11T1系统形状的延续变化称系统形状的延续变化称为系统阅历了一个热力为系统阅历了一个热力过程简称过程。过程简称过程。12pv

15、211、针阀的开度非常小p0， 内部无压差；过程实施的假设条件：4、活塞与汽缸壁无摩擦；5、在任何时辰，工质1的内部是均匀的。2、工质内部无温差；3、工质内部无化学反响；12v21p2准静态过程有实践意义吗？准静态过程有实践意义吗？疑问：实际上准静态应无限疑问：实际上准静态应无限缓慢，工程上怎样处置？缓慢，工程上怎样处置？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程运用准静态过程的工程运用例：活塞式内燃机例：活塞式内燃

16、机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度声速压力波恢复平衡速度声速350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间普通的工程过程都可以为是准静态过程普通的工程过程都可以为是准静态过程详细工程问题详细分析。详细工程问题详细分析。“忽然忽然“缓慢缓慢气缸活塞飞轮热源二、可逆过程二、可逆过程可逆过程模拟工质、机器和热源组成的系统过程假设：1、无摩擦；2、热源与工质温差无限小；3、工质与外界压差无限小。气缸活塞飞轮

17、热源左止点1pv二、可逆过程二、可逆过程可逆过程模拟工质、机器和热源组成的系统气缸活塞飞轮热源左止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点1pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点1pv二、

18、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点1pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12

19、pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统气缸活塞飞轮热源左止点右止点12pv二、可逆过程二、可逆过程续41工质、机器和热源组成的系统12过程：热源放热，工质吸热膨胀， 对外作功，推进飞轮旋转12pv21过程：飞轮对活塞作功，工质

20、被压 缩并对热源放热，工质吸热 膨胀 阅历了121过程后，工质回复到原来状态，热源回复到原来形状，机器回复到原来形状。 可逆过程的描画：可逆过程的描画： 系统阅历一个过程后，如令过程系统阅历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初逆行而能使系统与外界同时恢复到初始形状而不留下任何痕迹，那么此过始形状而不留下任何痕迹，那么此过程称为可逆过程。程称为可逆过程。可逆过程的描画可逆过程的描画留意：可逆过程只是指能够性，并不留意：可逆过程只是指能够性，并不 是指必需求回到初态的过程。是指必需求回到初态的过程。可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆

21、过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差经过摩擦使功经过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等磁阻等 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应典型的不可逆过程典型的不可逆过程不等温传热不等温传热节流过程节流过程( (阀门阀门自在膨胀自在膨胀混合过程混合过程可逆过程与准平衡过程的区别：可逆过程与准平衡过程的区别：1.1.可逆过程一定是准平衡过程；可逆过程一定是准平衡过程；2.2.准平衡过程不一定是可逆过程。准平衡过程不一定是可逆过程。实践过程都是不可逆过程！工质从一个形状出发经过一系列的形状变化又工质从一个形状出发经过

22、一系列的形状变化又回到了原来的形状称之阅历了一个热力循环。回到了原来的形状称之阅历了一个热力循环。v1pvp1可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环循环过程及在坐标图上的表示一、功的定义一、功的定义 定义定义: :力和力的方向上位移的乘积力和力的方向上位移的乘积. . 2121FdxWFdxW 对于过程对于过程1-2: 1-2: 符号商定符号商定: :热力系统对外输出功为正热力系统对外输出功为正, ,外界对系统外界对系统作功为负作功为负. .单位、符号、比功、功率单位、符号、比功、功率 二、可逆过程的功二、可逆过程的功 功有何性质功有何性质? ?1 1、是过程量，不是形状量、是过程量，不是形状量

23、2 2、其大小与初、终形状有、其大小与初、终形状有 关，也与途径有关。关，也与途径有关。v1p2ab1V2V2121baWW三、过程热量三、过程热量 定义定义: :热力系和外界之间仅仅由于温度不同而经过边境热力系和外界之间仅仅由于温度不同而经过边境传送的能量传送的能量. . 计算公式计算公式: :Tdsq 2121TdsqdssT21s2s10单位单位符号符号正负正负微小热量微小热量 ：Q 0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。表示系统向外界放热。总热量：总热量： 21QQ积分与过程有关积分与过程有关 。u 热量是过程量热量是过程量系统可以和外界交换热量系统可以和外界交换热量熵熵 Entropy的定义的定义revQdSTreversible熵的简单引入熵的简单引入revqdsT比参数比参数 kJ/kg.Kds: 可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所所得的商得的商 清华大学刘仙洲教授命名为清华大学刘仙洲教授命名为“熵熵广延量广延量 kJ/K热量与容积变化功热量与容积变化功能量传送方式能量传送方式 容积变化