热工基础第一章

1、第一章第一章 基本概念基本概念系统系统1、热机、热机能源转换利用的关系能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机90%转转换换 热热 机机 种种 类类 发电（火力、核能）发电（火力、核能） 40% 车辆发动机（内燃机）车辆发动机（内燃机） 2535% 轮船发动机轮船发动机 2535% 航空发动机航空发动机 2030%能量利用率能量利用率火电厂系统图火电厂系统图火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮

2、机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 基本特点：基本特点：1、热源，冷源热源，冷源2、工质工质（水，蒸汽）（水，蒸汽）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )航空发动机（燃气循环）航空发动机（燃气循环）活塞活塞燃气发电装置燃气发电装置活塞活塞燃气装置燃气装置基本特点：基本特点：1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气） 3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气单缸汽油发动机构造（内燃机）单缸汽油

3、发动机构造（内燃机） 图6-15 单缸汽油机构造示意图-火花塞 2-气缸盖 3-出水口 4-气缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞销 9-进水口 10-连杆 11-飞轮 12-曲轴 13-机油管 14-曲轴箱 15-机油泵 16-曲轴正时齿轮 17-凸轮正时齿轮 18-凸轮轴 19-排气管20-进气管 21-进气门 22排气门 23-化油器内燃机内燃机装置装置空气、油空气、油废气废气吸气吸气点火点火膨胀膨胀排气排气内燃机内燃机装置装置基本特点：基本特点：1、热源，冷源、热源，冷源2、工质（燃气）、工质（燃气）3、膨胀做功、膨胀做功4、循环、循环 (加压、加热、加压、加热、 膨胀做功、放热

4、膨胀做功、放热)制冷空调制冷空调装置装置基本特点：基本特点：1、热源，冷源、热源，冷源2、工质（制冷剂）、工质（制冷剂）3、得到容积变化功、得到容积变化功4、循环、循环 (加压、放热、加压、放热、 膨胀、吸热膨胀、吸热)动力动力装置装置共同基本特点：共同基本特点： 1、热源，冷源热源，冷源 2、工质工质 3、容积变化功容积变化功 4、循环循环 1-1 1-1 热力系统热力系统热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为选取：人为选取的研究对象的研究对象外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、系统与边界、系统与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统

5、系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 开口系开口系系统系统非

6、孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功1-2 状态和状态参数状态和状态参数状态：状态：某一瞬间工质所呈现的宏观状况某一瞬间工质所呈现的

7、宏观状况状态参数：状态参数：描述工质描述工质平衡状态平衡状态的物理量的物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、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积分特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分强度参数与广延参数强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V

8、、热力学能热力学能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比比体积体积VvmUum比比热力学能热力学能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质1-3 基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度、温度 T、比体积、比体积 v （容易测量）（容易测量）1 1、压力压力 p 物理中物理中压强压强，单位单位: Pa , N/m2常用单位：常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.8066

9、5 104 Pa 1 psi=0.006895MPa压力压力p测量测量一般是一般是工质工质绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p 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应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 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=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复

10、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）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中以汽缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W = p A

11、dl =pdV1kg工质工质 w =pdvdl 很小很小，近似认为近似认为 p 不变不变准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外2mkg工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意： 上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程示功图示功图pV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV. .12. .2） p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的功的大小与路径有关大小与路径有关， 功是功是过程量过程量4）统

12、一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正） dV0，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流体）工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦损失的影响摩擦损失的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，系再返还给系统，

13、系统得到的功统得到的功W T2Q自由膨胀自由膨胀真空真空典型的不可逆过程典型的不可逆过程节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2混合过程混合过程引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便

14、，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆1-7 功功 量量1 1、力学力学定义定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义(外文参考书外文参考书） a a、当热力系与外界发生能量传递当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的时，如果对外界

15、的唯一效果可归结为唯一效果可归结为取起重物取起重物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。 b b、功是系统与外界相互作用的一功是系统与外界相互作用的一种方式，在种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运运动方式传递的能量动方式传递的能量。例：火力发电装置例：火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器功的表达式功的表达式功功的一般表达式的一般表达式dwF xdwF x热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 dwp vdwp v其他准静态功：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等1-8 热热 量量 与

16、与 熵熵1 1、热量热量定义：定义： 热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。 另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界相是热力系与外界相互作用的另一种方式，在互作用的另一种方式，在温度温度的推动下，的推动下，以微观以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能量能量。热热 量量 如如 何何 表表 达达 ？热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”热量与容积变化功热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动

17、力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆熵（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所得的所得的商商 广延量广延量 kJ/K熵的说明熵的说明1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、正负号正负号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 Q 0 dS 0系统系统放热放热时时为为负负 Q 0 dS pBAB非准静态过程，非可逆过程非准静态过程，非可逆过程取取A或或B中