热工基础单元

热工基础单元第1页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院22课程体系两大基础课相关知识工程热力学基本概念工程热力学基本定律水及水蒸汽热力性质典型蒸汽动力循环蒸汽流动与喷管热传递基本方式及其基本规律换热器及其换热效果评价第2页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院33课程要求掌握工程热力学相关基本概念掌握传热学相关基本概念掌握典型热工过程基本规律熟练进行相关计算可用来解释相关的现象和过程第3页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院单元一工程热力学基础知识主要内容工程热力学的研究内容及应用热能转变成机械能的过程和实现条件工质、热力状态及状态参数工质状态变化与参数坐标图理想气体状态方程工质热容第4页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院55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热力学

是研究伴有热效应的一切过程中的能量关系及能量转换的科学第5页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院66工质实现热能和机械能相互转化的媒介物质实例一、工质、热机、热源以及热力系统第6页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院77火力发电装置锅炉汽轮机

发电机给水泵

凝汽器过热器

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)第7页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院88燃气装置1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气第8页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院99内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气internalcombustionengine第9页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院良好的膨胀特性良好的流动性能热力性质稳定与设备相容性好无毒、廉价、易于获得……热力机械中工质的一般性要求用来将热能转变为机械能的设备称为热机第10页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1111热源、冷源工质从中吸取能量的物体叫做热源接受工质排出热能的物体叫做冷源热力系统人为地分割出来、由界面包围着的、作为热力学分析对象的物体总和叫做热力系统，简称热力系第11页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1212外界：系统以外的所有物质外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary第12页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1313边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal

、imaginary第13页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1414热力系统分类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功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系第14页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院15151234mQW1

开口系非孤立系＋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

热力系统分类第15页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1616热力系统其它分类方式

其它分类方式物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相第16页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1717状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：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3、状态参数的微分特征：全微分二、状态及状态参数第17页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1818状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化第18页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院1919状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数第19页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院20核动力装置研究所20强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数

如压力

p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积

V、内能

U、焓

H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol

具有强度参数的性质第20页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2121强度参数与广延参数速度动能高度

位能

内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol第21页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2222常见状态参数压力比容温度内能焓熵pvtuhsPVTUHS基本状态参数复合状态参数导出参数第22页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2323三、基本状态参数压力

p、温度

T、比容

v

（容易测量）1、压力

p(pressure)

物理中压强，单位:

Pa(Pascal),N/m2常用单位Units：

1kPa=103

Pa1bar

=105Pa

1MPa

=106

Pa

1atm

=760mmHg

=1.013105

Pa

1mmHg

=133.3

Pa

1at=1

kgf/cm2

=9.80665104

Pa第23页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2023年4月22日242023年4月22日24压力p测量绝对压力与环境压力的相对值

——相对压力注意：只有绝对压力p

才是状态参数U-tubemanometerBourdonTube示意图第24页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2525绝对压力与相对压力示意图当p

>pb表压力pe当

p<

pb真空度pvpbpeppvp第25页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2626常用压力单位及变换单位面积上的力Pa，MPa，GPa，kPa液柱高度大气压力第26页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2727基本状态参数压力

p、温度

T、比容

v

（容易测量）2、温度t，T第27页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2828温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度

T

0.5

mw2BT

=0.5mw2对气体：第28页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院2929温度的热力学定义热力学第零定律（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。温度测量的理论基础B温度计第29页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3030温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度Scale温标TemperaturescaleReferencestate第30页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3131温标

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)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)第31页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3232常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67第32页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3333温标的换算第33页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3434温度测量装置日常：水银温度计，酒精温度计，

thermometer工业：热电偶Thermocouple

热电阻Resistancetemperaturedetector

辐射温度计Radiationthermometer计量：铂电阻温度计Platinum第34页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3535基本状态参数3、比容

v[m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]压力

p、温度

T、比容

v

（容易测量）第35页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院3636二、热力过程及参数坐标图1、平衡状态一、平衡状态、状态方程式定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院37为什么引入平衡概念？

如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述状态方程第37页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院382、状态方程式平衡状态可用一组状态参数描述其状态想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？只交换热量和一种准静态的容积变化功，只要2个即可第38页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院39平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程3、准平衡状态第39页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院定义工质从一个状态连续变化到另一个状态所经历的状态转化过程叫做热力过程过程→变化过程的简化二、热力过程第40页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院41一般过程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2=p0T2=T0pv12..1、准静态过程第41页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院42准静态过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态第42页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院43准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？第43页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院44准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程第44页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院45准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机

2000转/分

曲柄

2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10

m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”第45页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院462、可逆过程

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。第46页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/22核科学与技术学院47可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

耗散效应第47页，共52页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2