第1章-工程热力学基础课件

1第1章工程热力学基础1-1热能与机械能的转换过程

1-2基本概念1-3热力学基本定律

1-5热力学的工程应用

1-4热力过程与热力循环

1第1章工程热力学基础1-1热能与机械能的转换过程2一、工程热力学

定义：工程热力学是研究热能与机械能的转换规律、条件、方法，以及工程应用的一门学科。1-1热能与机械能的转换过程燃料（化学能）→热能→机械能→电能燃料能源的利用方式：2一、工程热力学定义：工程3二、热力发动机（热机）定义：实现热能和机械能转换的机械设备。热机的分类：内燃机：一般指活塞式内燃机，广义上的内燃机也包括燃气轮机、喷气式发动机等。外燃机：蒸汽机（蒸汽膨胀推动活塞做功）、蒸汽轮机（蒸汽膨胀推动涡轮旋转做功）3二、热力发动机（热机）定义：实现热能和机械能转换的机械设备4（一）活塞式内燃机：1、结构：汽缸-活塞装置；曲柄-连杆机构；进气门、排气门；点火装置。通过曲柄-连杆机构，把活塞的往复直线运动，转化为曲轴的旋转运动。4（一）活塞式内燃机：通过曲柄-连杆机构，把活塞的往复直线运52、四冲程柴油机工作循环0-1：进气冲程1-6：压缩冲程（2-3-4燃烧过程）6-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。52、四冲程柴油机工作循环61.上止点2.下止点3.活塞行程4.冲程5.曲柄半径6.发动机排量7.工作循环8.压缩比ε3、内燃机基本名词术语61.上止点3、内燃机基本名词术语74、内燃机系统组成：（1）两大机构：曲柄连杆机构,配气机构,（2）四大系统：燃料供给系统,润滑系统,冷却系统；起动系统;点火系统（汽油机）74、内燃机系统组成：（1）两大机构：8•四缸直列式汽车发动机传动轴（万向节）8•四缸直列式汽车发动机传动轴（万向节）9（二）汽轮机装置

汽轮机装置属于外燃机，燃料在锅炉内燃烧。汽轮机内完成热能向机械能的转换，多用于热发电厂。汽轮机冷凝器发电机水泵锅炉1、汽轮机装置组成锅炉；汽轮机；冷凝器；循环水泵。9（二）汽轮机装置汽轮机装置属于外燃机，燃料101011

2、蒸汽动力循环-朗肯循环

朗肯循环由两个定压过程和两个定熵过程（绝热过程）组成；现代热力循环，在朗肯循环基础上，发展起来的回热循环和再热循环。112、蒸汽动力循环-朗肯循环朗肯循环由两个定压过123、热电合供热力发电厂效率小于40%。现代发电厂多采取热电联供方式，提高热能利用效率，称为热电厂。（1）背压式汽轮机供热装置：取消冷凝器。发电效率降低，但是热能综合利用效率提高；特点-发电量受热负荷制约。123、热电合供热力发电厂效率小于40%。现代发13（2）凝汽式汽轮机抽汽供热装置：保留冷凝器，系统存在部分冷凝损失，利用汽轮机抽汽供热。特点—热负荷变动对电能生产影响较小，热效率较背压机组高。13（2）凝汽式汽轮机抽汽供热装置：保留冷凝器，系统存在部141-2基本概念•系统(thermodynamicsystem,system)

人为选定的、作为热力学研究对象。•

外界、环境(surrounding)：与热力系统发生质、能交换的环境。•边界(boundary)：系统与外界的分界面。一、热力系统（系统）141-2基本概念•系统(thermodynamics15状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡状态才能用状态参数描述；热力学常用的状态参数：

基本状态参数：温度T、压力p、体积V；

其他常用参数：热力学能U、焓H、熵S。二、热力系统的状态参数描述热力系统所处状态的参数，称为状态参数。状态参数是热力过程计算的基础。15状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡状16（一）温度T1、温度的热力学定义：温度是反映两个系统是否处于热平衡的状态参数；是描述热平衡系统冷热状况的物理量；微观上，温度反映了构成热力系分子热运动的强弱。热平衡：两个物体之间不发生热交换。16（一）温度T1、温度的热力学定义：热平衡：两个物体之172、温标：温标是温度测量的标度（标尺）。（1）摄氏温标用符号“t”表示，单位℃

。两点定度：冰点：0℃；沸点：100

℃。172、温标：（1）摄氏温标18（2）华氏温标用符号“t”表示，单位℉。两点定度：冰点：32℉；沸点：212℉。欧美国家常用华氏温标：{t}℉

=1.8{t}℃

+3218（2）华氏温标欧美国家常用华氏温标：{t}℉=1.19（3）热力学温标根据热力学原理确定的温标，称为热力学温标（绝对温标）。相比经验温标，热力学温标不依赖工质的性质。用符号“T”表示，单位K（开尔文）

。单点定度：水的三相点为基准点（273.16K）T(K)=t(℃)+273.15,K

绝对零度0K（-273.15℃），为低温极限。19（3）热力学温标根据热力学原理确定的温标，称20（二）压力p

1、压力的概念固体表面的压力通常是弹性形变的结果，一般属于接触力。液体表面的压力是重力作用的结果。气体表面的压力通常是分子运动的结果。习惯上，在力学和多数工程学科中，“压力”一词与物理学中的“压强”同义。20（二）压力p1、压力的概念212、压力单位压力的基本单位是“帕斯卡”，1pa=1N/m2

常用单位：1kpa=1×103pa，1Mpa=1×106pa其他单位：1bar=1×105pa；mH2O；mmHg1atm=760mmHg=10.34mH2O=1.01325×105pa

标准大气压：北纬45度海平面常年平均大气压力。212、压力单位压力的基本单位是“帕斯卡”，1pa=1N223、压力的测量测量气体压力时，由于测量压力表受到气体压力和大气压的共同作用，所以测量压力表的读数总是气体压力和大气压力的差值，需要计算才能得到真实压力。223、压力的测量测量气体压力时，由于测量压力23（1）气体压力大于大气压时，采取压力表测量。（2）气体压力小于大气压时，采取真空计测量。式中，p-绝对压力;pe-表压力;pv-真空度;pb-当地大气压。23（1）气体压力大于大气压时，采取压力表测量。（2）气体压24（三）体积V体积V：体积是指物质或物体所占空间的大小。比体积v：单位质量的工质占有体积。比体积与密度互为倒数关系:24（三）体积V体积V：体积是指物质或物体所占空间的大小。比25（四）热力学能U

概念：构成热力系的微观粒子储存的能量，kJ;热力学能组成：内动能+内位能、化学能、原子能…..（内能）一般不涉及化学、原子反应时：U=Uk+Up比热力学能u：单位质量工质的热力学能：u=U/m，kJ/kg内动能Uk：主要取决于系统温度T；内位能Up：主要取决于系统压力p。25（四）热力学能U概念：构成热力系的微观粒子储存的能量26（五）焓H

概念：流体的热力学能与推动功之和，kJ；焓的定义式：H=U+pV，kJ

比焓h：单位质量工质的焓：h=H/m=u+pv，kJ/kg26（五）焓H概念：流体的热力学能与推动功之和，kJ；27（六）熵S

物理意义：构成热力系统微观粒子运动混乱程度的度量。玻尔兹曼公式：S=kBlnΩΩ-系统处于平衡状态的微观状态总数。熵可以判断自发过程方向：系统自发地向熵增加的方向进行。27（六）熵S物理意义：玻尔兹曼公式：S=kBlnΩΩ-28熵S的定义式：dS=dQ/T，kJ/K；（熵变）比熵s：单位质量工质的熵：s=S/m=dq/T，kJ/(kgK)。28熵S的定义式：291-3热力学基本定律

一、热力学第一定律：（一）热力学第一定律的表述表述：“热能与机械能可以互相转换，转换前后能量的总量保持不变”。本质：“能量守恒与转化定律”在热力学中的应用。291-3热力学基本定律一、热力学30

（二）热力学第一定律表达式：1、闭口系统的表达式Q=△U+W，kJq=△u+w，kJ/kgQ-吸热量；W-膨胀功；△U-热力学能变化。30（二）热力学第一定律表达式：1、闭口系统的表达312、稳定流动开口系统的表达式,kJ△H—进出口焓变化；WiQh1z1z2cf1基准面dEcvcf2h2,kJ/kg—动能变化；—位能变化；Ws—系统输出轴功。312、稳定流动开口系统的表达式,kJ△H—进出口焓变化；32[例题1]、进入某汽轮机的新蒸汽比焓为h1=3441kJ/kg，流速为c1=50m/s。由汽轮机排出的乏汽的比焓降为h2=2248kJ/kg，流速为c1=120m/s。设通过汽轮机的蒸汽流量为50吨/小时。求：该汽轮机的功率。解：根据稳定流动开口系能量方程，得，汽轮机功率：32[例题1]、进入某汽轮机的新蒸汽比焓为h1=3441kJ33二、热力学第二定律与热力学能相关的能量传递和转化过程，都具有方向性，如传热、自由膨胀等。自发过程：能够自动进行，不需要附加条件；非自发过程：自发过程的反方向过程，需要在一定的附加条件才能进行；热力学第二定律研究内容：研究能量传递和转换的方向、条件与转换限度。（一）热力学第二定律的研究内容33二、热力学第二定律与热力学能相关的能量传递34非自发过程条件分析：热量从低温热源传到高温热源，为非自发过程。在制冷循环中，通过消耗机械能，实现热量从低温热源传导高温热源。消耗机械能就是附加条件。能量转换分析：非发过程的进行需要伴随一个自发过程才能进行

。结论：34非自发过程条件分析：热量从低温热源传到高温热源，为非自发35（二）热力学第二定律的表述1、克劳修斯论述

1850年，克劳修斯指出“热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体”。2、开尔文论述1851年，开尔文指出：“不可能制造出从单一热源吸热，将之全部转化为功，而不留下其他变化的热力发动机”。非发过程的进行需要伴随一个自发过程才能进行

。35（二）热力学第二定律的表述1、克劳修斯论述2、开尔文36永动机：第一类永动机：不消耗能源而不断做功的机器（违反热力学第一定律）；第二类永动机：从单一热源吸热，将之全部转化为功的热力发动机（违反热力学第二定律）。1775年法国科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请。热力学第二定律的表述：第二类永动机不可能实现。36永动机：第一类永动机：不消耗能源而不断做功的机器（违反热37（三）热力学第二定律的表达式1、熵参数形式

对于孤立系统：孤立系统热力过程向熵增加的方向进行。2、火用参数形式热力学第二定律：能量转换前后火用损失总是正值（火用值下降，能质蜕变）。37（三）热力学第二定律的表达式1、熵参数形式对381-4热力过程与热力循环一、热力过程热力学能与机械能的转换是通过气体工质的膨胀、压缩、吸热、放热等热力过程实现的。热力过程可以在坐标图上表示出来。p-v图表示压力变化情况；T-S图表示温度变化情况。381-4热力过程与热力循环一、热力过程p39（一）膨胀功计算工质膨胀时，对外做膨胀功；工质被压缩时，外界对气体做压缩功。膨胀功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。kJ示功图39（一）膨胀功计算工质膨胀时，对外做膨胀功；工质被压缩时，40（二）传热量计算系统与外界的传热量，可由工质熵变化计算。吸热时，系统的熵增加；放热时系统的熵减少。kJ吸热量可以用T-S图上过程线与S轴包围的面积表示。热量的单位：kJ。1kcal=4.1868kJ。示热图

40（二）传热量计算系统与外界的传热量，可由工质熵变化计算。41二、热力循环热力过程：实现热能与机械能的一次转换。热力循环：实现热能与机械能的连续转换。四冲程柴油机热力循环气体热力膨胀过程41二、热力循环四冲程柴油机热力循环气体热力膨胀过程42（一）正向循环（热机循环）在p－v图及T－s图上按照顺时针方向进行；能量转换分析：净输出功：Wnet=W1-2-3-W3-4-1

循环吸热量Q1，放热量Q2。

循环热效率：热机模型42（一）正向循环（热机循环）在p－v图及T－s图上按43（二）逆向循环（制冷循环）在p－v图及T－s图上按照逆时针方向进行；能量转换分析：净消耗功：Wnet=W3-4-1–W1-2-3

循环吸热量Q2，放热量Q1。

制冷系数：制冷机模型43（二）逆向循环（制冷循环）在p－v图及T－s图上按441-5热力学的工程应用一、喷管及应用流体通过一段截面变化的管道，压力下降、流速升高，这样的变截面管道，称为喷管。A-渐缩喷管B-渐扩喷管C-LAVAL喷管渐缩喷管-使亚音速流体加速；渐扩喷管-使超音速流体加速；LAVAL喷管（缩放喷管）-亚音速流体变成超音速流体。441-5热力学的工程应用一、喷管及应用流体通过一段45喷管出口流速计算：根据稳定流动开口系统能量方程：简化得到：喷管出口流速c2，取决于喷管入口压力p1与喷管出口环境压力pb（背压）之比；进出口压力之比越大，喷管出口流速越高。45喷管出口流速计算：根据稳定流动开口系统能量方程：简46喷管是一种能量转换部件，通过截面的变化把系统的储存能变成动能（提高流速）。[应用1]：涡轮喷气发动机：46喷管是一种能量转换部件，通过截面的变化把系统的储存能变成474748[应用2]：喷射泵喷射泵是一种流体动力泵，不耗电能、没有机械传动构件，借助另一种工作流体的能量做动力源来输送液体；喷射泵主要由喷嘴（LAVAL喷管）、混合室和扩压管等部分构成。包括水蒸气喷射泵、空气喷射泵、水喷射泵等；喷射泵用来抽吸易燃易爆的物料时，具有很好的安全性。喷射泵适用于高温、高压、高真空领域。48[应用2]：喷射泵第1章-工程热力学基础ppt课件50[应用3]：文丘里管流量计文丘里流量计是一种常用的测量有压管道流量的装置，属压差式流量计，常用于测量空气、天然气、煤气、水等流体的流量。它包括“收缩段”、“喉道”和“扩散段”三部分，安装在需要测定流量的管道上。50[应用3]：文丘里管流量计文丘里流量计是一种常用的测量有51二、活塞式内燃机1、分类按燃料：煤气机(gasengine)

汽油机(petrolengine)

柴油机(dieselengine)按冲程：二冲程(two-stroke)

四冲程(four-stroke)按点火方式：点燃式(sparkignitionengine)

压燃式(compressionignitionengine)51二、活塞式内燃机1、分类按燃料：煤气机522、四冲程柴油机热力循环四冲程柴油机实际循环：0-1：进气冲程1-2：压缩冲程（c-3-4燃烧过程）2-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。柴油机与汽油机主要区别：进气冲程：空气进入气缸；压缩冲程：压缩比ε=12～22；燃烧过程：压燃式，无点火装置；522、四冲程柴油机热力循环四冲程柴油机实际循环533、四冲程汽油机热力循环四冲程汽油机实际循环：0-1：进气冲程1-2：压缩冲程2-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。汽油机与柴油机主要区别：进气冲程：燃料空气进入气缸；压缩冲程：压缩比ε=9～12；燃烧过程：点燃式，点火装置；内燃机压缩比：533、四冲程汽油机热力循环四冲程汽油机实际循环54内燃机热效率对比：汽油机热效率：η=35%；柴油机热效率：η=45%缸内直喷（GDI）：压缩比高达12，提高热效率；涡轮增压（Turbo）：增加进气量，提高功率。提高汽油机热效率措施：54内燃机热效率对比：汽油机热效率：η=35%；柴油机热效率55汽轮机装置属于外燃机，燃料在锅炉内燃烧。汽轮机内完成热能向机械能的转换，多用于热发电厂。汽轮机冷凝器发电机水泵

锅炉1、蒸汽动力循环装置锅炉、汽轮机；冷凝器、循环水泵。三、蒸汽动力循环装置55汽轮机装置属于外燃机，燃料在锅炉内燃烧。汽轮机内汽轮机结构：汽轮机结构：57

2、蒸汽动力循环-朗肯循环

水蒸气朗肯循环：0-1：锅炉内吸热：未饱和水→过热蒸汽；1-2：汽轮机内绝热膨胀：过热蒸汽→湿蒸汽；2-3：冷凝器内定压放热：湿蒸汽→饱和水；0-3：水泵内绝热压缩：饱和水→未饱和水572、蒸汽动力循环-朗肯循环水蒸气朗肯循环：583、水蒸气定压加热发生过程

水蒸气概念：未饱和水：t<ts饱和水：饱和温度ts=f(p)湿蒸汽：干度x=mv/(mw+mv)饱和蒸汽：t=ts过热蒸汽：t>ts583、水蒸气定压加热发生过程水蒸气概念：59p/MPa0.010.020.050.10.20.5ts/℃45.79860.06581.33899.634120.240151.867水蒸气饱和状态：饱和温度ts与压力p有关：ts=f(p)59p/MPa0.010.020.050.10.20.5t60四、制冷循环（一）蒸气压缩式制冷1、制冷装置压缩机：压缩制冷剂；冷凝器：向环境放热；节流阀：节流降压降温；蒸发器：从冷库吸热。←冰箱制冷装置60四、制冷循环（一）蒸气压缩式制冷1、制冷装61汽车空调系统：61汽车空调系统：62冰箱制冷系统：62冰箱制冷系统：632、制冷原理定熵压缩过程1-2：气态制冷剂进入压缩机压缩，变成过热蒸汽，温度压力同时升高；定压放热过程2-3：过热蒸汽进入冷凝器向环境放热，凝结成饱和液体，温度下降；绝热节流过程3-4：高压制冷剂液体，经膨胀阀进行绝热膨胀降压，同时温度继续下降；定压吸热过程4-1：低温制冷剂液体在蒸发器内吸热蒸发，在出口变成饱和蒸汽。632、制冷原理定熵压缩过程1-2：气态制冷剂进入压缩机压缩643、冷库制冷系统主要设备：（1）活塞式压缩机压缩机是制冷机的主要（