《工程热力学》第四章-工质的热力过程

《工程热力学》第四章-工质的热力过程CATALOGUE目录工质及其基本性质热力过程基本概念工质在热力过程中状态变化典型热力过程分析热力过程计算方法实际应用中注意事项01工质及其基本性质工质是实现热能和机械能相互转换的媒介物质，如蒸汽、燃气、空气、制冷剂等。工质定义根据工质在热力过程中的作用和应用领域，可将其分为理想气体、实际气体、饱和蒸汽、过热蒸汽、压缩气体等。工质分类工质定义与分类ABCD基本物理性质密度单位体积内工质的质量，反映了工质的稠密程度。热导率表征工质传导热量的能力，即单位时间内通过单位面积的热流量与温度梯度的比值。比热容单位质量的工质在温度变化时所吸收或放出的热量，表征了工质的吸热和放热能力。粘度表征工质流动时内摩擦力的大小，影响工质的流动和传热性能。化学性质及反应化学性质工质的化学组成和分子结构决定了其化学性质，如可燃性、氧化性、稳定性等。化学反应在高温、高压等特定条件下，工质可能发生化学反应，如燃烧、爆炸、腐蚀等。这些反应对热力过程的进行和设备的安全性有重要影响。描述工质状态参数之间关系的数学表达式，如理想气体状态方程、范德华方程等。这些方程反映了工质的宏观性质和行为规律。状态方程描述工质状态的物理量，如压力、温度、比容等。这些参数的变化决定了工质在热力过程中的行为和性能。状态参数状态方程与参数02热力过程基本概念03边界条件热力系统的边界条件决定了系统与外界交换热量和做功的方式和程度。01能量交换热力系统通过与外界交换热量和做功来实现能量的传递和转化。02物质交换在开放系统中，工质可能通过系统的边界与外界发生质量交换。热力系统与外界交换非平衡态系统内部各部分状态参数存在差异，或者状态参数随时间发生变化。稳态与非稳态稳态是指系统状态参数不随时间变化，但可能存在物质和能量的流动；非稳态则是指系统状态参数随时间发生变化。平衡态系统在没有外界影响的条件下，内部各部分具有相同的物理和化学性质，且状态参数不随时间变化。平衡态与非平衡态准静态过程过程中系统内部和外界之间的不平衡势差无限小，使得过程可以视为无数个平衡态的连续组合。可逆过程系统和外界都能恢复到原来状态的过程，没有任何能量损失和耗散。不可逆过程存在能量损失和耗散，系统和外界无法完全恢复到原来状态的过程。准静态过程与可逆过程循环过程工质从某一状态开始，经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程。热效率循环过程中输出功与输入热量的比值，是衡量热力系统性能的重要指标。热力学第二定律与效率热力学第二定律揭示了热功转换的方向性和限度，为热力循环过程的效率提供了理论基础。循环过程与效率03020103工质在热力过程中状态变化工质在热力过程中，温度会发生变化，这是热量传递和转换的必然结果。温度变化压力变化体积变化随着温度的变化，工质的压力也会相应改变，二者之间存在一定的关系。工质在受热或冷却时，其体积会发生膨胀或收缩，这是物质的基本物理性质之一。030201温度、压力、体积变化工质在热力过程中可能会发生相变，如固态到液态、液态到气态等。相变现象相变过程中，工质会释放或吸收潜热，这是相变过程中的重要特征。潜热释放或吸收利用工质的潜热特性，可以实现能量的储存和转换，提高能源利用效率。潜热的应用相变及潜热释放或吸收熵增原理热力过程中，工质的熵总是增加的，这是热力学第二定律的表述之一。不可逆性由于熵增的存在，热力过程总是不可逆的，即无法自发地回到初始状态。熵增与能源利用熵增原理对能源利用和环境保护具有重要意义，需要合理规划和利用能源资源。熵增原理和不可逆性能量传递工质在热力过程中会通过热传导、对流和辐射等方式进行能量传递。能量转换与传递的应用了解能量转换与传递的规律，有助于优化热力系统设计和提高能源利用效率。能量转换热力过程中，工质的内能、动能和势能之间会发生转换，这是能量守恒定律的体现。能量转换与传递04典型热力过程分析123等容过程是指系统容积保持不变，即V=常数的过程。定义在等容过程中，系统不与外界交换功，即容积变化功为零。同时，由于系统容积不变，工质的密度保持不变。特点等容过程在热力学理论和实际应用中具有重要意义，如在分析内燃机工作过程中，燃烧过程可近似看作等容过程。应用等容过程等压过程是指系统压力保持不变，即p=常数的过程。定义在等压过程中，系统与外界交换的功等于系统容积变化与压力的乘积。同时，由于压力不变，工质的温度与比容成反比变化。特点等压过程在热力发电、制冷和空调等领域有广泛应用，如蒸汽在汽轮机中的膨胀过程可近似看作等压过程。应用等压过程等温过程是指系统温度保持不变，即T=常数的过程。定义在等温过程中，系统与外界交换的热量等于系统对外所做的功。同时，由于温度不变，工质的内能保持不变。特点等温过程在热力学理论和实验中具有重要意义，如在分析可逆热机、制冷机和热泵等工作原理时，等温过程是关键环节。应用等温过程定义01绝热过程是指系统与外界无热量交换的过程，即Q=0。特点02在绝热过程中，由于无热量交换，系统的温度变化只能由工质内部的能量转换引起。同时，绝热过程是一个不可逆过程。应用03绝热过程在热力学理论和实际应用中具有重要意义，如在分析火箭发动机、喷气发动机和压缩机等工作原理时，需要考虑工质的绝热压缩和绝热膨胀过程。绝热过程05热力过程计算方法利用焓和熵作为坐标轴，表示工质状态及状态变化过程，直观展示热力循环和热力过程。焓熵图（h-s图）以温度和熵为坐标轴，常用于表示制冷循环和热泵循环等热力过程。温熵图（T-s图）以压力和焓值为坐标轴，用于表示压缩式制冷系统和蒸汽动力系统等。压焓图（p-h图）图表法热力学第一定律计算系统能量变化和热量传递，涉及内能、功和热量等概念。状态方程描述工质状态参数之间关系的数学表达式，如理想气体状态方程、范德华方程等。热力学第二定律分析热力过程的不可逆性，计算熵增和效率等。公式法有限元法将热力系统划分为有限个单元，对每个单元进行近似计算，最终得到整个系统的解。迭代法通过逐步逼近的方式求解非线性方程或方程组，常用于求解复杂热力过程的数值解。有限差分法将连续的热力过程离散化，通过差分方程求解各离散点的状态参数。数值解法工程热力学软件专门用于热力过程模拟和计算的软件，如EES（EngineeringEquationSolver）等，具有强大的方程求解和图形绘制功能。通用数学软件如MATLAB、Python等，通过编写程序实现热力过程的数值计算和可视化展示。CAD/CAE软件计算机辅助设计和工程分析软件，如SolidWorks、ANSYS等，可用于建立三维模型、进行热力分析和优化设计等。软件辅助计算06实际应用中注意事项01选择工质时，需要考虑其沸点、熔点、密度、粘度、比热容、导热系数以及化学稳定性等。工质的物理和化学性质02优先选择环保型工质，如R134a、R404A等，避免使用对臭氧层有破坏作用或温室效应显著的工质。工质的环保性03在满足性能要求的前提下，应尽量选择价格低廉、易于获取的工质。工质的经济性选择合适工质环境压力环境压力的变化会影响工质的物性，进而影响系统的性能，因此需要对环境压力进行合理预测和评估。环保法规遵守环保法规，选择符合环保要求的工质和热力过程。环境温度工质的热力过程受环境温度影响较大，设计时需要充分考虑环境温度的变化范围。考虑环境因素系统匹配优化热力系统各部件之间的匹配关系，提高系统整体效率。流程优化通过改进工艺流程、减少不必要的环节和损失，提高热力过程的效率。换热器设计合理设计换热器结构，提高换热效率，减少热损失。优化设计以提高