工程热力学ppt课件

第一章基本概念基本概念（Basicconceptsanddefinitions）§1-1热能动力装置（ThermalPowerPlant）定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类{燃气动力装置combustiongaspowerplant蒸汽动力装置steampowerplant{内燃机gasturbineinternalcombustionenginejetpowerplant燃气轮机喷气动力装置返回继续下一页返回继续下一页返回下一页继续四冲程汽油机四冲程柴油机二冲程汽油机蒸汽动力装置（图）锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器泵返回继续下一页2.热源（heatsource；heatreservoir）定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。热源{温度高低温度变化{{高温热源（热源—heatsource）低温热源（冷源—heatsink）恒温热源（constantheatreservoir）变温热源（variationalheatreservoir）3.1热力系统（热力系、系统、体系）和外界及边界系统（thermodynamicsystemorsystem）人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；外界（surrounding）与体系发生能量和物质交换的物质；边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；SystemBoundarySurroundings三者之间的关系：汽缸-活塞装置（闭口系例）汽车发动机（开口系示例）注意：①系统与外界设定的人为性；②外界与环境介质；③边界可以是：ⅰ刚性的或可变形的；ⅱ固定的或可移动的；ⅲ真实存在的或虚拟的。3.2边界示意图3.3热力系统分类（1）•按组元数：系—onecomponentsystem;puresystem多元系—multicomponentsystem•按相数：单相系—homogeneoussystem多相系—heterogeneoussystem注意：1)不计恒外力场的影响;2)多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）；3)单元系未必均匀（汽液平衡分离）。3.4热力系统分类（2）按系统与外界有无质量交换分为：开口系（opensystem）控制体积（CV）通过边界与外界有物质交换；闭口系（closesystem）控制质量（CM）没有物质交换。•绝热系—adiabaticsystem与外界无热量交换；•孤立系—isolatedsystem与外界既无能量交换也无物质交换；•简单可压缩系—simplecompressiblesystem由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。注意：1)闭口系与质量不变系的区别；2)开口系与绝热系的关系；3)孤立系与绝热系的关系。常见的热力常系统3.5热力系统示例图刚性绝热气缸-活塞系统，B侧有电热丝加热红线内—闭口绝热系黄线内不包含电热丝—闭口系黄线内包含电热丝—闭口绝热系蓝线内—孤立系3.6热力系示例图刚性绝热喷管取红线为系统—闭口系取喷管为系统—开口系绝热系？§1-3工质的热力状态及基本状态数•热力学状态—stateofthermodynamicsystem—某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况•状态参数—stateofproperties—描述系统所处状态的宏观物理量a).状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果，　　　只有平衡态才有统一的状态参数。　　　常用的状参有：p,T，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等，　　　其中ｐ，Ｔ，Ｖ称为基本状态参数。　ｂ）状态参数的特性：状态的单值函数　　　　　物理上：与过程无关　　　　　数学上：其微分是全微分c)状态参数的分类：广延量—与系统质量多少有关　　　　　extensiveproperties强度量—与系统质量多少无关　　　　　　intensiveproperties注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如：任意两个系统状态相同的充要条件是：　　　　　所有状参一一对应相等。两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是：　　　　　两个独立的状态参数分别对应相等。一、温度（temperature）　　温度：物体的冷热程度　　热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡热力学第零定律——热平衡定律（thezerothlawofthermodynamics）　如果A与B，A与C热平衡，则B与C热平衡　　　　　　　　　　　　　—测量温度的依据温标（temperaturescale）－温度的表示方法温标的组成：1.基准点，2.刻度华氏温标　基准点：1atm　水　冰点　规定为32°F　　　　　　　　　1atm　水　汽点　规定为212°F　　　　　刻　度：基准点间　1/180　热力学温标　基准点：水的三相点　规定为273.16K刻　度：基准点温度的1/273.16摄氏温标：基准点：1atm　水　冰点　规定为　0　℃　　　　　　　　　1atm　水　汽点　规定为100℃　　　　　刻　度：基准点间　1/100　　　　　　　　热力学温标和国际摄氏温标（thermodynamicsscale;KlvinabsolutetemperaturescaleandCelsiustemperaturescale）　　　　　　T=t+273.15K华氏温标与摄氏温标的关系华氏温标和朗肯温标的关系经验温标：与测温物质的特性有关。二、压力（pressure）压力：即物理上的压强。单位单位换算，一定要注意：见表1-1（P15）压力的测量：1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量　　　　压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外　　　　界压力的差。2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量，　　　　测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力　　　　之差。3.大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝　　　　对压力。绝对压力—absolutepressure表压力—gaugepressure;manometerpressure真空度—vacuumpressure当地大气压—localatmosphericpressure示例图三、比容（specificvolume）比容：单位质量物质所占的体积密度(density)；单位体积物质的质量两者的关系：可见，二者相关，不互相独立。注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。作业：四版1-3，9三版1-3，8；§1-4平衡状态、状态方程式、坐标图讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。一、平衡状态(thermodynamicequilibriumstate)处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。系统处于平衡状态的条件：系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。热平衡(thermalequilibrium)—温差为零力平衡(mechanicalequilibrium)—和力均为零。稳定未必平衡平衡未必均匀反之如何？请思考！非平衡状态：有不平衡势存在！稳定与平衡均匀与平衡平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。二、状态方程式状态公理：例.1)单组分气体系统：2=1-1+2如p和T，当p一定时，T不同则状态不同。2)液或汽态的水：　2=1-1+2。　　　饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2;　　3)水的三相点：　0＝1－3＋2　状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,T)隐含数的形式：F=F(p,v,T)这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问。三、状态参数坐标图简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：pvpTTshTph坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。§1-5工质的状态变化过程热力过程：工质状态变化一、准平衡过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibrium)例.放气：对比右侧：水波向左传播打开关阀时：平衡打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播　　　　　(假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不　　　　　均匀，无统一状态参数。b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时间内可以看作平衡状态。准平衡过程定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复　　　平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过　　　程叫准平衡过程。特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的　　　过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态　　　，准平衡过程又叫准静态过程。进行条件：不平衡势⊿p，⊿T无穷小；　　　　　过程进行得无限缓慢；工　　　　　质有恢复平衡的能力。准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。二、可逆过程和不可逆过程可逆过程(reversibleprocess)定义：过程能经原路径逆行，使　　　系统回复到原来状态；相　　　关的外界也回复到原来的　　　状态而不留下任何改变。例：气缸活塞系统正逆正逆摩擦的影响：a)无摩擦正过程逆过程{b)有摩擦{正过程逆过程逆过程使系统复原，但外界多耗功。结论：摩擦使过程不可逆。温差的影响：a)无温差b)有温差(假设)结论：温差使过程不可逆。　　进一步分析，为使Q能传回，需加热泵，但要消耗一定的功，也不可逆(比较水泵)。但，Q不能传回。压力差的影响：压力差使过程不可逆。{正逆{正逆PFαf非准静态过程—nonequilibriumprocess准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维)可逆过程准平衡过程；反之，准平衡过程可逆过程。？不平衡过程不可逆过程；不平衡过程。不可逆过程？原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。　即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；2.准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆　过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；讨论：3.一切实际过程均不可逆；4.内部可逆过程；外部可逆过程5.可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。§1-6过程功和热量一、功的热力学定义p功的定义：对微元过程(状态发生微小变化)式中：叫微元功；叫折合压力，是考虑外界得到的效果。当状态有限变化时，过程功为：这里：1—初始状态，2—终了状态功的单位：焦(J);功率的单位：瓦(W)。工程中常用的单位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。二、可逆功当过程为可逆过程时，，故可见：可逆过程的功，可由　　　过程中工质状态参数　　　的变化来进行计算。示功图如右：则有，可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。功是过程量。　　某一状态时没有功的概念。(无)功的“正”与“负”的意义：膨胀，压缩，定容，系统对外界作功，如1-2；系统不作功，如1-4；外界对系统作功，如1-3。几点讨论：a)有用功(usefulwork)pbf其中W—膨胀功(compression/expansion)；Wl—摩擦耗功；Wr—排斥大气功；Wu—有用功。例题一b)用外部参数计算不可逆过程的功：?作业：四版1-12，16；三版1-9，13三、广义功(不要求)未言明“不要求”的，一律自学四、过程热量热量(heat)：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。单位：焦耳(J)。正负：系统吸热为“正”，放热为“负”。计算式及其在T-S图上的表示：所以，热是过程量。功与热量的相同与区别：1.二者均为过程量，是传递的能量；2.只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；4.功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化；热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。5.功热量无条件有条件和限度§1-7热力循环一、循环(thermodynamiccycle)定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。特性：系统一切状态参数复原。可逆循环(reversiblecycle)：全部由可逆过程组成的循环；不可逆循环(irreversiblecycle)：其中有部分过程或全部过　　　　　　　　　　　　　　程是不可逆的循环。二、正向循环和逆向循环正向循环(directcycle)　　—热动力循环(powercycle)在p-v图上和T-s图上为顺时针方向进行正向循环：系统净吸热，对外作净功。　　膨胀线在压缩线之上　　吸热线在放热线之上逆向循环(reversecycle)(图中红箭头方向)　　—制冷循环(refrigerationcycle)热泵循环(heat-pumpcycle)在p-v图和T-s图上为逆时针方向进行系统消耗净功，向外界放出净热。一个循环中：　　　工质一定有膨胀作功过程，也一定有压缩耗功过程；作业：四版1-21，23；三版1-15，16一定有吸热过程，也一定有放热过程。(见前图)