工程热力学第1章基本概念及定义2010.ppt

《工程热力学第1章基本概念及定义2010.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学第1章基本概念及定义2010.ppt（82页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,2,一、热能动力装置(Thermal power plant),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,气体动力装置(combustion gas power plant) 内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机装置(gas turbine power plant) 喷气发动机(jet power plant

2、) 蒸气动力装置 (steam power plant),1-1 热能和机械能相互转换的过程,3,二、工质(working substance; working medium),定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。,对工质的要求:,物质三态中 气态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,4,三、热源(heat source; heat reservoir),定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。, 高温热源热源 （ heat source ） 低温热源冷源（heat sink） 恒温热源(constant heat r

3、eservoir) 变温热源,5,蒸汽动力装置中热能转变为机械能的过程,热能动力装置的工作过程：,6,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,7,1-2 热力系统, 系统(thermodynamic system, system),人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。, 外界(surrounding )：,系统之外的所有物质统称为外界或环境。, 边界(boundary)：,系统与外界的分界面。,一、定义,

4、系统与外界的作用都通过边界,8, 汽缸-活塞装置,二、系统及边界示例,9,二、系统及边界示例, 汽车发动机,10,边界特性,固定、活动,真实、虚构,11,闭口系（closed system） 系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换.（控制质量系）。,开口系（open system） 系统与外界之间既有物质 交换，又有能量交换。 （控制容积系统）。,(1) 按系统与外界是否进行质量交换,三、热力系分类,12,2. 按系统与外界能量交换情况划分,a: 简单系统（Simple system）,b: 绝热系统（Adiabatic system）,c: 孤立系统（Isolated system）,系统

5、与外界只交换热量和一种形式的功。,系统与外界之间完全没有热量交换。,系统与外界之间既无物质，又无能量交换。,13,1 开口系,热力系统,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,14,1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。,注意：,3. 简单可压缩系统（simple compressible system） 最重要的系统,只交换热量和一种体积变化功的系统,体积变化功,压缩功膨胀功,15,三、热力系分类,按组元数 单元系 由单一化学成分的物质组成，即纯质系统。 多元系 由多种物质组成的系统。,按相

6、数 (一个相是指物质系统在空间上一个均匀的部分， 例如气相、液相等。) 单相系 复相系,注意：1）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀湿蒸汽； 单元系未必均匀气液平衡分离状态。,4. 按组元和相数划分,16,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,17,1-3 工质的热力学状态和基本状态参数,热力学状态 把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理 状况称为工质的热力学状态，简称状态 状态参数 描述物系所处状

7、态的宏观物理量,热力学状态和状态参数,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,18,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,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,19,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,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

8、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,21,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,热力学第零定律（the zeroth law of Thermodynamics） 如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡， 则它们彼此也处于热平衡。,引出了温度的概念,22,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。,23,经验温标,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,

9、基准点,刻度 Scale,Reference state,温标： 温度的数值表示法。,24,温标Temperature scale, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),25,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F

10、,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,26,温标的换算,27,Temperature Measurement Devices,水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干

11、涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,28,2. 压力 （pressure）,（1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，用p表示。,（2）单位：,大气压的倍数表示 atm, at,液柱的高度表示 mH2O, mmHg,国际单位制，单位面积上所受的力表示 pa,常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,29,压力p测量,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-t

12、ube manometer,Bourdon Tube,30,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 pv,pb,pe,p,pv,p,relative pressure,absolute pressure,Gage pressure,Vacuum pressure,31,环境压力与大气压力,注意,环境压力一般为大气压，但也不一定。见习题1-9。,环境压力指压力表所处环境,32,大气压力Atmospheric pressure,大气压随时间、地点变化,物理大气压 1atm = 760mmHg,当h变化不大，常数,1mmHg = gh = 133.322Pa,当

13、h变化大， (h),33,高精度测量：活塞压力计 piston manometer,工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,34,比体积和密度,比体积(specific volume),单位质量工质的体积,密度(density),单位体积工质的质量,两者关系:,35,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,36,1-4 平衡状态（equili

14、brium state）,平衡状态： 一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下， 系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态 为平衡状态。,A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.,37,（2）力平衡： 组成热力系统的各部分之间没有相对位移， 是否存在压力差是判断系统处于力平衡的条件。,（3）化学平衡： 化学反应宏观上停止，反应物和生成物的化学位 相等是实现化学平衡的充要条件。,（1）热平衡： 组成热力系统的各部分之间没有热量传递， 是否存在温度差是判断系统

15、处于热平衡的条件。,系统达到平衡状态的充要条件,（4）相平衡： 系统内化学势处处相等(组元的偏化学势在各相相等),38,不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下， 总会自发地趋于平衡状态。,只有在系统内部和系统与外界之间一切不平衡的 势差都消失时，系统的一切宏观变化才可停止， 热力系统所处的状态为平衡状态。,注意：,39,平衡Equilibrium与稳定Steady,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响， 则状态变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,40,平衡Equilibrium与均匀Even,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,41,

16、状态公理,n系统独立的状态参数数； f系统与外界交换功形式数。,简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式。,例： p = f ( v, T )， v = f (p, T )， T = f ( v, p ),状态方程式 表示状态参数之间关系的方程式。,F ( p, v, T ) = 0,42,状态参数坐标图,一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,43,坐标图,简单可压缩系统 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,说

17、明：,2）过程线中任意一点 为平衡态,3）不平衡态无法在图 上用实线表示,2,1,44,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,45,工质的状态变化过程,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,46,准静态过程,热力过程 （thermodynamic process） 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程,变化过程,对实际过程简化的思想,47,准平衡过程 （qu

18、asistatic process）,准平衡过程（准静态过程） ： 假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于 平衡状态的过程。,48,一般过程,1、若p1 = p0+重物 为平衡状态1,p,p0,3、当p2 = p0 达到新的平衡状态2,p,v,1,2,.,.,2、突然去掉重物 则 p1 p0 活塞上行 中间状态：不平衡状态 中间过程：不平衡过程,49,准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,50,实现条件 ：,推动过程进行的势差（温差，压差）无限小， 保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡状态

19、。,特点： 是实际过程进行的无限缓慢的极限情况，是热力学意义上的缓慢。,好处： （1）可用确切的状态参数描述过程； （2）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程,驰豫时间 （relaxation time） 当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。,51,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,52,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=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,破坏平衡所需时间

20、（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”,53,可逆过程 （reversible process）,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。,实现条件： 是无耗散的准静态过程。,F=0,耗散效应： 通过摩擦，粘性扰动，温差传热等消耗功或潜在作功能力的损失,54,可逆过程与准静态过程的关系,区别：二者的着眼点不同。,准静态： 只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械 摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响,可逆过程： 分析工质与外界作用所产生的总效果

21、。 不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与外 界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在 任何能量的耗散。,55,不平衡过程，一定是不可逆过程； 不可逆过程就是指工质不能恢复原来状态的过程； 一个可逆过程必须同时也是一个准平衡过程，但准平衡过程不一定是可逆的。 实际过程都是不可逆过程。,思考题,56,常见的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,节流过程 (阀门）,p1,p2,p1p2,57,常见的不可逆过程,混合过程,自由膨胀,真空,58,引入可逆过程的意义,准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。,可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达，

22、可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。,实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。,59,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,60,过程功和过程热量,功（work）,（1）力学中功的定义： 力和沿力的方向位移的乘积。,（2）热力学中功的定义： 在热力过程中，功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。,1. 功的

23、定义,61,膨胀功：工质在体积膨胀时所作的功； 压缩功：工质受压缩时外界对工质所作的功。,对准平衡过程： 系统在整个过程中作功,比膨胀功 ：单位质量工质所作的膨胀功 。,（3）体积变化功,通过工质体积的变化而与外界交换的功量,62,5. 示功图： 对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用、 过程线下面的面积表示,说明,规定： 系统对外作功，取正， d v 0, w 0； 外界对系统作功，取负， d v 0, w 0,功是过程量： 与初、终态有关，与过程有关。,63,有用功概念,其中: W膨胀功 Wl摩擦耗功； Wp排斥大气功。,pb,f,64,例题：某种气体工质从状态1（p1, V1）可逆地

24、膨胀 到状态2。膨胀过程中： （1）工质的压力服从p=a-bV，其中a，b为常数； （2）工质的pV保持恒定为p1V1。试分别求两过程 中气体的膨胀功。,解：过程为可逆过程：,65,例题：利用体积为2m3的储气罐中的压缩空 气给气球充气，开始时气球内完全没有气 体，呈扁平状，可忽略其内部容积。设气球 弹力可忽略不计，充气过程中气体温度维持 不变，大气压力为0.9 105Pa。为使气球充 到2m3，问气罐内气体最低初压力及气体所 作的功是多少？已知空气满足状态方程式 pV=mRgT。,66,解：因忽略气球弹力，充气后气球内压力与 大气压力相同，为0.9105Pa，而充气结束时储 气罐内压力也应恰

25、好降到0.9105Pa。又依题意， 留在罐内与充入球内的气体温度相同，由于压力 相同，温度相同，故这两部分气体的状态相同。若 取全部气体为热力系，则气体的最小初压应满足,67,考察该过程，储气罐的体积不变，充气时气球中 气体压力等于大气压力，气体膨胀排斥了大气， 所以气球对大气作功,分析：本题中，储气罐内气体向气球充气的过程 是不可逆的，因此不能用,计算过程功。但是，在一些场合下如果界面上 反力为恒值，则可用外部参数计算过程体积变化功。,68,热量（heat）,1. 热量： 系统与外界之间仅仅由于温度不同而交换的能量。 用Q，q表示，单位J, kJ, J/kg, kJ/kg,2. 可逆过程中系

26、统与外界交换的热量：,69,3.示热图： 可逆过程中，热量在T-s图上用过程线下面的 面积表示,说明,规定： 系统吸热：热量为正， q 0 系统放热：热量为负， q 0 系统绝热： q = 0 可逆绝热： d s = 0,热量是过程量：与初终状态，过程有关,70,功和热量的关系,共同点 （1）都是能量传递的度量，都是过程量； （2）只有在传递过程中才有功，热量。,（1）功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功 过程中往往伴随着能量形态的转变； 热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传 递，传热过程中不出现能量形态的变化；,区别,（2）功转变成热量是无条件的； 而热转变成功是有条件的。,71,第一章

27、 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,72,1-7 热力循环,正向循环和逆向循环,1. 正向循环,（1）正向循环：将热能转变为机械能的循环。,（2）p-v图，T-s图表示,p-v图 顺时针方向进行： 1-a-2为膨胀过程 2-b-1为压缩过程,73,T-s图 顺时针方向进行： 1-a-2为工质吸热过程 2-b-1为工质放热过程,循环,74,循环中被加入热量有效利用程度， 评价正向循环的经济性。,（3）热效率t, t 1。

28、 t愈大，即吸收同样的热量时 对外所作的净功愈多。,适用：各类正向循环 （可逆循环和不可逆循环）,75,2. 逆向循环,（1）逆向循环：将热量从低温物体传至高温物体 的循环（制冷，热泵循环）。,（2）p-v图，T-s图表示,p-v图 逆时针方向进行： 1-b-2为膨胀过程 2-a-1为压缩过程,76,T-s图 逆时针方向进行： 1-b-2为工质吸热过程 2-a-1为工质放热过程,循环,77,（3）工作系数(The coefficient of performance)： 用于评价逆向循环的热经济性， 为收益/代价。,热泵的工作系数供热系数：, 1。 可能1，=1，1。, 或 愈大，表明循环的经

29、济性越好。,78,1. 效率为100%的热机是否可能存在。 2. 在一定条件下，热机的热效率最大能达到多少？ 即循环中吸收的热量最多能转变为多少功？ 3. 热效率又与哪些因素有关？,思考,79,例题：某种气体工质从状态1（p1, V1）可逆地膨胀 到状态2。膨胀过程中： （1）工质的压力服从p=a-bV，其中a，b为常数； （2）工质的pV保持恒定为p1V1。试分别求两过程 中气体的膨胀功。,解：过程为可逆过程：,80,例题：利用体积为2m3的储气罐中的压缩空 气给气球充气，开始时气球内完全没有气 体，呈扁平状，可忽略其内部容积。设气球 弹力可忽略不计，充气过程中气体温度维持 不变，大气压力为

30、0.9 105Pa。为使气球充 到2m3，问气罐内气体最低初压力及气体所 作的功是多少？已知空气满足状态方程式 pV=mRgT。,81,解：因忽略气球弹力，充气后气球内压力与 大气压力相同，为0.9105Pa，而充气结束时储 气罐内压力也应恰好降到0.9105Pa。又依题意， 留在罐内与充入球内的气体温度相同，由于压力 相同，温度相同，故这两部分气体的状态相同。若 取全部气体为热力系，则气体的最小初压应满足,82,考察该过程，储气罐的体积不变，充气时气球中 气体压力等于大气压力，气体膨胀排斥了大气， 所以气球对大气作功,分析：本题中，储气罐内气体向气球充气的过程 是不可逆的，因此不能用,计算过程功。但是，在一些场合下如果界面上 反力为恒值，则可用外部参数计算过程体积变化功。,