工程热力学第一章课件

1、第一章 基本概念,1-1 热能和机械能转换,1、蒸汽动力装置,2、内燃机,热能动力装置,从火力发电厂的生产过程可见，就其能量转换来说，可以分为两大部分，即从燃料的化学能转变为机械能的部分和从机械能转变为电能的部分。 前者称为发电厂的热力部分，后者称为发电厂的电气部分。热力部分包括锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵、加热器等热力设备以及连接它们构成的热力系统。,1-2 热力系统与工质,热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象,外界：系统以外的所有物质,1、系统与边界,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,边界特性,真实、虚构,固定、活动,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,Concepts & Definitions,Closed systemquantity of matter under study Control mass Only heat and work can cross boundary of closed system Ope

2、n systemregion in space on which attention is focused Control volume Heat and work may cross control surface Mass may also cross control surface,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,简单可压缩系统,最重要的系统 ,简单可压缩系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,工质,在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借助于媒介物质。 实现能量转换的媒介物质就称为工质。 不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态物质作为工质。,在火电厂中，由于工质连续不断地流过热力设备而膨胀作功，因此，要求工质应有良好的膨胀性和流动性，此外，还要求工质热力性能稳定、无毒、无腐蚀性、价廉、易得等。

3、鉴于此，目前火电厂中采用水蒸气作为工质。水在锅炉中吸热生成蒸汽，然后在汽轮机中膨胀推动叶片旋转对外作功，作功后的乏汽在凝汽器中向冷却水放热又凝结成水。,1-3 状态和状态参数,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、单值性：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,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,其他参数变化,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,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 具有强度量的性质,Concepts & Definitions,Extensive properties properties wh

4、ose value depend on the amount of matter in system Mass, volume, energy, etc. Use upper case letter to designate extensive properties Intensive properties properties whose value does not depend on the amount of matter in system Pressure, temperature, density, energy per unit mass, etc. Use lower case letter to designate extensive properties,1-3 (Cont.)基本状态参数,1、温度 T,2、压力 p,3、比容 v,1、温度,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 m w 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气,2) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能,热力学第零定

5、律,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler） 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,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,温度的测量,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,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,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,2、压力 p,常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,物理中压强，单位: Pa ,

6、 N/m2,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pg,当 p pb,真空度 pv,pb,pg,p,pv,p,环境压力与大气压力,环境压力指压力表所处环境,注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 见习题17,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h变化大， (h),压力的测量,工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，计算时都须换算为绝对压力。,3 、 比容v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,【例1-1】,一台型号为HG1021/18.2-540/540的锅炉，其中18.2指的是蒸汽的表压力为18.2Mpa，已知当地大气压力为750mmHg，试求蒸汽的绝对压力为多少？ 解 根据 ，则绝对压力为,说明：,火电厂的设备型号中，通常有表示压力的参数。在不同的设备型号中，其含义不尽相同。例如， 在锅炉型号HG1021/18.2-540/540中，18.2指的是蒸汽的表压力为

7、18.2Mpa； 而汽轮机型号N300-16.7/537/537中，16.7指的是新蒸汽的绝对压力为16.7Mpa。 在有些计算中，当工质压力较高时，大气压力的数值可以近似取为0.1Mpa，这样引起的误差是很小的。但是，如果工质本身的压力数值比较小，则大气压力应取当地大气压力值。,1-4 平衡状态,1、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。,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,平衡与稳定,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,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,T1,T0,T,x,平衡与均匀,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,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,状态公理,闭口系：,不平衡势差 状态变化 能量传递,消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 消除一种能

8、量传递方式,而不平衡势差彼此独立, 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,状态方程,简单可压缩系统：N = n + 1 = 2,绝热简单可压缩系统 N = ?,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系,状态方程的具体形式,理想气体的状态方程,实际工质的状态方程？,状态方程的具体形式取决于工质的性质,座标图,简单可压缩系 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,常见p-v图和T-s图,1-5 准静态过程、可逆过程,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,一般过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,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

9、态,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,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 （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”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA = p外A +f,A,如果 p外微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W = pA dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,注意： 上式仅适用于准静态过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,1）单位为 kJ 或 kJ/kg,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关， 功是过程量,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 外内作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,

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