轮机工程基础力学部分：第一章 基本概念.ppt
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第一章 基本概念 一、工质•工质定义：实现热能与机械能相互转换的媒介物对工质的要求对工质的要求: 1）膨胀性膨胀性; 2）流动性流动性 3）热容量热容量 4）稳定性，安全性稳定性，安全性 5）对环境友善对环境友善 6）价廉，易大量获取价廉，易大量获取q常选气态物质作为工质常选气态物质作为工质 •火电厂中采用水蒸气作为工质内燃机中的燃气，蒸汽制冷的工质为R22,R134a等二、热力学系统1.热力学系统的概念1）系统人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统2）外界系统以外的所有物质系统系统以外的所有物质系统3）边界系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界来完成的系统与外界的作用都通过边界来完成的•边界可以是：边界可以是： • a））刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 • b））固定的或可移动的固定的或可移动的 • c））实际的或虚拟的实际的或虚拟的 真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动 2.热力学系统的分类及其相互关系以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系 有有 无无是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系 非孤立系 孤立系孤立系 •开口系统废气涡轮 闭口系统---柴油机气缸 11 刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系活塞系统，统，B侧设有电热侧设有电热 丝丝 红线内红线内 ——闭口绝热系闭口绝热系黄线内不包含电热丝黄线内不包含电热丝 ——闭口系闭口系黄线内包含电热丝黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系闭口绝热系蓝线内蓝线内 ——孤立系孤立系 12 刚性绝热喷管刚性绝热喷管取红线为系统取红线为系统—取喷管为系统取喷管为系统— 开口系绝热系开口系绝热系闭口系闭口系 锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热 2）热力学系统的相互关系开口可以是绝热，一定不是闭口和孤立系统；闭口可以是绝热和孤立系统；绝热可以是开口和闭口，也可能是孤立系统；孤立一定是闭口和绝热系统，一定不是开口系统。
3热力学系统与外界的相互作用•1）热源 工质从中吸取或向之排出热能的物质系统•高温热源：把工质从中吸取热能的物体叫高温热源热源•低温热源：把接受工质排出热能的物体叫低温热源冷源• 动力装置：高---低；• 制冷装置：低---高•系统从热源吸热为正，放热为负 •2）功源•与系统进行功的交换的外界•功源与闭口交换功利用工质的容积变化，称为容积功；与开口系统利用轴功，系统对外做功为正，反之为负•3）质源•与系统进行物质交换的外界 三、热力学平衡态热力学平衡态•1.热力学平衡态的概念• 热力学中把工质在热力变化过程的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称热力学状态描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数•一个热力系统，在不受外界影响的条件下（与外界隔绝一切联系）或处于不变的外界条件下（外界的P、T保持不变）经过一定时间后，系统的宏观状态参数达到均匀一致，不随时间变化，这样系统处于热力平衡状态•如冷热程度不同的两个物体互相接触，构成一个系统，热冷，冷热 直至两物体冷热程度达到一致为止，这时如果没有外界影响，系统状态将长时间保持一致 •均匀和平衡区别：•平衡是相对时间而言。
•均匀是相对空间而言•平衡不一定均匀，均匀未必平衡•均匀是指空间各点的状态参数均匀一致 •说明：• 1、平衡状态是指组成热力系统各个部分之间• a：无热量传递（温度均匀一致）——热平衡• b：无相对位移（压力均匀一致）——力平衡• c：若存在化学反应，应包括化学平衡• 2、热力系统当处于平衡状态时各参数都有确定的值• 3、热力平衡状态系统只要不变外界影响，它的状态就不会随时间变化，平衡也不会自动被破坏• 4、处于不平衡状态的系统，在没有外界影响下总会自发趋于平衡• 5、一切实际的热力系统都不是严格的平衡状态，对于由气相组成的热力系统，在外界没有发生变化的情况下，系统很快并自动由不平衡恢复平衡状态，即系统与外界重新取得平衡•为分析方便起见，热力学通常只研究平衡状态的热力系统因为不平衡状态，工质各部分参数不同，随时间变化，发生Q、W转化无法用共同的参数来描述工质所处的状态 四、热力学状态参数1.概念及特性1）概念描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数p、v、T、h、s、u 2）特性热力学状态参数的数值由系统的状态唯一确定，系统由初态到终态，状态参数的数值变化量只与初态和终态有关，与变化的途径无关。
状态变化，如初态和终态是确定的，则状态参数的数值变化量是确定的 2.基本状态参数基本状态参数温度温度 T 压力压力 p 比容比容 v热力学能热力学能 U焓焓 H熵熵 S 1）压力•定义：• 宏观：单位面积上所承受的垂直作用力• p=F/A• 微观：气体的大量分子和容器壁撞击所产生的平均效果• 气体的压力：只垂直于容器壁面，它是大量分子撞击容器壁面所产生的平均效果• 液体的压力：液体的压力由于重力作用，产生静压力的大小，与液柱的垂直高度有关，在液体中任何一个微元点沿各个方向的压力相等，除此之外，液体还向各处传递压力 单位 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa1 mmHg = 133.3 Pa1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 PaSI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa＝1N/m2常用压力单位有：巴（bar），标准大气压（atm），工程大气压（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）换算关系 表压力、真空度、绝对压力表压力---压力表测得Pg,气体绝对压力大于外界大气压力时，相对压力为正压，又称表压力。
Pg=P-Pbp < pb 真空度真空度 pvpbpgppvp 2）温度•（1）概念•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即为温度•（2）温标•摄氏温度，华氏温度和热力学温度 温标的换算 3）容积和比容v［［m3/kg]比容表征工质聚集的疏密程度比容表征工质聚集的疏密程度物理上常用物理上常用密度密度 ［［kg/m3] 4)内能和比内能•工质具有的热能称为内能u=U/m (KJ/Kg)•5)焓h (KJ/Kg)•H=u + p v•6)熵s•热量转化为功的能力S=Q/T 五、准静态过程与可逆过程•1热量过程：系统从初始状态变到终了状态所经历的全部状态称热力过程•热能与机械能的相互转化必须经过工质的状态变化才能实现，所谓的过程就是系统的状态变化过程，系统热力状态变化有两个原因：•1、系统本身未达到平衡态，系统就会由不平衡态趋向平衡态变化•2、当系统本身已处于平衡态，这时系统状态的变化必须在外界功和热的作用力下才时发生 1.准静态过程的概念和判别•系统在状态变化过程中，工质有足够时间恢复平衡，随时不至远离平衡状态，这种由一系列平衡状态所组成的过程。
•活塞式机器中工质和外界一点出现不平衡，工质有足够的时间恢复，所以气体分子运动速度和压力的传播速度都很快，可以为几百米/秒，而活塞速度10米/秒，所以气体的不均匀性可迅速消除 准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程 2.可逆过程可逆过程•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3.区别可逆过程一定是准静态过程，准静态过程不一定是可逆过程 。
