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1、工程热力学,朱明善,教材与参考书,教 材：工程热力学朱明善等编 参考书：工程热力学（第二版） 庞麓鸣等编 工程热力学（第四版 ） 沈维道编 2007年 工程热力学严家騄编 2007年,绪 论,工程热力学是重要的专业基础课,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,主要内容,0-1 热能及其利用 0-2 热能转换装置的工 作过程 0-3 工程热力学的研究 对象及其主要内容 0-4 热力学的研究方法,0-1 热能及其利用,热 能,电 能,机 械 能,风 能,水 力 能,化 学 能,核 能,地 热 能,太 阳 能,一次能源 (天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,
2、光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,供暖,能源转换利用的关系,风力发电,水力发电,火力发电,江苏田湾核电站,0-2 热能转换装置的工作过程 一、蒸汽动力装置的工作原理,火力发电装置基本特点,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),二、燃气轮机装置的工作原理 压气机 从大气环境吸 气，并将其压缩，使得其压 力和温度得以提高。 燃烧室 空气和燃料在 其中混合并燃烧，得到高温 高压的燃气。 涡轮机 高温高压的燃 气推动涡轮机叶轮旋转对外 输出
3、机械功。 工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进 而实现将热能转换为机械能的任务。,燃烧室,燃气装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,燃料,三、内燃机的工作原理 进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气 缸。 压缩过程 ：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和 压力得以升高。 燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高 （燃料的化学能转换为热能）。 膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。 排气过程 ：活塞接近下死点时，排气门开，在压
4、差的作用下废气 流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,内燃机装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),四、蒸汽压缩制冷装置 压气机 吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩 ( 耗功 ) 产生高温高压的蒸汽。 冷凝器 使气体冷凝，得到常温高压的液体。 节流阀 使液体降压，产生低压低温的液体。 蒸发器 工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷 库降温。,制冷空调装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、
5、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热),热力装置共同基本特点,1、热源，冷源 2、工质 3、容积变化功 4、循环,0-3 工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。 特点：可靠，普遍，不能任意推广 经典 （宏观）热力学,0-4 工程热力学研究方法,2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学,工程热力学研究方法,工程热力学的学习方法,抓住主线 理论联系实际 重视基本技能训练 分析计算
6、能力、实验技能 认真完成作业,绪 论 完,第一章 基本概念,1-1 热力系统 1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环,第一章 基本概念,主要内容,1-1 热力系统 1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环,1-1 热力系统 一、系统、外界与边界 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 边界(界面)：系统与外界的分界面,边界特性,真实、虚构,固定、活动,封闭热力
7、系（闭口系） 只与外界有能量交换而无物质交换 开口热力系(开口系) 与外界既有能量交换又有物质交换 孤立系 与外界既无能量交换又无物质交换,二、热力系的分类,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,归纳：,1 开口系,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,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
8、的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,1-2 状态 平衡状态 一、状态与状态参数 状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。 二、平衡状态与非平衡状态 平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。 非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。 三、平衡状态的判据 1、力平衡 2、热平衡 3、相平衡 4、化学平衡,1-3 热力状态参数 一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。 二、特点 1、与状态一一对应，完全取决于状态。 2、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。 三、分类 1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度、比
9、焓h、比熵s、比容、比内能u 2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S,四、基本状态参数 （一）压力 1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即 该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。 微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的 总效果。 2、单位： 1Pa=1N/m2 1kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa 1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa 标准大气压1atm=760mmHg=1.01325 105 Pa 工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665104 Pa,压力p测量,绝对压力
10、与相对压力,当 p pb,表压力 pg,当 p pb,真空度 pv,pb,pg,p,pv,p,（二）比容 单位质量的物质所占的体积。,（三）温度 1、定义：温度是物系间达到热平衡的判据习惯上：物体冷热程度的度量。 热力学第零定律: 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,2、温标：指温度的标度或温度的定量表示法。 热力学温标（单位：开尔文，符号K）， 摄氏温标， 华
11、氏温标 朗肯温标 R,热力学温标T不依赖于测温物质的性质。 选用热力学温度，以水的三相点为基准点，并规定它的温度为273.16K，即每单位开尔文等于水三相点的1/273.16。,常用温标之间的关系,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,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,1-4 状态方程、状态参数坐标图,一、状态方程,足够的状态参数就能确定一个状态,而一旦状态确定 ,该状态的所有
12、状态参数也就确定了。,热力学的研究结果告诉我们 , 对于可压缩纯物质只要两个状态参数就足够了。,那么从数学上就应有: v=f (p ,t ) u=f (p ,t ) h=f (p ,t ) s=f (p ,t ) (设已知状态参数为p,t),以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况下它通常指p,v ,T组成的方程。,二、 状态参数坐标图,两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。,注:对非平衡态由于其各部分状态参数不尽相同,故无法绘在状态参数坐标图上。,1-5 准静态过程和可逆过程,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,
13、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、基本概念 1、过程 热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合。 2、非准静态过程 系统经历一系列不平衡状态的过程。 3、准静态过程 系统经历一系列无限接近平衡状态过程。,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,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
14、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。,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,dx,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W = pA dx =pdV,1kg工质,w =pdv,dx 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,上式仅适用于准静态
15、过程,示功图(p-V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,.,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关， 过程量,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 对内作功（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,7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别,摩擦损失的影响,若有f 存在，就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失的影响,若 f 0,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,二、可逆过程,系统经历某一过程后，如果能使系统
