工热基本概念

《工热基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工热基本概念（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 基本概念及定义,1-1 热能和机械能相互转换的过程,热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称热能动力装置。 热能动力装置分：蒸汽动力装置、燃气动力装置两大类。 内燃机 蒸汽动力装置 制冷机,1-2 热力系统,1-2 热力系统,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,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,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

2、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,1 开口系,一、 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,热力系示例,1刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,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,兰线内 孤立系,二、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,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,状

3、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、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,一、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：1.温度变化,2.山的高度变化,状态参数分类：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 /

4、kmol 具有强度量的性质,三、 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2,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,压力p测量,示意图,一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,注意：只有绝对压力 p 才是状态参数,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,环境

5、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。,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),其它压力测量方法,高精度测量：活塞式压力计,工业或一般科研测量：压力传感器,2. 温度T 的一般定义,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,T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能,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。,

6、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,热力学第零定律,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,热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准,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,温度测量方法,日常：水银温度计，酒精温度计， 水温度计 工业：热电偶，热敏电阻 计量：铂电阻温度计,常用温标,绝

7、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,3. 比容v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,1-4 平衡状态 状态方程式 坐标图,1-4 平衡状态 状态方程式 坐标图,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

8、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,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、体积）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,状态方程,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间的关系,理想气体的状态方程,状态方程,Rg 气体常数 （gas constant）,R通用气体常数 （universal(

9、molargas constant ),摩尔质量,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,2,1,状态参数坐标图（parametric coordinates）,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,1-5 工质的状态变化过程,1-5 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

10、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,.,.,一、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态,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

11、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。,二、可逆过程的定义,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。,注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效

12、应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,耗散效应,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,节流过程 (阀门）,p1,p2,p1p2,典型的不可逆过程,混合过程,自由膨胀,真空,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，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。,1.可逆=准静态+没有耗散效应 2.准静态着眼于系统内部平

13、衡，可逆着眼于 系统内部及系统与外界作用的总效果 3.一切实际过程不可逆 4.可逆过程可用状态参数图上实线表示 5 .内部可逆过程的概念,讨论：,1-6 过程功和热量,1-6 过程功 和 热量,1、力学定义: 力 在力方向上的位移,2、热力学定义(外文参考书） a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,一、功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功 容积变化功,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,可逆过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA = p外

14、A +f,A,如果 p外微小,可视为可逆过程,dl,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 dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,可逆过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,注意： 上式仅适用于可逆过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,可逆容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关， 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）适于可逆过程的任何工质（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