《发电厂热力设备及系统》第一章-热力学基本概念PPT课件.ppt

《《发电厂热力设备及系统》第一章-热力学基本概念PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《发电厂热力设备及系统》第一章-热力学基本概念PPT课件.ppt（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一 热力系统 热力系 系统 体系 外界和边界 定义 系统 人为分割出来 作为热力学研究对象的有限物质系统 外界 与体系发生质 能交换的物系 边界 系统与外界的分界面 线 第一章热力学基本概念与基本定律 第一节热能转换的基本概念 1 2 系统及边界示例 汽车发动机 2 3 汽缸 活塞装置 闭口系例 系统及边界示例 3 移动和虚构边界 系统及边界示例 4 1 系统与外界的人为性2 边界可以是 a 刚性的或可变形的或有弹性的b 固定的或可移动的c 实际的或虚拟的 注意 5 闭口系 控制质量CM 没有质量越过边界 开口系 控制体积CV 通过边界与外界有质量交换 系统分类 按系统与外界质量交换 6 1

2、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 简单可压缩系 由可压缩物质组成 无化学反应 与外界有交换容积变化功的有限物质系统 绝热系 与外界无热量交换 孤立系 与外界无任何形式的质能交换 按能量交换 系统分类 7 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 8 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 9 热力学状态 系统宏观物理状况的综合状态参数 描述物系所处状态的宏观物理量 1 状态参数是宏观

3、量 是大量粒子的统计平均效应 只有平衡态才有状参 系统有多个状态参数 如 二 热力学状态和状态参数 状态参数的特性和分类 10 2 状态的单值函数 物理上 与过程无关 数学上 其微量是全微分 3 状态参数分类广延量 extensiveproperty 强度量 intensiveproperty 又 广延量的比性质具有强度量特性 如比体积 工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数 11 系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件 所有状态参数一一对应相等简单可压缩系两状态相同的充要条件 两个独立的状态参数对应相等 12 1 定义 无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态 热平衡

4、 在无外界作用的条件下 系统内部 系统与外界处处温度相等 力平衡 在无外界作用的条件下 系统内部 系统与外界处处压力相等 热力平衡的充要条件 系统同时达到热平衡和力平衡 三 平衡状态 13 讨论 1 系统平衡与均匀 2 平衡与稳定 平衡可不均匀 稳定未必平衡 14 四 纯物质的状态方程 状态方程 1 理想气体状态方程 Rg 气体常数 R 通用气体常数 摩尔质量 状态方程 对简单可压缩热力系统 参数服从一定的关系 15 五 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

5、 T 3 p3 T3 O O O 16 准静态过程 准平衡过程 定义 偏离平衡态无穷小 随时恢复平衡的状态变化过程 进行条件 破坏平衡的势 过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力 准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示 无穷小 六 工质的状态变化过程 17 可逆过程 定义 系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程 可逆过程与准静态过程的关系 非准平衡 高温传热至低温 不可逆准平衡可逆 18 非准静态过程 准静态过程 不可逆 准静态过程 可逆 作功过程 p F f pb 19 1 可逆 准静态 没有耗散效应2 准静态着眼于系统内部平衡 可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果3

6、一切实际过程都不可逆4 可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论 20 功的定义和可逆过程的功 功的力学定义沿力的方向的位移与力的乘积 功的热力学定义 通过边界传递的能量 其全部效果可表现为举起重物 可逆过程功的计算 功是过程量 功可以用p v图上过程线与v轴包围的面积表示 七 功和热量 21 系统对外作功为 外界对系统作功为 功和功率的单位 附 功的符号约定 22 讨论 有用功概念 其中 W 膨胀功Wl 摩擦耗功 Wp 排斥大气功 pb f 23 热量 定义 仅仅由于温差而通过边界传递的能量 符号约定 系统吸热 放热 单位 计算式及状态参数图 热量是过程量 T s图上 表示 24 热量与功的异

7、同 1 均为通过边界传递的能量 3 功传递由压力差推动 比体积变化是作功标志 热量传递由温差推动 比熵变化是传热的标志 功 2 均为过程量 热是无条件的 热 功是有条件 限度的 25 八 热力循环 定义 封闭的热力过程特性 一切状态参数恢复原值 即 可逆循环与不可逆循环 26 动力循环 正向循环 输出净功 在p v图及T s图上顺时针进行 膨胀线在压缩线上方 吸热线在放热线上方 27 简单蒸汽动力循环过程图 锅炉 热源 燃料燃烧产生热量 将水变成蒸汽 吸热过程 汽轮机 将蒸汽携带的热能 动能 转子旋转机械能 对外作功过程 冷凝器 冷源 将作功后的低温低压蒸汽凝结成水 对外放热过程 水泵 提高水

8、的压力 将水送入锅炉 消耗外功 动力循环 正向循环 28 逆向循环 制冷循环 热泵循环 一般地讲 输入净功 在状态参数图逆时针运行 吸热小于放热 29 蒸发器 压气机 冷凝器 节流阀 蒸汽压缩式制冷示意图 吸收低温处的热量 向外界环境散失热量 M 逆向循环 30 动力循环 热效率 逆向循环 制冷系数 供暖系数 九 循环经济性指标 31 第二节热力学第一定律 一 热力学第一定律可表述为 热可以转变为功 功也可以转变成热 一定量的热消失时 必然伴随产生相应量的功 消耗一定量的功时 必然出现与之对应量的热 第一类永动机 可以不消耗能量而连续作功 是造不成的 32 二 热力学能 热力学能是工质微观粒子

9、所具有的能量 对于不包括化学反应和核变化的简单可压缩系统 热力学能仅包括分子的内动能和分子的内位能 U U T V 单位质量工质的热力学能称为比热力学能 33 三 热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和 热力系统输出的能量总和 热力系总储存能的增量 E E dE 流入 流出 内部贮能的增量 dE 34 或 E E dE 35 定义dU Q W内能U状态函数 Q dU WQ U W 闭口系热一律表达式 两种特例 绝功系 Q dU绝热系 W dU 四 闭口系循环的热一律表达式 36 闭口系基本能量方程式 闭口系 忽略宏观动能Uk和位能Up 第一定律第一解析式 功的基本表达式 热 37 讨论

10、对于可逆过程 38 39 门窗紧闭房间用电冰箱降温 以房间为系统 绝热闭口系 闭口系能量方程 T 电冰箱 39 40 以房间为系统 闭口系 闭口系能量方程 T 空调 Q Air conditioner 门窗紧闭房间用空调降温 40 41 自由膨胀 一刚性绝热容器 抽去隔板 求 U 解 取 A B 为热力系 闭口系 开口系 强调 功是通过边界传递的能量 Q U WQ 0 W 0 U 0即U1 U2 41 42 如图所示 闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2 吸热70kJ 同时对外做功25kJ 试问 1 工质若由1经1b2变化到2时 吸热为90kJ 则对外做功是多少 2 若外界对气体做

11、功30kJ 迫使它从状态2经2c1返回到状态1 则此返回过程是吸热过程还是放热过程 其值为多少 例题 42 43 例题 解 1 热力系经历1a2过程后 吸热Q 70kJ 对外做功W 25kJ 因热力学能是状态参数 其变化量只与工质的初 终态有关 所以 已知热力系经历1b2过程后 吸热Q 90kJ 则 43 44 2 热力系由2变化到1 其热力学能的变化量 外界对气体做功 热量为负值 表示该过程为放热过程 例题 44 五 稳定流动能量方程 稳定流动特征 注意 区分各截面间参数可不同 1 各截面上参数不随时间变化 2 ECV 0 SCV 0 mCV 0 稳定流动系统定义 系统内部各点状态参数不随时

12、间变化的流动系统 45 稳定流动系统的能量方程 轴功 若流入 流出系统的工质为单位质量 则有 焓 H U PV比焓 h u pv 焓是状态参数 在开口系中 焓表示流入 流出 系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量 46 六 稳定流动能量方程式的应用 1 叶轮式机械 1 蒸汽轮机 流进系统 流出系统 内部储能增量 0 47 2 压气机 水泵类 流入 流出 内部贮能增量0 2 压气机 水泵类 48 2 换热器 锅炉 加热器等 49 流入 流出 内增 0 若忽略动能差 位能差 50 节流 与外界交换热量忽略不计q 0 忽略动能差 位能差 与外界无功量交换 51 第三节热力学第二定律 一 热力过程的

13、方向性经验告诉我们 自然界发生的许多过程是有方向性的 例如 1 热功转化功转换成热的试验 如图 重物下降 搅动容器中的流体使流体温度升高 但不能让流体自动冷却而产生动力把重物举起 即重物下降能使流体温度升高 但流体温度降低不能使重物上升 52 热 功转换的方向性 热功转换模拟图 53 A物体 B物体 2 热量传递的方向性 A B 热量传递的方向性图 热量传递方向 54 真空 3 自由膨胀与压缩过程的方向性 55 混合与分离过程的方向性 56 上述诸现象说明自然过程具有方向性 即只能自发地向一个方向进行 如果要逆向进行 就必须付出代价 或者说具备一定的补充条件 即自然过程是不可逆的 自然过程的方

14、向性 57 由于人们分析问题的出发点不同 所以 热力学第二定律 有各种各样的说法 但无论有多少种不同的说法 它们都反映了客观事物的一个共同本质 即自然界的一切自发过程有方向性 二 热力学第二定律的表述 58 1 克劳修斯说法 1850 不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化 2 开尔文说法 1851 不可能从单一热源取热 使之完全变为有用功 而不引起其它变化 第二类永动机是不可以实现的 克氏 是从传热的角度出发 开氏 是从功热转换的角度出发 二 热力学第二定律的表述 59 卡诺循环卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环 它是由四个可逆

15、过程组成 一个可逆热机在二个恒温热源间工作 三 卡诺循环和卡诺定理 60 d a可逆绝热压缩 a bT1下的可逆等温吸热Q1 b c可逆绝热膨胀 c dT2下的可逆等温放热Q2 61 循环热效率 62 重要结论 1 效率只取决于 提高和降低都可以提高热效率 2 循环效率小于1 3 当 时 0 所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的 63 实际循环不可能实现卡诺循环 原因 a 一切实际过程不可逆 b 气体实施等温吸热 等温放热困难 c 气体卡诺循环wnet太小 若考虑摩擦 输出净功极微 64 卡诺定理 定理一 在相同温度的高温热源 T1 和相同温度的低温热源 T2 之间工作的一切可逆循环

16、其热效率都相等 与可逆循环的种类无关 与采用哪一种工质也无关 定理二 在温度同为T1的热源和温度同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环 其热效率必小于可逆循环 65 也可以说 对于任一在两恒温热源间工作的热机 则该热机是可逆热机 若 则该热机是不可逆热机 若 则该热机是不可能制造出来的 若 而 66 结论 在同样的两个温度不同的热源间工作的热机 以可逆热机热效率最大 不可逆热机的热效率小于可逆热机 它指出了在两个温度不同的热源间工作的热机热效率的最高极限值 67 卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件 指出了提高热机热效率的方向 是研究热机性能不可缺少的准绳 对热力学第二定律的建立具有重大意义 68 四 状态参数熵 可逆循环1 A 2 B 1由许多为微小可逆循环构成 69 对全部微元循环积分求和 或 对于可逆循环 工质温度等于热源温度 T Tr 考虑热传递的方向性 S 熵 状态参数 克劳修斯提出 70 因此可得 71 72 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 上式为循环可逆的一种判据 那么如何判断循环不可逆 可逆 不可逆 72 可逆