热能工程教研室

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1、第一章基本概念热能工程教研室1-1 热能和机械能转换1、蒸汽动力装置2、燃气动力装置热能动力装置热能工程教研室热能工程教研室q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。q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。 热能工程教研室热能工程教研室工 质q实现热能与机械能相互转换的媒介物质就称为工质q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

2、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 ，为使能量有效而迅速的转换，常选气态物质作为工 质。 热能工程教研室q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。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。 工 质热能工程教研室1-2 热力系统热力系统(热力系、系统)：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：系统以外的所有物质系统

3、1、系统、边界、外界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界来完成的热能工程教研室边 界 特 性真实、虚构固定、活动热能工程教研室热力系统分类以系统与外界关系划分：是否传质 开口系 闭口系有 无是否传功 非绝功系 绝功系是否传热 非绝热系 绝热系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系热能工程教研室qClosed systemquantity of matter under studyqControl mass qOnly heat and work can cross boundary of closed system qOpen systemregion in space on

4、 which attention is focusedqControl volume qHeat and work may cross control surface qMass may also cross control surface 热能工程教研室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 膨胀功热能工程教研室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、状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关热能工程教研室状态参数的积分

5、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12ab例：温度变化 山高度变化热能工程教研室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 是状态参数热能工程教研室1-3 状态和状态参数（续）1、温度 T其他三个状态参数为：2、压力 p3、比容 v基本状态参数：可直接用仪表测量，使用最多。热力学能 U焓 H熵 S热能工程教研室1、温度T传统定义：冷热程度的度量。微观定义：衡量分子平均动能的量度T 0.5 m c 2 1) 同T , 0.5mc 2 不同，如碳固体和碳蒸气c2) T=0 0.5mc 2 = 0 分子一切运动停止， 零点能热能

6、工程教研室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 温度计热能工程教研室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 于热平衡的物理量热能工程教研室温度的测量温度计物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）基准点刻度温标热能工程教研室常用温标绝对K摄氏 华氏F朗肯R 100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.673

7、7.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点559.67热能工程教研室温标的换算热能工程教研室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 , N/m2热能工程教研室绝对压力与相对压力当 p pb表压力 pg当 p 有足够时间恢复新平衡 准静态过程热能工程教研室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，

8、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”热能工程教研室准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA = p外A +fA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 =pdV1kg工质w =pdvdl 很小，近似认为 p 不变热能工程教研室准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdv1注意：上式仅适

9、用于准静态过程热能工程教研室示功图pp外21mkg工质： W =pdV1kg工质：w =pdvpV12W热能工程教研室准静态容积变化功的说明1）单位为 kJ 或 kJ/kg2） 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）dVT2Q自由膨胀真空 热能工程教研室典型的不可逆过程节流过程(阀门）混合过程 p1p2p1p2热能工程教研室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

10、推动下，通过有序运动方式传递的能量。功的定义热能工程教研室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，电功等热能工程教研室热力系通过边界与外界的交换的能量中 ，除了功的部分（不确切）。另一定义：热量是热力系与外界相互作 用的另一种方式，在温度的推动下，以 微观无序运动方式传递的能量。热量定义热能工程教研室热量与容积变化功能量传递方式 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量推动力 压力 p 温度 T标志 dV , dv dS , ds公式条件 准静态或可逆 可逆热能工程教研室示功图与示热图pVWTSQ压容(示功)图温熵(示热)图热能工程教研室1-7 热

11、力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化后，又 回到原初始状态的一系列变化过程称为 热力循环。不可逆循环分类：可逆过程 不可逆循环可逆循环热能工程教研室正循环pVTS 净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112热能工程教研室逆循环pVTS 净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112热能工程教研室热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WQ1Q2T1T2动力循环：热效率热能工程教研室热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WQ1Q2T0T2制冷循环：制冷系数热能工程教研室热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）制热循环：

12、制热系数WT1Q1Q2T0热能工程教研室第一章 小 结基本概念： 热力系 准静态过程、可逆过程 过程量、状态量、状态参数 功、热量 p-V图、T-S图 循环、工作系数热能工程教研室第一章 讨论课 热力系种 类闭口系、开口系、绝热系、 绝功系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法， 具有随意性，选取不当将不便于分析。热能工程教研室强度量与广延量速度动能高度 位能热力学能温度应力摩尔数(强)(广 )(强)(强)(强)(广 )(广 )(广 )热能工程教研室状态量与过程量q状态量：q 描述工质状态，工质的状态一定，状态参数一定。 q 具有物理上势函数的特征 q 状态参数的变化与过程无关，状态参数的全

13、微分是恰当微分， 微元量用符号dz表示。q过程量（功和热）q 只有在热力过程中通过边界才能实现交换和传递。 q 没有过程就不会有迁移的能量功和热。 q 不能说“系统具有多少功量或热量” q 功量和热量的大小不仅和系统的初、终态有关，而且与系统经 历的过程有关。 q 不是恰当微分，微元过程写成“ W”和“ Q” 热能工程教研室思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初 始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界 同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初 态的过程。热能工程教研室可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定

14、是可逆过程可逆过程准静态过程无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。热能工程教研室有用功气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp热能工程教研室可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中为理想气体BA1）以B中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态 无摩擦可逆B中气体（理想气体，可逆、绝热过程）B得到的功遵循热能工程教研室可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA2）以A中气体为系统绝热，无摩擦缓慢加热准静态 无摩擦内可逆3）以A腔为系统4）以AB为系统电功耗散为热不可逆电功耗散为热不可逆热能工程教研室自由膨胀过程刚性，绝热容器真空 ABB中没有气体，不能取做系统以A中原有气体为系统A中气体非准静态A中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的 气体作功了吗？热能工程教研室气体混合过程刚性，绝热， pApB AB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没 法计算相互有功的作用取AB气体为系统，无功热能工程教研室问题q1.实现平衡态的条件是什么？实现准平衡过程的 条件是什么？可逆过程实现的条件又是什么？q2.说法“倘若容器内气体的绝对压力没有变化且大 于大气压力，则安装在该容器上的压力表的读数 不变”对否？q3.什么是广延