热工基础幻灯片

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1、第二章热能转换的基本概 念和基本定律,1,热工基础,本章基本要求,掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。 掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。 了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。,2,热工基础,热能在热机中转变成机械能的过程,3,热工基础,分类,燃气动力装置combustion gas power plant,蒸汽动力装置 steam power plant,内燃机,gas turbine,internal combustion engine

2、,jet engineering,燃气轮机,喷气动力装置,热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。,热能,机械能,化学能,4,热工基础,工作物质: 燃气,燃气 热能,机械能,燃料 化学能,排入大气,燃烧、膨胀 排气,吸气 压缩,工作过程：,能量转换：,内燃机内部构造,5,热工基础,6,热工基础,小型燃气轮机,7,热工基础,8,热工基础,9,热工基础,蒸汽动力装置（流程图）,10,热工基础,不同点：构造和工作特性不同。 相同点： 存在某一种媒介物质以获得能量； （如内燃机中混合气，蒸汽机中的水） 存在能提供热能的能量源； 余下的热能排向环境介质。,结论： 各种形式的热机都存

3、在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。,比较上述两种热机,11,热工基础,名词定义：,工质（working substance; working medium ）: 实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 膨胀性； 流动性； 热容量； 稳定性、安全性； 环保性能；价格。因此，物质三态中气体最合适。 热源（heat source; heat reservoir）: 工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。,热源,温度高低,温度变化,高温热源（热源 heat source）,低温热源（冷源heat sink）,恒温热源（constant heat reservoir）,变温热源（variat

4、ional heat reservoir）,12,热工基础,工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。,热能动力装置的工作过程可概括成：,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,13,热工基础,热力系、状态及状态参数,14,热工基础,为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。,热力系统（热力系）： 人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。,边界：系统与外界之间的分界面,外界：热力系统以外的部分,系统与外界的作用都通过边界,1.热力系,15,热工基础,汽缸-活塞装置（闭口系例）,以气缸内气体为系统，活

5、塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换,16,热工基础,汽车发动机（开口系例）,以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换,17,热工基础,注意：, 系统与外界设定的人为性； 外界与环境介质； 边界可以是： 刚性的或可变形的； 固定的或可移动的； 真实存在的或虚拟的。,18,热工基础,热力系统的分类,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积,闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量,绝热系统：系统与外界无热量交换,孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换,19,热工

6、基础,可压缩系统：系统由可压缩流体构成,简单可压缩系统：系统与外界只有热量可 逆与容积功交换。,热力学中大多属于简单可压缩系统,20,热工基础,2.平衡状态,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,平衡状态：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。,热平衡状态：系统的温差消失的平衡状态,力平衡状态，化学势平衡状态,系统内部与外界之间平衡势差消失,系统平衡,平衡的本质：不存在不平衡势,21,热工基础,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,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,T1,T0,T,x,22,热工

7、基础,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,平衡与均匀,23,热工基础,3. 基本状态参数,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、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、微分特征：全微分,24,热工基础,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,例：温度变化,高度变化,25,热工基础,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,26,热工基础,压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S，

8、其中压力、温度和体积可直接用仪器测量，称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。,常用状态参数,27,热工基础,强度量：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。 广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。,强度量与广延量,28,热工基础,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 /kmol 具有强度量的性质,29,热工基础,基本热力

9、学参数,1、温度 T,2、压力 p,3、比容 v,30,热工基础,（1）温 度,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 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气,2) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能,31,热工基础,热力学第零定律,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,32,热工基础,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。

10、,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,33,热工基础,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,34,热工基础,常用温标,绝对K,摄氏,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,37.8,冰熔点,水三相点,发烧,水沸点,35,热工基础,温标的换算,36,热工基础,（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,物理中压强，单位: Pa , N/

11、m2,37,热工基础,压力的测量,38,热工基础,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pg,当 p pb,真空度 pv,39,热工基础,环境压力与大气压力,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),40,热工基础,工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，计算时都须换算为绝对压力。,41,热工基础,(3) 比容v,m3/k

12、g,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,42,热工基础,【例1-1】,一台型号为HG1021/18.2-540/540的锅炉，其中18.2指的是蒸汽的表压力为18.2Mpa，已知当地大气压力为750mmHg，试求蒸汽的绝对压力为多少？ 解 根据 ，则绝对压力为,43,热工基础,闭口系：,不平衡势差 状态变化 能量传递,消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 消除一种能量传递方式,而不平衡势差彼此独立, 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,状态公理,4. 状态方程,44,热工基础,简单可压缩系

13、统：N = n + 1 = 2,绝热简单可压缩系统 N = ?,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系,45,热工基础,状态方程形式,理想气体的状态方程,实际工质的状态方程？,取决于工质的性质,46,热工基础,状态参数座标图,简单可压缩系 N=2，平面坐标图,系统任何平衡态可表示在坐标图上,不平衡态无法在图上用实线表示,p-v图,T-s图,47,热工基础,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）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,48,热工基础,热力过程、功和热量,49,热工基础,平衡状态,状态不变化,能量不能转换

14、,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,1.热力过程,热力过程：热力系从一个状态向另一个 状态变化所经历的全部状态的总和,50,热工基础,一般过程,p1 = p0+重物,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,p，T,p0,51,热工基础,准静态过程,p，T,p0,p,v,1,2,.,.,.,定义：由一系列平衡态组成的热力过程,52,热工基础,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,53,热工基础,准静态过程的工程应用,例1-1：活塞式内燃

15、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,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”,54,热工基础,可逆过程,定义：系统经历某一过程后，如果在沿原来路径逆向进行时，系统与外界都返回原来状态，而不留下任何变化，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。,55,热工基础,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,实际过程：不可逆,56,热工基础,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。,57,热工基础,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,自由膨胀,真空,58,热工基础,节流过程 (阀门）,