《热工与流体力学基础 教学课件 ppt 作者 蒋祖星 第五章工程热力学的基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热工与流体力学基础 教学课件 ppt 作者 蒋祖星 第五章工程热力学的基本概念（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 工程热力学的基本概念,第一节 工质与热力系统 一、工质,第五章 工程热力学的基本概念,实现热能和机械能相互转换的条件之一是要有媒介物质作为能量转换的载体。例如内燃机中用燃料与空气混合燃烧获得高温高压的燃气，推动活塞而做功，实现热能向机械能的转化；蒸汽动力装置中用水从燃气中吸收热量获得高温高压的水蒸气，推动蒸汽机的活塞或汽轮机的叶轮而做功；在蒸汽压缩制冷装置中，压缩机通过对制冷剂蒸气的压缩将机械功转变为制冷剂蒸气的热能。这些实现热能和机械能相互转换的媒介物质称为工质。能量转换必须以工质为媒介是由于运动和物质两者是不可分割的。能量是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和运动的强烈程度。热能
2、是组成物质的大量微观粒子做无规则热运动所具有的能量（称为无序能），而机械能是物质整体做规则运动所具有的能量（称为有序能）。,第五章 工程热力学的基本概念,要实现有序能和无序能之间的相互转换必须以工质作为媒介。 二、热源,第五章 工程热力学的基本概念,内燃机中的工质（燃气）必须经历吸热、膨胀做功、放热、压缩等一系列变化，才能实现热能向机械能的转化；制冷装置中的工质（制冷剂）也必须经历吸热汽化、压缩、冷凝放热、节流膨胀等一系列变化才能实现机械能向热能的转化，达到将热量由低温逆向传给高温的目的。对于工质而言，所吸收的热能从何而来无关紧要，或从燃烧或从其他物体传入，效果相同，故完全可以用一个温度恒定的
3、高温物体来代替燃烧或冷媒对工质的加热，而不考虑燃烧反应或冷媒状态的变化。这样做既不影响热能和机械能之间的转换关系，又可使研究趋于简单。同理，热工设备中的工质必须放热给大气或冷凝器，而大气或冷凝器也可抽象为温度恒定的低温物体。,第五章 工程热力学的基本概念,图5-1 热机模型和制冷机模型,三、热力系统,第五章 工程热力学的基本概念,1.热力系统的概念,第五章 工程热力学的基本概念,工程热力学是通过对工质状态变化的宏观分析来研究能量转换规律的。为了便于分析，需要在相互作用的各种热工设备中划分出某些确定的物质或某个空间中的物质作为研究对象。这种在研究热功转换过程中所选定的具体的研究对象称为热力系统（
4、或简称系统）；系统之外与能量转换过程有关的一切物质系统称为外界。系统与外界的分界面称为边界。边界可以是实际存在的，也可是假想的。例如，当取汽轮机中的工质（水蒸气）为热力系统时，工质与气缸壁间存在着实际边界，在工质的进、出口处可人为设想一个边界将系统中的工质与外界分开，如图52b所示。另外，系统和外界之间的边界可以是固定不动的，也可以有位移或变形的。,第五章 工程热力学的基本概念,例如，当取制冷压缩机气缸中的制冷剂蒸气作为热力系统时，制冷剂蒸气和气缸壁间的边界是固定不动的，但制冷剂蒸气与活塞间的边界却是可以移动而不断改变位置的，如图52a所示。当热力系统与外界发生相互作用时，必然有能量和物质穿越
5、边界，因而可以在边界上判定热力系统与外界之间传递能量和物质的形式及数量。 2.热力系统的分类,第五章 工程热力学的基本概念,热力系统在热力学中的作用相当于理论力学中的分离体。理论力学中的分离体与其他物体间的相互作用只有一种，就是力的作用。但在进行热力学分析时，既要考虑热力系统内部的变化，也要考虑热力系统通过边界和外界发生的能量交换和物质交换，但不描述外界的变化。一般来说，热力系统与外界之间的相互作用有三种形式，即系统与外界的物质交换、功交换和热交换。按照系统与外界相互作用的不同，在热力学中将热力系统分为以下几类。 (1)开口系统 与外界之间有物质交换的系统。 (2)封闭系统 与外界没有物质交换
6、的系统。,第五章 工程热力学的基本概念,图5-2 开口系统和封闭系统示例,(3)绝热系统 与外界没有热量交换的系统。 (4)孤立系统 与外界既没有物质交换，也没有功和热量交换的系统。,第五章 工程热力学的基本概念,第二节 热力学状态及基本状态参数 一、热力学状态 在热工设备中，必须通过工质的压缩、吸热、膨胀、放热等变化过程，才能实现热能和机械能的相互转换。在这些过程中，工质的压力、温度等宏观物理状况随时在改变。工质在热功转化过程中的某一瞬间所表现出来的宏观物理状况称为热力学状态，或简称为状态。从微观的角度解释，状态是气态工质微观物理特性的宏观统计表现。 二、状态参数的概念及特性,第五章 工程热
7、力学的基本概念,用以描述热力系统状态的宏观物理量称为热力学状态参数，简称状态参数。状态参数的数值由系统的状态唯一确定。当系统从初态变化为终态时，状态参数的变化量只与系统的初、终状态有关，而与变化的路径无关。因此，状态参数是系统状态的单值函数或点函数，状态参数的微分变量是全微分。这就是判断一个参数是否为状态参数的充要条件。热力学中，将参数的变化量只与初、终状态有关，而与中间过程无关的量统称为状态量。热力学中还有一些参数，它们的变化量不仅与系统的初、终状态有关，而且与变化路径有关，这类参数称为过程量。它们不是状态参数，其微分也不是全微分，体积功和热量就是典型的过程量。 三、热力学基本状态参数 1.
8、温度,第五章 工程热力学的基本概念,温度是物体冷热程度的宏观量度。若将冷热程度不同的两个物体相互接触，它们之间就会发生热量交换。在不受外界影响的条件下，两个物体的冷热程度将同时发生变化，热的物体逐渐变冷，冷的物体逐渐变热，经过一段时间后，它们将达到相同的冷热程度，达到一种动态热平衡状态，称为热平衡，也称温度平衡。从微观的角度看，温度反映了物质内部微观粒子热运动的剧烈程度。对于气体，它是大量分子平均动能的量度，热传递的方向总是由温度高的物体传向温度低的物体。这种热量的传递将持续不断地进行，直到两物体的温度相等时为止。,第五章 工程热力学的基本概念,解：摄氏温度为：t=5/9=5/9(167-32
9、)= 2.压力 物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。分子运动学中将气体的压力看作是分子撞击容器内壁的结果。由于气体分子数目极多，撞击频繁，所以压力反映了大量分子在一段时间内对容器壁面的平均碰撞力的大小。气体压力的方向总是垂直于容器内壁的。,第五章 工程热力学的基本概念,第五章 工程热力学的基本概念,图5-3 U形管压力计,第五章 工程热力学的基本概念,第五章 工程热力学的基本概念,解：大气压力pb=755mmHg133.3Pa/mmHg=100 642Pa,第五章 工程热力学的基本概念,3.比体积,四、状态方程和状态参数坐标图,第五章 工程热力学的基本概念,图5-4 p-v图,第三节 热
10、 力 过 程,第五章 工程热力学的基本概念,一、热力过程 所谓“热力过程”是热力系统按照一定规律进行连续变化所经历的全部状态的总称。或者说，热力过程是实现热能与机械能相互转换的过程，热能与机械能的相互转换只能通过工质的膨胀或压缩来实现，因而在热力过程中必然伴随热力系统状态的变化。 二、准平衡过程,第五章 工程热力学的基本概念,热力系统之所以会发生热力状态的变化，都是由于一定的不平衡势引起的，而一切不平衡状态都会自发地向平衡状态过渡。若系统状态变化的速度（即平衡被破坏的速度）远远小于热力系统内部分子运动的速度（即恢复平衡的速度），则平衡状态的每一次破坏都偏离平衡状态非常近，而且很快又会恢复到新的
11、平衡状态，可认为状态变化过程的每一瞬间，系统都处于平衡状态。即认为热力系统可由一个平衡状态连续过渡到另一个平衡状态，状态变化过程由一连串的平衡状态所组成。也就是说，热力系统内部的压力和温度随时都是均匀一致的，即随时都处于内部平衡状态。这种由无限多个非常接近于平衡状态的状态所组成的热力过程就称为准平衡过程（或称准静态过程）。,第五章 工程热力学的基本概念,若状态变化过程中某一瞬间，热力系统的状态与平衡状态有一定的偏离，则整个过程就称为非准静态过程。,图5-5 气体膨胀过程,第五章 工程热力学的基本概念,三、可逆过程,图5-6 可逆过程示意图,第五章 工程热力学的基本概念,1)在过程进行中，系统内
12、部以及系统和外界不存在不平衡势差，即同时保持热平衡和力平衡，或者说过程应为准静态过程。 2)在过程进行期间，无任何引起能量损失的耗散效应存在。 【案例分析与知识拓展】 案例1：简单蒸汽压缩制冷装置,第五章 工程热力学的基本概念,图57所示为目前广泛使用的蒸汽压缩制冷循环装置原理图。在此装置中，压缩机将已吸收了热量而成为气态的制冷剂抽回气缸内，随即压缩成高温高压的气体，在这里实现机械功向热能的转换。气态制冷剂排放到冷凝器中，进行散热而液化，液化后的液态制冷剂由膨胀阀节流减压，经过毛细管变成低温低压气液混合物进入蒸发器。在蒸发器中制冷剂吸热（维持冷却空间的低温）而完全汽化，然后再次被压缩机吸回。只
13、要压缩机不断地工作，给制冷剂压缩功，该装置就能不断地将热量由低温冷却空间（冰箱）移到高温环境（通过冷凝器向环境散热），并连续地进行制冷，使冰箱空间内实现冷藏、冷冻。,第五章 工程热力学的基本概念,图5-7 简单蒸汽压缩制冷循环装置原理图,第五章 工程热力学的基本概念,图5-8 自由膨胀过程,案例2：典型不可逆过程分析(自由膨胀过程),第五章 工程热力学的基本概念,刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A空间存有高压气体，B空间保持真空，如图58所示。若将隔板抽去，A空间的气体必定自动地向B空间膨胀，占据整个容器。由于B空间为绝对真空，这里气体进行的是一个无阻力自由膨胀过程，不对外做机械功。显然气体
14、不会自动压缩、升压返回到A侧。若要求气体一定要回到原态，则必须由外界提供一定的机械功对气体实施压缩，这样尽管系统内部恢复了原态，但势必在系统外部留下了影响（消耗了外部机械功）。所以，气体自由膨胀过程是一个典型的不可逆过程。 【本章小结】 一、工质,第五章 工程热力学的基本概念,工质是实现热能和机械能相互转换的媒介物质，它是热功转换过程中的能量载体。因气态物质具有良好的膨胀压缩性和流动性，所以热工设备中一般以气态物质作工质。热源和冷源是指吸、放热过程中温度恒定不变的物体，这样的物体的热容应为无穷大，故冷、热源都是理想体。 二、热力系统 热力系统是研究热功转换过程中所选定的具体研究对象。按热力系统
15、与外界相互作用的不同，可将热力系统相对地划分为封闭系统、开口系统、绝热系统和孤立系统四大类。 三、状态及基本状态参数,第五章 工程热力学的基本概念,热力学状态是热力系统宏观物理特性的总标志。工程热力学主要研究平衡状态，平衡状态是指不随时间而变的热力学状态。对于简单热力系统，实现平衡状态的条件是系统内部保持温度平衡和压力平衡。状态参数是描述热力系统状态的宏观物理量，状态参数的基本特性是其变化量只与初、终状态有关，而与中间过程无关。要求掌握的状态参数有压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵六个。其中，压力、温度和比体积是可直接通过仪器仪表测量确定的参数，称为基本状态参数。应掌握压力、温度、比体积的概念、物理意义及各种压力、温标间的换算公式。状态方程是反映三个基本状态参数间的相互关系的方程式。 四、热力过程,第五章 工程热力学的基本概念,热力过程是热力系统从一个平衡状态向另一个平衡状态发生连续变化的过程。热力过程进行的推动力是温差、压力差等不平衡势，热力过程中必然伴随着能量的传递和转换。 【思考与练习题】 1)内燃机压缩冲程中的燃气。 2)运行中的蒸汽锅炉。 3)备用的充有压缩空气的空气瓶中的压缩空气。 4)包括热源、冷源和功的接受装置在内的整套蒸汽动力装置。,图5-9 题5-6图,第五章 工程热力学的基本概念,图5-10 题5-7图,
