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1、多媒体教学课件华北电力大学能源与动力工程学院Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望1-5 1-5 功和热量功和热量功和热量功和热量第1章 基本概念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 状态参数状态参数状态参数状态参数1-3 1-3 平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态1-4 1-4 热力过程热力过程热力过程热力过程1-6 1-6 热力循环热力循环热力循环热力循环2 21-5 1-5 功和热量功和热量功和热量功和热量第1章 基本概
2、念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 状态参数状态参数状态参数状态参数1-3 1-3 平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态1-4 1-4 热力过程热力过程热力过程热力过程1-6 1-6 热力循环热力循环热力循环热力循环3 3什么是工质？v定义：实现能量转化的媒介物质v制冷工程中又称为制冷剂v对工质的要求:1 1）膨胀）膨胀性性 2 2）流动）流动性性3 3）热容量热容量 4 4）稳定性）稳定性，安全性，安全性5 5）对环境友善对环境友善 6 6）价廉）价廉，易大量获取，易大量获取v物质三态中气态最适宜作为工质4 4什么是热力系统？v被人为地分割出
3、来，作为热力学研究对象的有限物质系统v外界：系统以外的所有物质v边界(界面)：系统与外界的分界面6 6系统、外界和边界7 71-1-锅炉；锅炉；2-2-汽轮机；汽轮机；3-3-凝汽器；凝汽器；4-4-水泵水泵a a）以锅炉为热力系统；）以锅炉为热力系统；b b）以汽轮机为热力系统；）以汽轮机为热力系统； c c）以整个蒸汽动力装置为热力系统）以整个蒸汽动力装置为热力系统划分热力系统举例9 9热力系统分类v以系统与外界关系划分： 有有 无无有无质量传递有无质量传递 开口系开口系闭口系闭口系有无热量传递有无热量传递 非绝热系非绝热系绝热系绝热系有无能量、物质传递有无能量、物质传递 非孤立系非孤立系
4、孤立系孤立系1010关于热力系统v重点掌握重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系开口系、闭口系、绝热系、孤立系v热力系的选取取决于热力系的选取取决于研究目的和方法研究目的和方法，具有随意，具有随意性，选取不当将不便于分析。性，选取不当将不便于分析。v一旦取定系统，一旦取定系统，沿边界沿边界寻找相互作用。寻找相互作用。v系统与外界的作用都通过边界，看是否有系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。1212简单可压缩系统 v工程热力学中最常见、最重要的热力系统 因为热能动力装置常用工质都是因为热能动力装置常用工
5、质都是可压缩流体可压缩流体（水蒸气、（水蒸气、空气、燃气等）空气、燃气等） 系统与外界只交换热量和一种准静态的系统与外界只交换热量和一种准静态的体积变化功体积变化功（膨胀功和压缩功）（膨胀功和压缩功） 体积变化功只与体积变化功只与工质的压力和体积的变化量工质的压力和体积的变化量有关有关 工程热力学中讨论的大部分系统都是工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统简单可压缩系统13131-5 1-5 功和热量功和热量功和热量功和热量第1章 基本概念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 状态参数状态参数状态参数状态参数1-3 1-3 平衡状态平衡
6、状态平衡状态平衡状态1-4 1-4 热力过程热力过程热力过程热力过程1-6 1-6 热力循环热力循环热力循环热力循环1414定义v状态：某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况v状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量v工程热力学中常用状态参数？基本状态参数： 温度温度T T、压力、压力p p、体积、体积V V、热力学能、热力学能U U、焓、焓H H、熵、熵S S涉及化学反应： 化学势化学势、亥姆赫兹自由能、亥姆赫兹自由能F F、吉布斯自由能、吉布斯自由能G G1515状态参数的特征v状态确定，则状态参数也确定，反之亦然v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v状态参数的微分特征
7、：全微分1616状态参数的积分特征v状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关，状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关，如温度、压力如温度、压力1 1 1 1 2 2 2 2a a a ab b b b1717状态参数的微分特征v设vdz 是全微分1818基本状态参数：温度v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为温度热平衡：热力系相互接触时，相互间无宏观热热平衡：热力系相互接触时，相互间无宏观热量传递，称它们处于热平衡状态量传递，称它们处于热平衡状态v宏观：表示物体的冷热程度v微观：标志物质分子热运动的激烈程度，是衡量分子平均动能的
8、量度1919热力学第零定律v如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则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。两个系统彼此必然处于热平衡。 19301930年由福勒（年由福勒（R.H.FowlerR.H.Fowler）正式提出）正式提出 温度测量的理论基础温度测量的理论基础2020温度单位v开氏（绝对）温标：T(K)v摄氏温标：t()v华氏温标：t(F)v温标换算关系2121基本状态参数：压力v单位面积上承受的垂直作用力单位面积上承受的垂直作用力v物理中压强，单位物理中压强，单位PaPa，N/mN/m2 2v常用单位：常用单位： 1 kPa = 101 kPa =
9、 103 3 PaPa（千帕）（千帕） 1 MPa = 101 MPa = 106 6 Pa Pa （兆帕）（兆帕） 1 bar = 101 bar = 105 5 Pa Pa （巴）（巴） 1 atm = 760 mmHg = 1.1 atm = 760 mmHg = 1.01325013251 10 05 5 Pa Pa （标准大气压）（标准大气压） 1 mmHg = 133.3 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa （毫米汞柱）（毫米汞柱） 1 mmH1 mmH2 2O = 9.81Pa O = 9.81Pa （毫米水柱）（毫米水柱） 1 at = 1 kgf/cm1 at = 1
10、kgf/cm2 2 = 9.81 = 9.81 10 104 4 Pa Pa （工程大气压）（工程大气压）2222绝对压力与相对压力v绝对压力p真实压力真实压力v相对压力绝对压力绝对压力p p与环境压力与环境压力p pb b之差之差是否高于环境压力：表压力pg、真空度pv注意：只有绝对压力p才是状态参数2323p pb表压力表压力 pgp 恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准平衡过程一般的工程过程都可认为是准平衡过程4141 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系系统统与与外界外界同时恢复到初始状态，而不留同时恢复到初始状态，而
11、不留下任何改变，则此过程为下任何改变，则此过程为可逆过程可逆过程注意注意 可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程是指必须要回到初态的过程可逆过程4242准平衡过程准平衡过程 + + 无耗散效应无耗散效应 = = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应( (摩阻，电阻，摩阻，电阻，磁阻，非弹性磁阻，非弹性变性等）变性等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应可逆过程的实现4343不等温传热不等温传热T T1 1T T2 2T T1 1 T T2 2Q Q节流过程节流过程（
12、阀门）（阀门）p p1 1p p2 2p p1 1 p p2 2典型的不可逆过程4444混合过程混合过程 自由膨胀自由膨胀真空真空 典型的不可逆过程4545关于可逆过程v可逆过程必然是准平衡过程，同时过程中不存在可逆过程必然是准平衡过程，同时过程中不存在任何耗散效应任何耗散效应v可逆过程可用状态参数图上的连续实线表示可逆过程可用状态参数图上的连续实线表示v实际过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何实际过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减热力学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减少不可逆因素，使其尽可能接近可逆过程少不可逆因素，使其尽可能接近可逆过程v
13、可逆过程完全理想化，对于工程热力学的研究范可逆过程完全理想化，对于工程热力学的研究范围内用可逆过程的概念，而准平衡过程很少用围内用可逆过程的概念，而准平衡过程很少用v除典型不可逆除典型不可逆( (如节流、自由膨胀等如节流、自由膨胀等) )外，本书所外，本书所有热力过程都可看成可逆过程有热力过程都可看成可逆过程46461-5 1-5 功和热量功和热量功和热量功和热量第1章 基本概念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 状态参数状态参数状态参数状态参数1-3 1-3 平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态1-4 1-4 热力过程热力过程热力过程热力过程1
14、-6 1-6 热力循环热力循环热力循环热力循环4747功的定义v力学定义: 力乘以在力方向上的位移v热力学定义：功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物v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。v功的单位：J、kJ；功率的单位：W、kWv规定系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负4848功的一般表达式功的一般表达式热力学最常见的功热力学最常见的功 体积变化功体积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等功的表达式4949示功图（p-V图）m m kgkg工质：工质：1 1 kgkg工质：
15、工质：5050可逆过程体积变化功的说明v可在可在p-Vp-V图（示功图）上用面积表示图（示功图）上用面积表示v功是过程量，功的大小与路径有关功是过程量，功的大小与路径有关v体积变化功包括膨胀功和压缩功体积变化功包括膨胀功和压缩功vdV0 dV0 膨胀膨胀 对外作功（正）对外作功（正） dV0 dV0 dS0 Q0 dS0 系统放热时为负系统放热时为负 Q0 dS0 Q0 dS0v熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向方向v用途：判断热量方向用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量计算可逆过程的传热量5555示热图（T-s图）56561-5 1-
16、5 功和热量功和热量功和热量功和热量第1章 基本概念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 状态参数状态参数状态参数状态参数1-3 1-3 平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态1-4 1-4 热力过程热力过程热力过程热力过程1-6 1-6 热力循环热力循环热力循环热力循环5757热力循环vv定义：工质从某一初始状态出发，经过一系列中间定义：工质从某一初始状态出发，经过一系列中间过程又回到初始状态，称工质经历了一个热力循环过程又回到初始状态，称工质经历了一个热力循环vv要实现工质的连续作功，必须构成热力循环要实现工质的连续作功，必须构成热力循环vv特点
17、：状态参数坐标图上为一闭合曲线特点：状态参数坐标图上为一闭合曲线vv分类：可逆循环和不可逆循环分类：可逆循环和不可逆循环vv可逆循环：全部由可逆过程组成的循环可逆循环：全部由可逆过程组成的循环vv不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆的循环逆的循环vv根据循环效果的不同，分为正向循环和逆向循环根据循环效果的不同，分为正向循环和逆向循环5858正向循环净效应：对外作功净效应：对外作功净效应：吸热净效应：吸热热能转化为机械能的循环，顺时针方向热能转化为机械能的循环，顺时针方向p pv v2 21 1T Ts s1 12 2w wnetnetq q
18、1 1-q-q2 2=w=wnetnet5959逆向循环净效应：对内作功净效应：对内作功净效应：放热净效应：放热机械能转化为热能的循环，逆时针方向机械能转化为热能的循环，逆时针方向T Ts s1 12 2q q1 1-q-q2 2=w=wnetnetw wnetnetp pv v2 21 16060热力循环的评价指标正循环：对外作功，吸热正循环：对外作功，吸热热效率热效率W WQ Q1 1Q Q2 2T T2 2T T1 16161热力循环的评价指标逆循环：对内作功，放热逆循环：对内作功，放热W WQ Q1 1Q Q2 2T T2 2T T1 11.1.制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数2.
19、2.热泵循环：热泵系数热泵循环：热泵系数6262例题v某发电厂平均生产1度电需消耗350克标准煤，已知标准煤的热值为29308kJ/kg，试求这个电厂的平均热效率是多少？解：收益：1度电=1kWh=1kJ/s*3600s=3600kJ代价：350克标准煤发热=0.35kg*29308kJ/kg=10257.8kJ效率：6363课后思考题v对于开口系统一定是非绝热系吗？v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？v“工质吸热温度升高，放热温度降低”，这种说法对吗？v“高温物体所含热量多；低温物体所含热量少。” 这种说法对吗？为什么？v经过一个不可逆循环后，工质又回复到起始状态，那么，它的不可逆性表现在什么地方？6464
