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1、童童 钧钧 耕耕上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 工程热物理研究所工程热物理研究所Tel: 021-34206329Mail: 压水堆核电厂热工压水堆核电厂热工流体理论基础流体理论基础1电厂的任务电厂的任务 核能或化学能核能或化学能热能热能电能电能能量转换的原理和规律能量转换的原理和规律热量传递的规律热量传递的规律流体在各种设备中流动的规律流体在各种设备中流动的规律工程热力学工程热力学传热学传热学流体力学流体力学热工流体理论热工流体理论热工流体理论热工流体理论动力工程动力工程动力工程动力工程专业基础专业基础专业基础专业基础2第一章第一章压水堆核电厂二回路热压水堆核电
2、厂二回路热力循环力循环31.1.1 热能动力装置热能动力装置分类及作功过程：分类及作功过程：共同本质：共同本质：由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 从燃料中获得热能，以及从燃料中获得热能，以及利用热能得到动力的整套设利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称备（包括辅助设备），统称热能动力装置。热能动力装置。 1-1系统和平衡状态系统和平衡状态 气体动力装置气体动力装置 内燃机、喷气动力装置、内燃机、喷气动力装置、 燃气轮机动力装置、燃气轮机动力装置、 蒸汽动力装置蒸汽动力装置41.1.2 工质工质a）定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质）定义：实现热能和机械能
3、相互转化的媒介物质b）对工质的要求）对工质的要求:物质三态中物质三态中气态气态最适宜。最适宜。 1）膨胀性）膨胀性; 2）流动性）流动性 3）热容量）热容量 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5）对环境友善）对环境友善 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取c）理想气体和实际气体）理想气体和实际气体5 系统系统人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。 外界外界与体系发生质、能交换的物系。与体系发生质、能交换的物系。 边界边界系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。1.1.4 热力系统热力系统(系统、体系系统、体系)和外界和外
4、界 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质的关系）外界与环境介质的关系 3）边界可以是：）边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的注意：注意：7 汽缸汽缸- -活塞装置（移动和固定边界）活塞装置（移动和固定边界） 8 闭口系闭口系（控制质量（控制质量CM）没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系（控制体积（控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换1. 按系统与外界质量交换按系统与外界质量交换1.1.5 热力系分类热力系分类9 1）闭口系与系
5、统内质量不变的区别；）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；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：3. 简单可压缩系简单可压缩系 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。换容积变化功的有限物质系统。绝热系绝热系 与外界无热量交换与外界无热量交换; 孤立系孤立系 与外界无任何形式与外界无任何形式 的质能交换。的质能交换。2. 按能量交换按能量交换104. 热力系示例热力系示例 刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红
6、线内 闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内（不包含电热丝）（不包含电热丝） 闭口系闭口系绿线内绿线内（包含电热丝）（包含电热丝） 闭口绝热系闭口绝热系兰兰线内线内 孤立系孤立系11 刚性绝热喷管刚性绝热喷管取喷管为系统取喷管为系统开口系绝热系开口系绝热系?Q0121.1.6 平衡状态和状态参数平衡状态和状态参数 无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态。无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态。1.平衡状态平衡状态讨论：讨论： 平衡与稳定平衡与稳定 稳定未必平衡稳定未必平衡2) 状态的单值函数。状态的单值函数。 物理上物理上与过程无关；与过程无关；数学上数学上其微量是全微分。其微量是全
7、微分。 1) 状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平平衡态衡态才有状参，系统有才有状参，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如2. 状态参数的特性和分类状态参数的特性和分类133) 状态参数分类状态参数分类 广延量广延量 强度量强度量如比体积如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。3. 系统状态相同的充分必要条件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：系统两个状态相同的充要条件： 所有所有状态参数一一对应相等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：简
8、单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等144. 状态参数坐标图状态参数坐标图 简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一简单可压缩系只有两个独立参数，故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：点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：pv1p1v1Ts2T2s2OO151.1.7 准平衡（静态）过程准平衡（静态）过程 定义：定义：偏离平衡态无穷小，随时偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程恢复平衡的状态变化过程。进行条件进行条件： 破坏平衡的势破坏平衡的势 过程进行无限缓慢过程进行无限缓慢工质有
9、恢复平衡的能力工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用准静态过程可在状态参数图上用连续实线连续实线表示表示无穷小无穷小 能量的转化通过工质的状态变化过程完成，过程是指系统能量的转化通过工质的状态变化过程完成，过程是指系统从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。 .16？定义定义：系统可经原途径返回原来状态而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在外界不留下任何变化的过程。讨论：讨论：.12.可逆过程的判断：可逆过程的判断：系统可返回原来状态系统可返回原来状态+ + 在外界不留下任何变化在外界不留下任何变化1
10、.1.8 可逆过程可逆过程 1.可逆可逆=准静态准静态+没有耗散效应没有耗散效应 2.一切实际过程不可逆一切实际过程不可逆 3.可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程可用状态参数图上实线表示 171.2.1 温度温度1-2 基本状态参数基本状态参数热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）: : 热热热热力力力力学学学学温温温温标标标标取取取取水水水水的的的的三三三三相相相相点点点点为为为为基基基基准准准准点点点点，并并并并定定定定义义义义其其其其温温温温度度度度为为为为273.16 273.16 KK。温差。温差。温差。温差1 1KK相当于相当
11、于相当于相当于水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的1/273.161/273.16。 摄氏温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标: : 标标标标准准准准大大大大气气气气压压压压下下下下，纯纯纯纯水水水水的的的的冰冰冰冰点点点点温温温温度度度度为为为为0 0 ，纯纯纯纯水水水水的的的的沸沸沸沸点点点点温温温温度度度度为为为为100 100 ，纯纯纯纯水水水水的的的的三三三三相相相相点点点点（固固固固、液液液液、汽汽汽汽三三三三相相相相平平平平衡衡衡衡共共共共存存存存的的的的状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为0.010.01 。 1 K = 1 1 K =
12、1 t t t t = = = = T T 273.15273.15华氏温标和朗肯温标华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标华氏温标和摄氏温标T R=t +459.67t =5/9t - -32t =9/5t + +32181.2.2 压力压力绝对压力绝对压力 p;表压力表压力 pe（pg）; 真空度真空度 pv当地大气压当地大气压pb19常用压力单位：常用压力单位：1.2.3 比体积和密度比体积和密度比体积比体积单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度单位体积工质的质量单位体积工质的质量2013 热力学能热力学能(内能内能)、焓和熵、焓和熵1.3.1 热力学能和总能热力学能和总能UchUn
13、uUthUk Up总（储存）能总（储存）能总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能热力学能热力学能21热力学能单位热力学能单位 工程中关心工程中关心宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别1.3.2 焓焓1.推动功和流动功推动功和流动功推动功：系统引进或排除工质传递的功量。推动功：系统引进或排除工质传递的功量。pvp1v11o22流动功：系统维持流动流动功：系统维持流动 所花费的代价。所花费的代价。 推动功在推动功在p-v图上：图上：.12.232. 焓焓定义：定义：H = U + pV h = u + pv单位：单位：J（kJ）
14、 J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。焓是状态参数。物理意义：物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。1.3.3 熵熵1. 定义定义2. 熵是状态参数熵是状态参数241.4.1 功和可逆过程的功功和可逆过程的功 1功的力学定义功的力学定义 2功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。效果可表现为举起重物。3可逆过程功的计算可逆过程功的计算功是过程量功是过程量功可以用功可以用p - - v图上过程线图上过程线与与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示1-4 功和热量功和热量 25 系统对外作
15、功为系统对外作功为“+ +”外界对系统作功为外界对系统作功为“- -”4功的符号约定：功的符号约定：膨胀：膨胀：膨胀：膨胀：d dv v 0 , 0 , w w 0 0压缩：压缩：压缩：压缩：d dv v 0 , 0 , w w 0” 孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原理： 孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程一切过程 均可逆时系统熵保持不变均可逆时系统熵保持不变。41 3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判根据熵增原理判 别过程进行的方向别过程进行的方向；讨论：讨论： 1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增
16、原理Siso = Sg 0，可作为可作为第二定律第二定律 的基本的基本数学表达式；数学表达式； 2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即 任意过程中能量守恒。任意过程中能量守恒。 但各种不可逆过程均可造成但各种不可逆过程均可造成机械能损失机械能损失， 而任何不可逆过程均是而任何不可逆过程均是Siso 0， 所以所以熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性孤立系熵增意味机械能损失！孤立系熵增意味机械能损失！孤立系熵增意味机械能损失！孤立系熵增意味机械能损失！42
