工程熱力學(xué)ppt課件

第一章基本概念 基本概念 Basicconceptsanddefinitions 1 1熱能動力裝置 ThermalPowerPlant 定義 從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設(shè)備 分類 燃?xì)鈩恿ρb置combustiongaspowerplant 蒸汽動力裝置steampowerplant 內(nèi)燃機(jī) gasturbine internalcombustionengine jetpowerplant 燃?xì)廨啓C(jī) 噴氣動力裝置 返回 繼續(xù) 下一頁 返回 繼續(xù) 下一頁 返回 繼續(xù) 下一頁 四沖程汽油機(jī) 四沖程柴油機(jī) 二沖程汽油機(jī) 返回 下一頁 繼續(xù) 蒸汽動力裝置 流程圖 鍋爐 過熱器 汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 冷凝器 泵 返回 繼續(xù) 下一頁 共同本質(zhì) 都是通過媒介物的 1 2工質(zhì) 熱源及熱力系統(tǒng) 定義 實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì) 對工質(zhì)的要求 膨脹性 流動性 熱容量 穩(wěn)定性 安全性 環(huán)保性能 價(jià)格 物質(zhì)三態(tài)中氣體最合適 1 工質(zhì) workingsubstance workingmedium 吸熱 膨脹做功 排熱 來完成從燃料燃燒產(chǎn)生的熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化 2 熱源 heatsource heatreservoir 定義 工質(zhì)從中吸取或向之排放熱能的物質(zhì)系統(tǒng) 熱源 溫度高低 溫度變化 高溫?zé)嵩?熱源 heatsource 低溫?zé)嵩?冷源 heatsink 恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir 變溫?zé)嵩?variationalheatreservoir 3 1熱力系統(tǒng) 熱力系 系統(tǒng) 體系 和外界及邊界 系統(tǒng) thermodynamicsystemorsystem 人為分割出來 作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì) 外界 surrounding 與體系發(fā)生能量和物質(zhì)交換的物質(zhì) 邊界 boundary 系統(tǒng)與外界的分界線 面 System Boundary Surroundings 三者之間的關(guān)系 汽缸 活塞裝置 閉口系例 汽車發(fā)動機(jī) 開口系示例 注意 系統(tǒng)與外界設(shè)定的人為性 外界與環(huán)境介質(zhì) 邊界可以是 剛性的或可變形的 固定的或可移動的 真實(shí)存在的或虛擬的 3 2邊界示意圖 3 3熱力系統(tǒng)分類 1 按組元數(shù) 單元系 onecomponentsystem puresystem多元系 multicomponentsystem 按相數(shù) 單相系 homogeneoussystem多相系 heterogeneoussystem注意 1 不計(jì)恒外力場的影響 2 多相系未必不均勻 濕蒸汽亦可均勻分布 3 單元系未必均勻 汽液平衡分離 3 4熱力系統(tǒng)分類 2 按系統(tǒng)與外界有無質(zhì)量交換分為 開口系 opensystem 控制體積 CV 通過邊界與外界有物質(zhì)交換 閉口系 closesystem 控制質(zhì)量 CM 沒有物質(zhì)交換 絕熱系 adiabaticsystem與外界無熱量交換 孤立系 isolatedsystem與外界既無能量交換也無物質(zhì)交換 簡單可壓縮系 simplecompressiblesystem由可壓縮流體組成 無化學(xué)反應(yīng) 與外界可逆功的交換只有體積變化功一種形式的系統(tǒng) 注意 1 閉口系與質(zhì)量不變系的區(qū)別 2 開口系與絕熱系的關(guān)系 3 孤立系與絕熱系的關(guān)系 常見的熱力常系統(tǒng) 3 5熱力系統(tǒng)示例圖 剛性絕熱氣缸 活塞系統(tǒng) B側(cè)有電熱絲加熱 紅線內(nèi) 閉口絕熱系 黃線內(nèi)不包含電熱絲 閉口系 黃線內(nèi)包含電熱絲 閉口絕熱系 藍(lán)線內(nèi) 孤立系 3 6熱力系示例圖 剛性絕熱噴管 取紅線為系統(tǒng) 閉口系 取噴管為系統(tǒng) 開口系絕熱系 1 3工質(zhì)的熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)數(shù) 熱力學(xué)狀態(tài) stateofthermodynamicsystem 某一瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況 狀態(tài)參數(shù) stateofproperties 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量a 狀態(tài)參數(shù)是宏觀量 反映了大量粒子運(yùn)動的宏觀平均效果 只有平衡態(tài)才有統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù) 常用的狀參有 p T 等 其中 稱為基本狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)的特性 狀態(tài)的單值函數(shù)物理上 與過程無關(guān)數(shù)學(xué)上 其微分是全微分 c 狀態(tài)參數(shù)的分類 廣延量 與系統(tǒng)質(zhì)量多少有關(guān)extensiveproperties強(qiáng)度量 與系統(tǒng)質(zhì)量多少無關(guān)intensiveproperties注 廣延量的比參數(shù)又具有強(qiáng)度量的性質(zhì) 比如 任意兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是 所有狀參一一對應(yīng)相等 兩個(gè)簡單可壓縮系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是 兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)分別對應(yīng)相等 一 溫度 temperature 溫度 物體的冷熱程度熱平衡 冷熱程度相同時(shí) 兩物體達(dá)到熱平衡熱力學(xué)第零定律 熱平衡定律 thezerothlawofthermodynamics 如果A與B A與C熱平衡 則B與C熱平衡 測量溫度的依據(jù) 溫標(biāo) temperaturescale 溫度的表示方法溫標(biāo)的組成 1 基準(zhǔn)點(diǎn) 2 刻度 華氏溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn) 1atm水冰點(diǎn)規(guī)定為32 F1atm水汽點(diǎn)規(guī)定為212 F刻度 基準(zhǔn)點(diǎn)間1 180 熱力學(xué)溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn) 水的三相點(diǎn)規(guī)定為273 16K刻度 基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的1 273 16 攝氏溫標(biāo) 基準(zhǔn)點(diǎn) 1atm水冰點(diǎn)規(guī)定為0 1atm水汽點(diǎn)規(guī)定為100 刻度 基準(zhǔn)點(diǎn)間1 100 熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo) thermodynamicsscale KlvinabsolutetemperaturescaleandCelsiustemperaturescale T t 273 15K華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)的關(guān)系 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 與測溫物質(zhì)的特性有關(guān) 二 壓力 pressure 壓力 即物理上的壓強(qiáng) 單位單位換算 一定要注意 見表1 1 P15 壓力的測量 1 當(dāng)被測系統(tǒng)壓力高于外界壓力時(shí) 使用壓力表測量壓力 側(cè)得的結(jié)果叫表壓力 其值是系統(tǒng)壓力與外界壓力的差 2 當(dāng)被測系統(tǒng)壓力低于外界壓力時(shí) 使用真空計(jì)測量 測得的結(jié)果叫真空度 其值是外界壓力與系統(tǒng)壓力之差 3 大氣壓力的測量用大氣壓力計(jì) 測出的是大氣的絕對壓力 絕對壓力 absolutepressure表壓力 gaugepressure manometerpressure真空度 vacuumpressure當(dāng)?shù)卮髿鈮?localatmosphericpressure 示例圖 三 比容 specificvolume 比容 單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積 密度 density 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量 兩者的關(guān)系 可見 二者相關(guān) 不互相獨(dú)立 注 獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù) 彼此不相關(guān) 可獨(dú)立變化 如p T 作業(yè) 四版1 3 9三版1 3 8 1 4平衡狀態(tài) 狀態(tài)方程式 坐標(biāo)圖 討論 平衡與穩(wěn)定 平衡與均勻的關(guān)系 定義 如果在外界對其影響不變的條件下 系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變 則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài) 一 平衡狀態(tài) thermodynamicequilibriumstate 處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng) 其狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間改變 系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件 系統(tǒng)與外界之間 系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間同時(shí)達(dá)到熱和力的平衡 相平衡 化學(xué)平衡等 熱平衡 thermalequilibrium 溫差為零力平衡 mechanicalequilibrium 和力均為零 穩(wěn)定未必平衡 平衡未必均勻 反之如何 請思考 非平衡狀態(tài) 有不平衡勢存在 穩(wěn)定與平衡 均勻與平衡 平衡狀態(tài)可用狀態(tài)參數(shù)描述 非平衡狀態(tài)不能 二 狀態(tài)方程式 狀態(tài)公理 例 1 單組分氣體系統(tǒng) 2 1 1 2如p和T 當(dāng)p一定時(shí) T不同則狀態(tài)不同 2 液或汽態(tài)的水 2 1 1 2 飽和水和飽和水蒸汽 1 1 2 2 3 水的三相點(diǎn) 0 1 3 2 狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)p v T之間的關(guān)系式稱為狀態(tài)方程 T T p v p p T v v v p T 隱含數(shù)的形式 F F p v T 這種關(guān)系是否一定存在呢 狀態(tài)公理能回答此問題 三 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 簡單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù) 故可以在平面上以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)軸畫坐標(biāo)圖 如 p v p T T s h T p h 坐標(biāo)圖上的點(diǎn)與系統(tǒng)的平衡狀態(tài)一一對應(yīng) 非平衡態(tài)不能用點(diǎn)在坐標(biāo)圖上表示 因無確定的狀態(tài)參數(shù) 1 5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 熱力過程 工質(zhì)狀態(tài)變化 一 準(zhǔn)平衡過程 quasi staticprocess quasi equilibrium 例 放氣 對比右側(cè) 水 波向左傳播 打開 關(guān)閥時(shí) 平衡 打開閥 a 平衡破壞 狀態(tài)變化 壓力波如水波向左傳播 假定界面內(nèi)外有壓差 過程中 系統(tǒng)內(nèi)部不均勻 無統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù) b 如果閥開度極小 比如幾個(gè)分子地向外放 過程極緩慢 系統(tǒng)內(nèi)部不均勻幾乎不存在 短時(shí)間內(nèi)可以看作平衡狀態(tài) 準(zhǔn)平衡過程 定義 若過程進(jìn)行得相對緩慢 工質(zhì)有足夠的時(shí)間來恢復(fù)平衡 隨時(shí)都不致顯著偏離平衡狀態(tài) 則這樣的過程叫準(zhǔn)平衡過程 特點(diǎn) 相對弛豫時(shí)間來說 準(zhǔn)平衡過程是進(jìn)行得無限緩慢的過程 偏離平衡態(tài)無窮小 隨時(shí)都能恢復(fù)到平衡狀態(tài) 準(zhǔn)平衡過程又叫準(zhǔn)靜態(tài)過程 進(jìn)行條件 不平衡勢 p T無窮小 過程進(jìn)行得無限緩慢 工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力 準(zhǔn)靜態(tài)過程可以在狀態(tài)圖上用連續(xù)實(shí)線表示 二 可逆過程和不可逆過程 可逆過程 reversibleprocess 定義 過程能經(jīng)原路徑逆行 使系統(tǒng)回復(fù)到原來狀態(tài) 相關(guān)的外界也回復(fù)到原來的狀態(tài)而不留下任何改變 例 氣缸活塞系統(tǒng) 正 逆 正 逆 摩擦的影響 a 無摩擦 正過程 逆過程 b 有摩擦 正過程 逆過程 逆過程使系統(tǒng)復(fù)原 但外界多耗功 結(jié)論 摩擦使過程不可逆 溫差的影響 a 無溫差 b 有溫差 假設(shè) 結(jié)論 溫差使過程不可逆 進(jìn)一步分析 為使Q能傳回 需加熱泵 但要消耗一定的功 也不可逆 比較水泵 但 Q不能傳回 壓力差的影響 壓力差使過程不可逆 正 逆 正 逆 P F f 非準(zhǔn)靜態(tài)過程 nonequilibriumprocess 準(zhǔn)靜態(tài)過程 不可逆 準(zhǔn)靜態(tài)過程 可逆 準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的關(guān)系 自己研究 鍛煉一下邏輯思維 可逆過程 準(zhǔn)平衡過程 反之 準(zhǔn)平衡過程 可逆過程 不平衡過程 不可逆過程 不平衡過程 不可逆過程 原命題成立 逆命題不一定成立 逆否命題一定成立 無耗散效應(yīng) 如摩擦 電阻等 的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程 即可逆過程 準(zhǔn)靜態(tài)過程 無耗散過程 2 準(zhǔn)平衡過程只從系統(tǒng)內(nèi)部平衡的角度考慮問題 可逆過程除考慮平衡外 還考慮了耗散效應(yīng)的問題 更全面 討論 3 一切實(shí)際過程均不可逆 4 內(nèi)部可逆過程 外部可逆過程 5 可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的實(shí)線表示 1 6過程功和熱量 一 功的熱力學(xué)定義 p 功的定義 對微元過程 狀態(tài)發(fā)生微小變化 式中 叫微元功 叫折合壓力 是考慮外界得到的效果 當(dāng)狀態(tài)有限變化時(shí) 過程功為 這里 1 初始狀態(tài) 2 終了狀態(tài) 功的單位 焦 J 功率的單位 瓦 W 工程中常用的單位 千焦 KJ 和千瓦 KW 二 可逆功 當(dāng)過程為可逆過程時(shí) 故 可見 可逆過程的功 可由過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化來進(jìn)行計(jì)算 示功圖如右 則有 可逆過程功可用示功圖上過程線下的面積表示 功是過程量 某一狀態(tài)時(shí)沒有功的概念 無 功的 正 與 負(fù) 的意義 膨脹 壓縮 定容 系統(tǒng)對外界作功 如1 2 系統(tǒng)不作功 如1 4 外界對系統(tǒng)作功 如1 3 幾點(diǎn)討論 a 有用功 usefulwork pb f 其中W 膨脹功 compression expansion Wl 摩擦耗功 Wr 排斥大氣功 Wu 有用功 例題一 b 用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過程的功 作業(yè) 四版1 12 16 三版1 9 13 三 廣義功 不要求 未言明 不要求 的 一律自學(xué) 四 過程熱量 熱量 heat 系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量 單位 焦耳 J 正負(fù) 系統(tǒng)吸熱為 正 放熱為 負(fù) 計(jì)算式及其在T S圖上的表示 所以 熱是過程量 功與熱量的相同與區(qū)別 1 二者均為過程量 是傳遞的能量 2 只有在能量傳遞過程中才有所謂的功和熱量 3 功傳遞由壓力差推動 比體積變化是作功標(biāo)志 熱量傳遞由溫差推動 比熵的變化是傳熱標(biāo)志 4 功的傳遞改變宏觀運(yùn)動狀態(tài) 往往伴隨著能量形式的變化 熱量傳遞改變微觀粒子熱運(yùn)動狀態(tài) 不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化 5 功 熱量 無條件 有條件和限度 1 7熱力循環(huán) 一 循環(huán) thermodynamiccycle 定義 系統(tǒng)經(jīng)一定的過程之后 又回到原來的狀態(tài) 特性 系統(tǒng)一切狀態(tài)參數(shù)復(fù)原 可逆循環(huán) reversiblecycle 全部由可逆過程組成的循環(huán) 不可逆循環(huán) irreversiblecycle 其中有部分過程或全部過程是不可逆的循環(huán) 二 正向循環(huán)和逆向