热力学基本概念状态参数热力学温标.ppt

工程热力学Engineering Thermodynamics,主讲教师介绍,安青松 天津大学热能工程系 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,中低温发电技术 主要研究方向 环保工质 纳米流体技术,主讲教师介绍,Address：金工楼510 Tel：27407617，18622254798 E-mail: ,助教介绍,Name: 刘良旭 博士生 Address：金工楼510 Tel：27407617, 18322703883 E-mail: 课程公邮：eng_,绪 论,工程热力学是重要的技术基础课,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,能源转换利用的关系,热 能,电 能,机 械 能,风 能,水 能,化 学 能,核 能,地 热 能,太 阳 能,一次能源 (天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,利用,生物质,风力发电 Wind energy,Windmill,水力发电Waterpower,火电厂Steam Power Station,锅炉 Boiler,车Vehicle,火车 Train,船 Ship,飞机 Airplane,枭龙,航天,哥伦比亚号,长征 系列,神九,俄联盟,燃料电池,秦山核电站 Nuclear power station,大亚湾核电站 Nuclear power station,核潜艇 Nuke,地热 Geothermal,新西兰,云南腾冲,西藏羊八井,北京,太阳能热利用,太阳能光电,Solar cell,CO H2,气体燃料,汽、煤、柴油,醇、醚,生物质定向转换制备清洁燃料示意图,定向转换,生物质,燃烧,bio mass,Future Energy to Low-Carbon Town in China,工程热力学与节能,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,(1) 中国能源资源缺乏,(2) 中国能源利用效率低下,(3) 能源环境问题突出,热力学的分类,工程热力学：热能与机械能 物理热力学 化学热力学 生物热力学 溶液热力学,热力学,能源转换利用的关系,热 能,电 能,机 械 能,风 能,水 能,化 学 能,核 能,地 热 能,太 阳 能,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,供暖,生物质,热 机 种 类, 车辆发动机（内燃机） 25-35% 航空发动机 20-30% 轮船发动机 25-35% 发电（火力、核能） 40-50% 制冷空调(非热机，同理） 200%,能量利用率,heat engine,Energy efficiency,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,internal combustion engine,发动机构造（内燃机）,图6-15 单缸汽油机构造示意图 -火花塞 2-气缸盖 3-出水口 4-气缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞销 9-进水口 10-连杆 11-飞轮 12-曲轴 13-机油管 14-曲轴箱 15-机油泵 16-曲轴正时齿轮 17-凸轮正时齿轮 18-凸轮轴 19-排气管 20-进气管 21-进气门 22排气门 23-化油器,engine,汽车发动机与传动（内燃机）,内燃机装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),涡轮风扇发动机（航空发动机）,高压透平,燃烧室,压气机,低压透平,燃气装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,火电厂系统图,Steam Power Station,国产流化床锅炉(苏盛热电厂),山东日照发电厂350MW,汽轮机（透平Turbine）机组刨面图,660MW发电机内部（邯郸发电厂),generator,凝汽器 （苏盛热电厂),condenser,凝汽器Condenser和冷却塔系统图,火力发电装置基本特点,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源，冷源 2、工质（水，蒸汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),制冷空调装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热),热力装置共同基本特点,1、热源，冷源 heat reservoir 2、工质 medium, working substance 3、容积变化功 moving boundary work 4、循环 cycle,热机,高温热源,低温热源,Q1,Q2,W,动力循环简图,热效率,Thermal efficiency,思 考 题 ？,2、为何要有两个热源，能否不要低 温热源, 不放热，W=Q是否可以进行？,4、普通发电厂效率高的只有40%左右， 可否有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？,1、为什么永动机不能实现？,Perpetual motion machine,3、动力装置为什么都要先升压，再吸热，能否先吸热，再升压?,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结 特点：可靠，普遍，不能任意推广 经典 （宏观,平衡）热力学 classical (macroscopic, equilibrium),工程热力学研究方法,2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics,工程热力学研究方法,1、有几位科学家在热力学作出了贡献， 获诺贝尔奖？,小 知 识,2、中国哪位教授与美国教授合作提出 的状态方程得到普遍认可？,4、为什么恩格斯说“卡诺定理”是头重 脚轻的定理？,3、Maxwell 妖是什么？,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）,J.D.范.德瓦尔斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷兰 气体和液体状态方程 1910年诺贝尔物理学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）,M.普朗克 Max Planck (1858-1947) 德国 发现能量子（量子理论） 热二律 1918年诺贝尔物理学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）,W.H.能斯脱 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德国 热化学，熵基准 1920年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4）,L.昂萨格 Lars Onsager (1903-1976) 美国 不可逆过程热力学理论 1968年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）,I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-2003) 比利时 热力学的耗散结构理论 1977年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）,K.G.威尔逊 Kenneth G. Wilson (1936-) 美国 临界重整化群理论 1982年诺贝尔物理奖,参 考 书,1、工程热力学 沈维道等 高教出版社 2、工程热力学 曾丹苓等 高教出版社 3、工程热力学 朱明善等 高教出版社 4、工程热力学 庞麓鸣等 高教出版社,教学要求及考核方式,1、弄清基本概念，注意每章后的思考题 2、独立完成作业，每两周四上课时按时交 3、有问题及时解决，不要拖至考试,clear understanding and firm grasp of the basic principles,1、平时作业20% 2、期中考试20% 3、期末考试60%,绪 论 完End of Preface,基本概念,Basic Concepts,热力系统,热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象,1、系统的定义,Thermodynamic system,system,A quantity of matter or a region in space chosen for study,热力系统,外界：系统以外的所有物质,2、系统、外界与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,surroundings,boundary,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,边界特性,真实、虚构,固定、活动,fixed 、 movable,real 、,imaginary,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,Types of System,开口系,绝热系,孤立系,Isolated system,闭口系,Adiabatic system,1 开口系,热力系统,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,简单可压缩系统,最重要的系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,Simple compressible system,Moving Boundary Work,Compression Work,Expansion Work,状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、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,3、状态参数的微分特征：全微分,State and state properties,状态参数的积分特征,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,1,2,a,b,point function,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,Total differentials,强度参数与广延参数,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、热力学能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比热力学能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质,Intensive properties,Extensive properties,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,热力学能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p ( pressure ) 物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2,常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,Basic state properties,压力p测量,示意图,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-tube manometer,Bourdon Tube,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pe,当 p < pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,relative pressure,absolute pressure,Gage pressure,Vacuum pressure,环境压力与大气压力,指压力表所处环境,环境压力Environmental pressure,大气压力Atmospheric pressure,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),Other Pressure Measurement Devices,高精度测量：活塞压力计 piston manometer,工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,2、温度 T ( Temperature ),Basic state properties,温度T 的一般定义,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) 0.5mw 2总0, T 0, 1951年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度,3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 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,The Zeroth Law of Thermodynamics,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。,If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.,为什么叫做热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准,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。,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,Temperature measurement,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,温标Temperature scale, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,Temperature Measurement Devices,水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,3、比容 v ( specific volume ),Basic state properties,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度density ,kg/m3,小 结 Summary,基本概念： 热力系 热力系的分类 状态参数 热力学温标,