01基本概念及定义-wyz-2014.ppt
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1、2022/12/281工程热力学工程热力学2022/12/282教材:教材:工程热力学工程热力学第四版第四版华自强华自强 张忠进编张忠进编 高等教育出版社出版高等教育出版社出版 参考教材:工程热力学沈维道 编 高等教育出版社出版2022年12月28日绪论3绪绪 论论0-1 热能动力工程的重要地位0-2 能量转换装置工作过程简介0-3 工程热力学的研究内容及研究方法 2022年12月28日40-1 热能动力工程的重要地位热能动力工程的重要地位 动力工程充分满足生产需要时,社会生产就能迅速发展,推动人类社会不断前进。热能动力工程将热能转化为机械能,获得生产所需的原动力。热能动力工程起步于18世纪。
2、1784年瓦特制成的蒸汽机,为生产提供了强有力的动力装置,推动生产飞速发展,掀起了著名的“工业革命”,奠定了工业化生产的牢固物质基础。现代社会中,热能动力工程的地位极为重要。热力发电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机、火箭发动机等热能动力装置和设备渗透到社会生产和生活的各个领域,对现代的社会生产的发展起着十分重要的保证作用和积极的推动作用。热能动力工程不断发展和进步,正在积极地向采用原子能和太阳能等新能源的方向前进,并已取得很大进展。随着社会生产的发展,热能动力工程必将不断趋于完善并在新的领域取得成功。2022年12月28日50-2 能量转换装置工作过程简介能量转换装置工作过程简介 一、蒸汽动力装置
3、锅炉产生蒸汽(将燃料的化学转换为热能并传递给工质)。工质工作介质(工作物质)。工质(水、蒸汽)在装置内周而复始地循环,将热能转换为机械能。汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能。冷凝器将乏汽冷凝成水。水泵驱动工作介质循环(保证系统内部的高压)。2022年12月28日6 内燃机分柴油机和汽油机,从热力学观点看,其工作过程是相同的,以柴油机为例说明其工作过程。进气过程:进气阀打开,排气阀关闭,活塞下行,将空气吸入气缸。压缩过程:进、排气阀关闭,活塞上行压缩空气,使其温度和压力升高。燃烧过程:喷油嘴向气缸内喷油,燃料燃烧,气缸内气体压力和温度急剧升高(燃料的化学能转换为热能)。膨胀过程:高温高压气体推动活塞
4、下行,通过曲轴向外输出机械功。排气过程:活塞接近下死点时,排气阀打开,废气在气缸内外压差的作用下流出气缸。随后,活塞上行将残余气体推出气缸。二、内燃机二、内燃机 上述过程周而复始地进行实现了热能转换为机械能的任务。2022年12月28日7 燃烧室:空气和燃料在其中混合并燃烧(燃料的化学能转换为热能),得到高温高压的燃气。工质(空气、燃气)在装置内周而复始地循环,实现了将热能转换为机械能的任务。三、燃气轮机装置三、燃气轮机装置 压气机:从大气环境吸气,并将其压缩,使其压力和温度升高。涡轮机:高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功(热能转换为机械能),其中一部分机械能用来驱动压气机。202
5、2年12月28日8 8 压气机:吸入来自蒸发器的低压蒸气,通过压缩(耗功)使其压力和温度提高。冷凝器:使气体冷凝,得到常温高压的液体。节流阀:使液体降压,产生低压低温的液体(含少量蒸气)。蒸发器:通过壁面吸收冷藏库内的热量,工质汽化为低压气体,同时使冷库降低温度或保持低温。工质(气态或液态制冷剂)在压气机作用下周而复始地循环,实现了制冷的任务。四、蒸气压缩制冷装置四、蒸气压缩制冷装置制冷:以消耗机械功或其他形式的能量为代价,使物体获得低于环境的温度并维持该低温。2022年12月28日90-3 工程热力学的研究内容及研究方法工程热力学的研究内容及研究方法 热力学(经典热力学)研究热能性质以及热能
6、和其他能量相互转换规律的科学。工程热力学热力学的一个分支,着重研究热能和机械能相互转换的规律。研究内容:热力学基本定律(热力学第一定律、热力学第二定律);热力过程和热力循环;工质的性质;提高能量转换效率的途径。研究方法:宏观方法不考虑物质微观结构,从宏观现象出发描述客观规律。用宏观物理量(状态参数)来描述物质所处的状态。优点:直观、可靠。统计热力学采用微观方法。优点:物理概念清楚。2022/12/2810绪论绪论(课程研究的主要任务)(课程研究的主要任务)工程热力学主要研究热能和机械能工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技
7、术措施经济性的途径和技术措施。2022/12/2811:物体的动能与势能;物体的动能与势能;:物质分子热运动动能与位能之和;:物质分子热运动动能与位能之和;:与电荷的运动和积蓄有关的能量;与电荷的运动和积蓄有关的能量;:通过化学反应释放的能量;通过化学反应释放的能量;:通过核反应释放的能量;通过核反应释放的能量;二二.能量的主要形式能量的主要形式 :机械能热能电能化学能核能辐射能:物体以电磁波的形式发射的能量。物体以电磁波的形式发射的能量。能量是物质运动的度量。一一.能量能量:三三.能量的转换与利用能量的转换与利用氢、酒精等氢、酒精等二次能源二次能源 燃料电池燃料电池 电电 能能 机械能机械能
8、 辐射能辐射能热热 能能风能、水能、海洋能风能、水能、海洋能 机机 械械 机械能机械能直接利用直接利用发电机发电机 煤、石油、天然气煤、石油、天然气 热热 能能热机热机直接利用直接利用核核 能能核反应核反应 太阳能太阳能光合作用光合作用生物质能生物质能燃烧燃烧食物利用食物利用集热器集热器光电池光电池燃烧燃烧2022/12/2813四.热能利用的基本方式1.热利用:烧饭、蒸煮、采暖、烘干、熔炼等;2.动力利用:将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。*第一章 基本概念及定义14第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义1-1 热力学系统热力学系统1-2 热力学系统的状态及基本状态参
9、数热力学系统的状态及基本状态参数1-3 平衡状态和状态参数坐标图平衡状态和状态参数坐标图1-4 状态方程式状态方程式1-5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程1-6 可逆过程的功可逆过程的功1-7 热量热量1-8 热力循环热力循环本章小结及习题本章小结及习题2022/12/2815第一章 基本概念 1-1 热力系统一、热机:能将热能转换为机械能的机器。二、工质:实现热能和机械能之间转换的媒介物质。三、热源:本身热容量很大,且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。提供热量的热源称为高温热源;吸收热量的热源称为低温热源。2022/12/2817高温热源高温热源吸
10、热吸热Q Q1 1热机热机作功作功WW 机械能放热放热Q Q2 2低温热源低温热源*第一章 基本概念及定义181-1 1-1 热力学系统热力学系统外界:外界:系统之外一切其他物质。系统之外一切其他物质。边界:边界:分割系统与外界的界面。分割系统与外界的界面。一、一、热力学系统(系统热力学系统(系统,system):):被事先选作研究对象的某些确定的物被事先选作研究对象的某些确定的物质或某个确定空间中的物质质或某个确定空间中的物质。即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。边界把系统与外界完全分隔开来,一定是完
11、全封闭的。边界把系统与外界完全分隔开来,一定是完全封闭的。系统选取是人为的,可依据解决问题的方便、思维方式因人而异,系统选取是人为的,可依据解决问题的方便、思维方式因人而异,一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。注意:注意:*第一章 基本概念及定义19 边界有边界有 真实的、真实的、固定的固定的 假想的、假想的、变动的变动的 之分。之分。系统与外界之间有且仅有三种作用形式,即系统与外界之间有且仅有三种作用形式,即 质量交换、质量交换、热量交换、热量交换、功量交换。功量交换。例例*第一章 基本概念及定义20按系统本身的性质分类按系统本身的性质分类相相
12、-指系统中物质的化学成分及物理结构都均匀一致;指系统中物质的化学成分及物理结构都均匀一致;元元-化学成分,非化学元素化学成分,非化学元素态态-物质存在的聚集状态,有气、液、固三态。物质存在的聚集状态,有气、液、固三态。同一态的某种物质可能有多个相,如同素异形体。同一态的某种物质可能有多个相,如同素异形体。注意注意:单元系单元系 多元系多元系单相系单相系 多相系多相系均匀系均匀系非均匀系非均匀系系统的分类:系统的分类:*第一章 基本概念及定义21按系统与外界相互作用的性质分类按系统与外界相互作用的性质分类开口系开口系(open system):有,有,一般一般以固定空间中的物质为系统以固定空间中
13、的物质为系统,称称CV。闭口系闭口系(closed system):无,以固定的物质为系统,无,以固定的物质为系统,称称CM。按系统与外界是否有质量交换:按系统与外界是否有质量交换:按系统与外界是否有热量交换按系统与外界是否有热量交换绝热系统绝热系统(insulated system)非绝热系统非绝热系统(特例:(特例:透热系统透热系统)孤立系统孤立系统(isolated system):与外界既无能量交换又无质量交换。):与外界既无能量交换又无质量交换。*第一章 基本概念及定义221-2 热力学系统的状态及基本状态参数热力学系统的状态及基本状态参数热力学状态热力学状态(状态状态):热力系统在
14、某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。p,v 和和 T,是直接可测的是直接可测的。状态参数状态参数 :1.1.给定状态和该状态下的状态参数是一一对应的;给定状态和该状态下的状态参数是一一对应的;给定状态和该状态下的状态参数是一一对应的;给定状态和该状态下的状态参数是一一对应的;2.2.状状状状态态态态参参参参数数数数的的的的数数数数值值值值仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于系系系系统统统统的的的的状状状状态态态态,而而而而与与与与到到到到达达达达该该该该状状状状态态态态 所经历的途径无关;所经历的途径无关;所经历的途径无关;所经历的途径无关;最基本状态参数最基本状
15、态参数:2022/12/2823基本状态参数(一)压力(一)压力 单位面积上所受到的垂直作用力(即压强)。单位面积上所受到的垂直作用力(即压强)。1.1.单位单位 :Pa:Pa(帕),(帕),1 Pa=1 N/m1 Pa=1 N/m2 21 MPa=103 kPa=106 Pa2022/12/28242.2.常用压力单位常用压力单位:1 bar(巴)=105 Pa 1 atm(标准大气压)=1.013105 Pa 1 at(工程大气压)=0.981105 Pa 1 mmH2O(毫米水柱)=9.81 Pa1 mmHg(毫米汞柱)=133.3 Pa 2022/12/28253.3.压力测量压力测量
16、:只有绝对压力只有绝对压力 p 才是状态参数。才是状态参数。2022/12/2826(二)温度1.1.定义:温度是反映物体冷热程度的物理量。定义:温度是反映物体冷热程度的物理量。2.2.热力学第零定律:热力学第零定律:如如果果两两个个物物体体中中的的每每一一个个都都分分别别与与第第三三个个物物体体处处于于热热平衡,则这两个物体彼此也必处于热平衡。平衡,则这两个物体彼此也必处于热平衡。2022/12/28273.3.单位单位:(1)(1)摄氏温标摄氏温标:用符号用符号t t 表示,单位为表示,单位为 。(2)(2)热力学温标(绝对温标)热力学温标(绝对温标):用符号用符号T T 表示,单位为表示
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