工程热力学基本概念PPT讲稿.ppt
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1、工程热力学基本概念第1页,共80页,编辑于2022年,星期日1.11.1热能在热机中转变成机械能的过程热能在热机中转变成机械能的过程 热能动力装置从燃料燃烧中得到热能,以及利用热能热能动力装置从燃料燃烧中得到热能,以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。得到动力的整套设备(包括辅助设备)。分分类类燃气动力装置燃气动力装置(combustion gas power plant)内燃机内燃机(internal combustion gas engine)燃气轮机装置燃气轮机装置(gas turbine power plant)喷气发动机喷气发动机(jet power plant)蒸汽动力装
2、置蒸汽动力装置(steam power plant)第2页,共80页,编辑于2022年,星期日一、内燃机的工作原理一、内燃机的工作原理(2 2)工作介质:混合气)工作介质:混合气(3 3)主要用途:汽车、轮船、发电机)主要用途:汽车、轮船、发电机组组(4 4)工作过程:升压、吸热、膨胀、)工作过程:升压、吸热、膨胀、放热放热(1 1)组成:气缸体、两大机构、五大)组成:气缸体、两大机构、五大系统系统第3页,共80页,编辑于2022年,星期日二、蒸汽动力装置的工作原理二、蒸汽动力装置的工作原理(2 2)工作介质:蒸汽)工作介质:蒸汽(3 3)主要用途:火力发电厂)主要用途:火力发电厂(4 4)工
3、作过程:升压、吸热、膨)工作过程:升压、吸热、膨胀、放热胀、放热(1 1)组成:锅炉、蒸汽轮机、冷)组成:锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵等凝器、水泵等第4页,共80页,编辑于2022年,星期日第5页,共80页,编辑于2022年,星期日三、工质三、工质工质实现热能和机械能相互转化的媒介物质。工质实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求:对工质的要求:(1 1)膨胀性)膨胀性(2 2)流动性)流动性(3 3)热容量)热容量(4 4)稳定性、安全性)稳定性、安全性(5 5)对环境友善)对环境友善(6 6)价廉,易大量获取)价廉,易大量获取物质三态中物质三态中气气态态最合适最合适第6页,共80页
4、,编辑于2022年,星期日四、热源四、热源热源与工质进行热交换的物质系统。热源与工质进行热交换的物质系统。高温热源热源(高温热源热源(heat source):):工质从中吸取热能的物系。工质从中吸取热能的物系。低温热源冷源(低温热源冷源(heat sink):):接受工质排出热能的物系。接受工质排出热能的物系。注意:热源可以是恒温的,也可以是变温的。注意:热源可以是恒温的,也可以是变温的。第7页,共80页,编辑于2022年,星期日五、总结五、总结1 1、实现能量的转换,要有工作介质(工质)。、实现能量的转换,要有工作介质(工质)。2 2、工质状态的连续变化才能实现能量转换。、工质状态的连续变
5、化才能实现能量转换。3 3、热能动力装置经历的过程一般为:升压、吸热、膨胀、放、热能动力装置经历的过程一般为:升压、吸热、膨胀、放热。热。4 4、热能只能部分转变为机械能。、热能只能部分转变为机械能。5 5、热能动力装置的工作过程可概括为:工质自高温热、热能动力装置的工作过程可概括为:工质自高温热源吸热,将其中的一部分转化为机械能而作功,并把余源吸热,将其中的一部分转化为机械能而作功,并把余下部分传给低温热源。下部分传给低温热源。第8页,共80页,编辑于2022年,星期日1.21.2热力系统热力系统热力系统热力系统(thermodynamic system):人为分割出来,作为热力学分析对象的
6、有限物质系统,人为分割出来,作为热力学分析对象的有限物质系统,即热力学的研究对象。即热力学的研究对象。外界外界(surrounding):系统外的一切物质(与热力系系统外的一切物质(与热力系发生质量和能量交换)。发生质量和能量交换)。边界边界(boundary):系统和外界之间的分界面。系统和外界之间的分界面。第9页,共80页,编辑于2022年,星期日注意:注意:(1)热力系统与外界的人为性;)热力系统与外界的人为性;(2)边界可以是实际的,也可以是假象的;)边界可以是实际的,也可以是假象的;边界可以是固定不动的,也可以有位移和变形;边界可以是固定不动的,也可以有位移和变形;边界可以刚性的,也
7、可以是有弹性的。边界可以刚性的,也可以是有弹性的。第10页,共80页,编辑于2022年,星期日一、系统及边界示例一、系统及边界示例第11页,共80页,编辑于2022年,星期日第12页,共80页,编辑于2022年,星期日第13页,共80页,编辑于2022年,星期日二、热力系统的分类二、热力系统的分类 根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况,根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况,热力系统的可分为:热力系统的可分为:1、闭口系统(、闭口系统(closed system)热力系统和外界只有能量交换而无物质交换。热力系统和外界只有能量交换而无物质交换。又称为控制质量,用又称为控制质量,用CM表
8、示。表示。第14页,共80页,编辑于2022年,星期日2、开口系统(、开口系统(open system)又称为控制体积,用又称为控制体积,用CV表示。表示。热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换。热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换。第15页,共80页,编辑于2022年,星期日3、绝热系统(、绝热系统(adiabatic system)热力系统和外界之间完全没有热量交换。热力系统和外界之间完全没有热量交换。4、孤立系统(、孤立系统(isolated system)热力系统和外界既无能量交换又无物质交换。热力系统和外界既无能量交换又无物质交换。第16页,共80页,编辑于2022年,星期
9、日简单系统:与外界之间只存在热量及一种形式准静态功交换简单系统:与外界之间只存在热量及一种形式准静态功交换的系统。的系统。可压缩系统:由可压缩流体组成的系统。可压缩系统:由可压缩流体组成的系统。5、简单可压缩系统(、简单可压缩系统(simple compressible system)由可压缩物质组成,无化学反应、与外界可逆的功交由可压缩物质组成,无化学反应、与外界可逆的功交换只有体积变化功(膨胀功或压缩功)一种形式的有限物质换只有体积变化功(膨胀功或压缩功)一种形式的有限物质系统。系统。第17页,共80页,编辑于2022年,星期日注意:注意:(1)闭口系统与系统内质量不变的区别;)闭口系统与
10、系统内质量不变的区别;(2)开口系统与绝热系统的关系;)开口系统与绝热系统的关系;(3)孤立系统与绝热系统的关系。)孤立系统与绝热系统的关系。第18页,共80页,编辑于2022年,星期日三、热力系示例三、热力系示例示例示例1:刚性绝热气缸活塞系统,刚性绝热气缸活塞系统,B侧设有电热丝侧设有电热丝红线内红线内闭口绝热系统闭口绝热系统黄线内不包括电热丝黄线内不包括电热丝闭口系统闭口系统黄线内包含电热丝黄线内包含电热丝闭口绝热系统闭口绝热系统蓝线内蓝线内孤立系统孤立系统第19页,共80页,编辑于2022年,星期日示例示例2: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?第
11、20页,共80页,编辑于2022年,星期日示例示例3:A、B两个部落两个部落“鸡犬之声相闻,民至老死不相往来鸡犬之声相闻,民至老死不相往来”若若A部落为系统部落为系统闭口系统闭口系统若若AB部落为系统部落为系统孤立系统孤立系统AB第21页,共80页,编辑于2022年,星期日1.31.3工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态(热力学状态(state of thermodynamic system):):工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况,工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况,简称状态。简称状态。状态参数(状态参数(state pr
12、operties):):描述工质所处状态的宏观物理量。描述工质所处状态的宏观物理量。例如:例如:第22页,共80页,编辑于2022年,星期日注意:注意:(1)状态参数是宏观物理量,反映了大量分子运动的宏观平)状态参数是宏观物理量,反映了大量分子运动的宏观平均效果;均效果;(2)状态与状态参数对应关系)状态与状态参数对应关系;系统两个状态相同:系统两个状态相同:所有所有状态参数一一对应相等。状态参数一一对应相等。简单可压缩系两个状态相同:简单可压缩系两个状态相同:两个独立的两个独立的状态参数对应状态参数对应相等。相等。(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。第23页,共8
13、0页,编辑于2022年,星期日一、状态参数的特征一、状态参数的特征状态参数是热力系统状态的单值函数。状态参数是热力系统状态的单值函数。(1)物理上与如何达到某一状态的过程无关。)物理上与如何达到某一状态的过程无关。(2)数学上点函数,其微元差是全微分。)数学上点函数,其微元差是全微分。第24页,共80页,编辑于2022年,星期日二、状态参数的种类二、状态参数的种类1、广延参数(、广延参数(extensive property):):在给定状态下,与系在给定状态下,与系统内所含物质的数量有关的状态参数。统内所含物质的数量有关的状态参数。广延参数具有广延参数具有可加性可加性;例如,体积、质量、热力
14、学能、;例如,体积、质量、热力学能、焓和熵。焓和熵。2、强度参数(、强度参数(intensive property):):在给定状态下,与在给定状态下,与系统内所含物质的数量无关的状态参数。系统内所含物质的数量无关的状态参数。强度参数强度参数不具有可加性不具有可加性;例如,压力、温度、密度。;例如,压力、温度、密度。第25页,共80页,编辑于2022年,星期日注意:注意:单位质量的广延参数具有强度参数的性质,不具有可加性。单位质量的广延参数具有强度参数的性质,不具有可加性。例如,比体积、比热力学能、比焓、比熵。例如,比体积、比热力学能、比焓、比熵。第26页,共80页,编辑于2022年,星期日三
15、、基本状态参数三、基本状态参数1 1、温度、温度2 2、压力、压力3 3、比体积及密度、比体积及密度第27页,共80页,编辑于2022年,星期日1 1、温度、温度热平衡(温度相等):热平衡(温度相等):当两个系统相互接触时,如果它们的任何性质均不发当两个系统相互接触时,如果它们的任何性质均不发生改变,我们就说这两个系统具有相等的温度。生改变,我们就说这两个系统具有相等的温度。换句话说,如果两个系统处于热平衡状态,则要求它换句话说,如果两个系统处于热平衡状态,则要求它们的温度相等。们的温度相等。热力学第零定律:如果两个系统分别与第三个系统的温热力学第零定律:如果两个系统分别与第三个系统的温度相等
16、,则这两个系统的温度也彼此相等。度相等,则这两个系统的温度也彼此相等。第28页,共80页,编辑于2022年,星期日n温度(温度(temperature):):确定一个系统是否与其它系统处确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观物理量。于热平衡的宏观物理量。说明:说明:(1)温度是物体的冷热程度的标志;)温度是物体的冷热程度的标志;(2)温度实际上是物质分子热运动激烈程度的一个尺度;)温度实际上是物质分子热运动激烈程度的一个尺度;(3)温度是状态参数;)温度是状态参数;(4)只有温度才是热平衡的判据。)只有温度才是热平衡的判据。第29页,共80页,编辑于2022年,星期日n温标(温标(temp
17、erature scale):):温度的标尺,即温度的数值表温度的标尺,即温度的数值表示方法。示方法。确定测温手段;确定测温手段;确定温标的基准点;确定温标的基准点;确定分度方法。确定分度方法。第30页,共80页,编辑于2022年,星期日(1)经验温标:选定任意一种测温物质的某种物理性质,)经验温标:选定任意一种测温物质的某种物理性质,采用任意一种温度标定规则所得到的温标。采用任意一种温度标定规则所得到的温标。例如,摄氏温标,华氏温标例如,摄氏温标,华氏温标。依赖测温物质的性质;依赖测温物质的性质;各种方法所测温度值有差异;各种方法所测温度值有差异;不能作为度量温度的标准。不能作为度量温度的标
18、准。第31页,共80页,编辑于2022年,星期日(2)绝对温标(热力学温标):根据热力学第二定律的基本)绝对温标(热力学温标):根据热力学第二定律的基本原理制定的,与测温物质性质无关的温标。原理制定的,与测温物质性质无关的温标。单位:开尔文,开,单位:开尔文,开,K;基准点:水的三相点,规定为基准点:水的三相点,规定为273.16K;分度:分度:1K等于水的三相点温度的等于水的三相点温度的1/273.16。第32页,共80页,编辑于2022年,星期日(3)热力学摄氏温标)热力学摄氏温标:规定摄氏温度由热力学温度移:规定摄氏温度由热力学温度移动零点来获得,即动零点来获得,即第33页,共80页,编
19、辑于2022年,星期日2 2、压力、压力压力(压力(pressure):):单位面积上所受到的垂直作用力。单位面积上所受到的垂直作用力。单位:单位:l帕斯卡,帕斯卡,l巴,巴,l标准大气压,标准大气压,l工程大气压,工程大气压,l毫米汞柱,毫米汞柱,l毫米水柱,毫米水柱,第34页,共80页,编辑于2022年,星期日环境压力:测压环境的压力,环境压力:测压环境的压力,绝对压力:工质的真实压力绝对压力:工质的真实压力,表压力或真空度:工质的真实压力与环境介质压力之差,表压力或真空度:工质的真实压力与环境介质压力之差,第35页,共80页,编辑于2022年,星期日当绝对压力大于大气压时当绝对压力大于大
20、气压时当绝对压力小于大气压时当绝对压力小于大气压时注意:注意:(1)作为工质状态参数的压力是绝对压力;)作为工质状态参数的压力是绝对压力;(2)测定当时当地的大气压,才能得到工质的真实压力。)测定当时当地的大气压,才能得到工质的真实压力。第36页,共80页,编辑于2022年,星期日3 3、比体积及密度、比体积及密度比体积(比体积(specific volume):单位质量物质所占的体积,即单位质量物质所占的体积,即密度(密度(density):):单位体积物质的质量,即单位体积物质的质量,即注意:注意:比体积和密度不是互相独立的参数。比体积和密度不是互相独立的参数。第37页,共80页,编辑于2
21、022年,星期日1.41.4平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态一、平衡状态二、状态方程式二、状态方程式三、状态参数坐标图三、状态参数坐标图第38页,共80页,编辑于2022年,星期日一、平衡状态一、平衡状态平衡状态(平衡状态(thermodynamic equilibrium state):):一个热力系统,在不受外界影响的条件下,系统的状态能一个热力系统,在不受外界影响的条件下,系统的状态能够始终保持不变(或系统的状态参数不随时间变化)的状态。够始终保持不变(或系统的状态参数不随时间变化)的状态。注意:注意:(1)若系统受到外界影响,就不能保持平衡状态。)若
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