工程热力学基本概念.ppt

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1、第一章第一章 基本概念基本概念1-1 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1-2 热力系统热力系统1-3 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1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环1-1 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当今热力工程所利用的热源物质主要是当今热力工程所利用的热源物质主要是矿物燃料。从燃料燃烧中得到热能，以矿物燃料。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（包括及利

2、用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称为热能动力装置。辅助设备），统称为热能动力装置。热能动力装置可以分为：热能动力装置可以分为：1）燃气动力装置（以内燃机为例）燃气动力装置（以内燃机为例）2)蒸汽动力装置（汽轮机）蒸汽动力装置（汽轮机）四个主要装置：四个主要装置：锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵水蒸气动力循环系统水蒸气动力循环系统 锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器共同特点共同特点1、总是利用某种媒介物质从热源获取热能，、总是利用某种媒介物质从热源获取热能，从而具备作功能力并对机器作功，最后又从而具备作功能力并对机器作功，最后又把余下的热能排到

3、环境介质中。把余下的热能排到环境介质中。2、上述这些过程吸热、膨胀作功、上述这些过程吸热、膨胀作功、放热等对任何一种热能动力装置都是共同放热等对任何一种热能动力装置都是共同的，也是本质性的。的，也是本质性的。几个概念几个概念工质实现热能和机械能相互转化的工质实现热能和机械能相互转化的媒质物质。媒质物质。热源（高温热源）工质从中吸取热热源（高温热源）工质从中吸取热能的物系。能的物系。冷源（低温热源）接受工质排出热冷源（低温热源）接受工质排出热能的物系。能的物系。热能动力装置的工作过程热能动力装置的工作过程工质自高温热源吸热，将其中一部分转工质自高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余

4、下部分传给化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。低温热源。1-2 热力系统热力系统热力系统被人为分割出来作为热力学分热力系统被人为分割出来作为热力学分 析对象的有限物质系统。析对象的有限物质系统。外界热力系统外面的周围环境。外界热力系统外面的周围环境。边界热力系统和外界之间的分界面。边界热力系统和外界之间的分界面。热力系统的类型热力系统的类型有无物质交换有无物质交换绝热系统与外界无热量交换。绝热系统与外界无热量交换。孤立系统系统与外界既无能量交换又无孤立系统系统与外界既无能量交换又无 热量交换。热量交换。（有）开口系统（控制容积）（有）开口系统（控制容积）（无）闭口系统（控制质量）（无）

5、闭口系统（控制质量）热力系统的类型热力系统的类型简单可压缩系：与外界可逆的功交换只有简单可压缩系：与外界可逆的功交换只有体积功（膨胀功或压缩功）一种形式。体积功（膨胀功或压缩功）一种形式。1-3 工质的热力学状态及其基本状工质的热力学状态及其基本状态参数态参数热力学状态：工质在热力变化过程中的某热力学状态：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状态。一瞬间所呈现的宏观物理状态。状态参数：用来描述工质所处状态的宏观状态参数：用来描述工质所处状态的宏观物理量（如温度物理量（如温度T、压力、压力P、体积、体积V等）。等）。1、基本概念、基本概念物质的状态变化必然可由状态参数的变化物质的状态变

6、化必然可由状态参数的变化表示出来。表示出来。状态参数的值取决于给定的状态，而与如状态参数的值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关。何达到这一状态的途径无关。2、常用的状态参数、常用的状态参数温度温度T、压力、压力P、体积、体积V（基本状态参数）（基本状态参数）热力学能（简称内能）热力学能（简称内能）U焓焓H、熵、熵S3、名词解释、名词解释 宏观量：表征系统宏观性质的物理量，如系宏观量：表征系统宏观性质的物理量，如系统的体积统的体积V、压强、压强P、温度、温度T等。宏观量可等。宏观量可直接测量。宏观量又可分为广延量和强度直接测量。宏观量又可分为广延量和强度量，广延量量，广延量有累加性

7、，如质量有累加性，如质量M、体积体积V、内能内能E等。等。强度量无累加性，如压强强度量无累加性，如压强 P P，温，温度度T等。等。平衡态：平衡态：在不受外界影响的条件下，也即在不受外界影响的条件下，也即与外界无任何形式的物质与能量交换的条与外界无任何形式的物质与能量交换的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态称平衡态。态称平衡态。4、基本状态参数介绍、基本状态参数介绍 一、一、温度温度 1.热力学第零定律：如果系统热力学第零定律：如果系统A和和B分别与分别与系统系统C的同一状态处于热平衡，那么当的同一状态处于热平衡，那么当A和和B接触时接触时,它们也必定

8、处于热平衡。它们也必定处于热平衡。2.2.温度温度:处于同一热平衡态下的热力学系处于同一热平衡态下的热力学系统所具有的共同的宏观性质统所具有的共同的宏观性质-冷热程度。冷热程度。二、压力二、压力压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用力。（分子运动学说把气体的压力看作是大力。（分子运动学说把气体的压力看作是大量气体分子撞击器壁的平均结果）。量气体分子撞击器壁的平均结果）。压力计：测量工质压力的仪器。（一般均为压力计：测量工质压力的仪器。（一般均为表压力表压力pe或真空度或真空度pv）。）。绝对压力绝对压力p工质的真实压力（表示工质的状工质的真实压力（表示工质

9、的状态参数）。态参数）。大气压力大气压力pb环境压力（地面以上空气柱的环境压力（地面以上空气柱的重量所造成，它随各地的纬度、高度和气候条重量所造成，它随各地的纬度、高度和气候条件而有些变化，可用气压计测定件而有些变化，可用气压计测定)。2）几个压力之间的关系）几个压力之间的关系当绝对压力大于大气压力时当绝对压力大于大气压力时当绝对压力低于大气压力时当绝对压力低于大气压力时绝对压力大于大气压力绝对压力小于大气压力绝对压力、表压力、真空度和大气压力间的关系3）压力单位）压力单位法定计量单位帕斯卡（简称帕）法定计量单位帕斯卡（简称帕）Pa；1Pa1N/m2,1 Mpa=106Pa其他还有：标准大气压

10、（其他还有：标准大气压（atm）也称物理）也称物理大气压、巴（大气压、巴（bar）、工程大气压（）、工程大气压（at）、）、毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱）和毫米水柱（mmH2O）。）。三、比体积及密度三、比体积及密度比体积单位质量物质所占的体积。比体积单位质量物质所占的体积。密度单位体积物质的质量。密度单位体积物质的质量。显然，显然，和和 互成倒数互成倒数1-4 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1）平衡状态：一个热力系统，如果在不受外界）平衡状态：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，也即与外界无任何形式的物质影响的条件下，也即与

11、外界无任何形式的物质与能量交换的条件下，系统的宏观性质不随时与能量交换的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。间变化的状态。2)热的平衡：组成热力系统的各部分之间没热的平衡：组成热力系统的各部分之间没 有热量的传递。有热量的传递。3)力的平衡：热力系统各部分之间没有相对力的平衡：热力系统各部分之间没有相对 位移。位移。4)热力平衡系统：同时具备了热和力的平衡。热力平衡系统：同时具备了热和力的平衡。5）平衡状态的条件）平衡状态的条件 （1）系统不受外界影响）系统不受外界影响 （2）系统内部各部分之间没有传热）系统内部各部分之间没有传热 （3）系统内部各部分之间没有位移）系统内部各部分之间没有

12、位移6)平衡状态下系统的性质平衡状态下系统的性质 （1）单相物系各处的性质是均匀的，即各处）单相物系各处的性质是均匀的，即各处的温度、压力、比体积等状态参数都应该相的温度、压力、比体积等状态参数都应该相同。同。（2）多相并存的系统（如气液两相、气固多相并存的系统（如气液两相、气固两相等），整个系统不是均匀的。两相等），整个系统不是均匀的。7）两个独立的状态参数就可以确定一个状态）两个独立的状态参数就可以确定一个状态（简单可压缩系统）（简单可压缩系统）二、状态方程式二、状态方程式 对于简单可压缩热力系统，当它处于对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温平衡状态时，各部

13、分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且服从一定的关系式。度和比体积等参数，且服从一定的关系式。三、状态方程坐标图三、状态方程坐标图由于两个参数可以完全确定简单可压缩系的由于两个参数可以完全确定简单可压缩系的平衡状态，所以就可以用坐标图来表示热力平衡状态，所以就可以用坐标图来表示热力系统的每一个平衡态。一般用压容（系统的每一个平衡态。一般用压容（pv）图和温熵（图和温熵（Ts）图表示。）图表示。1pp1v100vss2T1T2VO p(p2,V2)(p1,V1)(p,V)P-V图上的图上的一个点代表一个平衡态，如一个点代表一个平衡态，如(p1,V1)是初态，是初态，(p2,V2)是终态，是终态

14、，(p,V)是过程是过程中的一个态。一条曲线代表一个过程。中的一个态。一条曲线代表一个过程。1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程一、一、准平衡过程（准静态过程）准平衡过程（准静态过程）热力学热力学系统从一个状态变化到另一个状态系统从一个状态变化到另一个状态,称为称为热力学过程热力学过程（简称（简称“过程过程”）。）。过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。始平衡态始平衡态 一系列非一系列非平衡态平衡态末平衡态末平衡态 热力学中，为能利用平衡态的性质，引入热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程准静态过程的概念。的概念。准静态过程：准静态过程

15、：系统的每一状态都系统的每一状态都无限接近于无限接近于平衡态平衡态的过程。的过程。态组成的过程。态组成的过程。即即准静态过程是由一系列准静态过程是由一系列平衡平衡快快非平衡态非平衡态缓慢缓慢接近接近平衡态平衡态 准静态过程准静态过程是一个是一个理想化理想化的过程，是实际的过程，是实际过程的近似。过程的近似。非准静态过程非准静态过程准静态过程准静态过程统一于统一于“无限缓慢无限缓慢”矛盾矛盾平衡即不变平衡即不变过程即变化过程即变化 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。看作是平衡态。如何判断如何判断“无限缓慢无限缓慢”？引入引入弛豫时间弛豫时间

16、 ：平衡破坏平衡破坏 恢复平衡恢复平衡 t过程过程 ：过程就可视为过程就可视为准静态过程准静态过程所以无限缓慢只是个所以无限缓慢只是个相对相对的概念。的概念。(p2,V2)(p1,V1)(p,V)过程曲线过程曲线准静态过程可以用准静态过程可以用过程曲线过程曲线来表示来表示：VO p一个点代表一个平衡态一个点代表一个平衡态改变系统状态的方法：改变系统状态的方法：1.作功作功 2.传热传热二、可逆过程和不可逆过程二、可逆过程和不可逆过程可逆过程：当完成了某一过程以后，如果有可逆过程：当完成了某一过程以后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相

17、互作用中所涉及到的外界亦回状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变的过程。复到原来状态，而不留下任何改变的过程。不可逆过程不满足上述条件的过程。不可逆过程不满足上述条件的过程。mn vp12345缓慢缓慢接近平衡态接近平衡态T 可逆过程的条件：可逆过程的条件：1）首先应是准平衡过程）首先应是准平衡过程（着眼于工质内部的平衡）（着眼于工质内部的平衡）2）过程中不存在任何耗散）过程中不存在任何耗散（工质与外界作用的总效果）（工质与外界作用的总效果）0目标：尽量减少不可逆的因素，目标：尽量减少不可逆的因素，尽可能接近可逆过程尽可能接近可逆过程工质膨胀功的组成工质膨胀功的组

18、成热的耗散效应：克服摩擦而耗散转变成热的耗散效应：克服摩擦而耗散转变成热（摩擦功）。热（摩擦功）。动能储存：通过活塞、连杆系统传递给动能储存：通过活塞、连杆系统传递给飞轮（有用功）。飞轮（有用功）。气体膨胀做功：气体膨胀体积增大，通气体膨胀做功：气体膨胀体积增大，通过活塞移动排斥大气（排斥大气功）。过活塞移动排斥大气（排斥大气功）。1-6 过程功和热量过程功和热量功是热力学系统通过边界而传递的能量，功是热力学系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物（产生且其全部效果可表现为举起重物（产生的效果）。的效果）。热力学约定：系统对外界作功取为正，热力学约定：系统对外界作功取为正，而外界

19、对系统作功取为负。而外界对系统作功取为负。一、一、功的热力学定义功的热力学定义单位：焦耳（单位：焦耳（J）1J=1N*m比功：单位质量的物质所作的功比功：单位质量的物质所作的功（J/kg)w=W/m功率：单位时间内完成的功。单位：瓦（功率：单位时间内完成的功。单位：瓦（W）1.准静态过程的体积功准静态过程的体积功A只表示它是微小量，而不是某个函数的全只表示它是微小量，而不是某个函数的全微分。系统对外作的功为微分。系统对外作的功为A=pdVV1 V V+d V V2 V0 p2.功在功在p-V图上的表示：下图曲线代表准静图上的表示：下图曲线代表准静态过程，曲线下的面积代表在这个过程中系态过程，曲

20、线下的面积代表在这个过程中系统作的功。功是过程量，不是状态函数，从统作的功。功是过程量，不是状态函数，从相同的初态到相同的末态，经过不同的过程相同的初态到相同的末态，经过不同的过程系统对外作的功不同。系统对外作的功不同。A=pdV功的求解方法功的求解方法有用功：可以被利用的功有用功：可以被利用的功Wu摩擦功：耗散的功摩擦功：耗散的功Wl（可逆过程为（可逆过程为0）排斥大气的功：反抗大气压力作功排斥大气的功：反抗大气压力作功Wr一般一般 Wr=p0(V2-V1)=p0 V故可用功故可用功 Wu,re=过程热量过程热量热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传

21、递的能量。过边界传递的能量。约定：热力系吸热，热量为正；约定：热力系吸热，热量为正；反之，则反之，则为负。为负。也是过程量，只有在能量传递过程中才有也是过程量，只有在能量传递过程中才有所谓的热量和功所谓的热量和功。1）定义）定义sdss1s2sTT012过程的热量过程的热量2）可逆过程的热量）可逆过程的热量：q=Tds q=Tds 3）功和热量的比较）功和热量的比较都是过程量，与过程相关；都是过程量，与过程相关；都不是状态参数，不能说某一状态下有都不是状态参数，不能说某一状态下有多少功和热量。多少功和热量。（1）相同之处）相同之处功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功功是有规则的宏观运动能量的

22、传递，在作功过程中往往伴随着能量形态的转化；过程中往往伴随着能量形态的转化；热量是由大量微观粒子杂乱热运动的能量的热量是由大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化。传递，传热过程中不出现能量形态的转化。功转变成热是无条件的，而热转变成功是有功转变成热是无条件的，而热转变成功是有条件的。条件的。（2）不同之处）不同之处1-7 热力循环热力循环循环：一系列热力过程的综合。循环：一系列热力过程的综合。可逆循环：全部由可逆过程组成的循环，可可逆循环：全部由可逆过程组成的循环，可 逆循环的全部过程构成一闭合曲线。逆循环的全部过程构成一闭合曲线。按循环效果和进行的方向分：正向循环

23、和逆按循环效果和进行的方向分：正向循环和逆向循环。向循环。一、循环概说一、循环概说正向循环：将热能转化为机械能的循环，正向循环：将热能转化为机械能的循环，它使外界得到功（比如蒸气动力循环，热它使外界得到功（比如蒸气动力循环，热动力循环）动力循环）逆向循环：将热量从低温热源传给高温热逆向循环：将热量从低温热源传给高温热源的循环，一般必然消耗外功。如制冷循源的循环，一般必然消耗外功。如制冷循环和热泵。环和热泵。循环的经济性得到的收获循环的经济性得到的收获/花费的代价花费的代价二、正向循环二、正向循环1-2-3为膨胀过程，过程功以为膨胀过程，过程功以面积面积1-2-3nm1表示。表示。3-4-1为压

24、缩过程，该过程消为压缩过程，该过程消耗的功以面积耗的功以面积3-41mn3表示，对外的净功称为循表示，对外的净功称为循环功环功，以，以Wnet表示。表示。5-6-7为工质从热源吸热，为工质从热源吸热，吸热量以面积吸热量以面积5-6-7fe5表示。表示。7-8-5为放热过程，为放热过程，该放出的热量以面积该放出的热量以面积7-8-5ef7表示，以表示，以qnet表表示循环的净热量。示循环的净热量。1-2-3为膨胀过程，过程功以为膨胀过程，过程功以面积面积1-2-3nm1表示。表示。3-4-1为压缩过程，消耗的功为压缩过程，消耗的功以面积以面积3-41mn3表表示。循环净功示。循环净功 以以Wne

25、t表示。表示。5-6-7为工质从热源吸热，吸为工质从热源吸热，吸热量以面积热量以面积5-6-7fe5（q1）表示。）表示。7-8-5为放热过为放热过程，该放出的热量以面积程，该放出的热量以面积7-8-5ef7（q2）表示，）表示，以以qnet表示该循环的净热量，表示该循环的净热量，以以5-6-7-8-5表示。表示。三、逆向循环三、逆向循环 逆向循环的工作过程：逆向循环时，逆向循环的工作过程：逆向循环时，工质在吸热前可先进行膨胀降温过程（如工质在吸热前可先进行膨胀降温过程（如绝热膨胀），使工质的温度降低到能自低绝热膨胀），使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量；而在放热前，进行压缩温热源吸取热量；而在放热前，进行压缩升温过程（如绝热压缩），使其温度升高升温过程（如绝热压缩），使其温度升高到能向高温热源放热。到能向高温热源放热。2）逆向循环工作过程）逆向循环工作过程3）逆向循环工作效率）逆向循环工作效率 由于制冷循环和热泵循环的用途不同，由于制冷循环和热泵循环的用途不同，故其经济性指标也不同，分别用制冷系数故其经济性指标也不同，分别用制冷系数和热泵系数（也称供热系数）和热泵系数（也称供热系数）表示。表示。制冷系数和热泵系数愈大，制冷系数和热泵系数愈大，表明循环的经济性愈好表明循环的经济性愈好