《工程热力学(1)1绪论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学(1)1绪论.ppt（78页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、工 程 热 力 学同济大学机械工程学院绪 论w一、能源、热能利用及生产力的发展w二、热工学的研究对象及主要内容w三、热力学的研究方法w四、本书采用的单位一、能源、热能利用及生产力的发展w能源定义：用来产生各种所需能量的自然资源w能源作用：人类赖以生存和发展所必需的燃料和动力来源，是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础w能源种类：风能、水力能、化学能、太阳能、地热能、原子能，机械能、热能、电能等等；w能源消费水平正比于社会生产力的发展水平能源消费水平正比于社会生产力的发展水平常用能源种类煤 炭石 油天然气生物质能 利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能，为人类所利用。化学能 热能 力
2、，机械能利用燃料热能的方式w直接利用：如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，热水供应及采暖等；w间接利用：通过各种类型的发动机（热机）及发电机，使热能转变为机械能或电能；能源直接利用w设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等w换热效率问题热能间接利用w设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内燃机；w热能利用的重要方式，人类文明及生产发展的物质基础w能源转换效率问题和环境保护问题：二、热工学的研究对象w热力学：研究物质的热力性质，能量和能量之间相互转换的一门基础理论学科；w工程热力学：从工程的观点出发，研究物质的热力性质、能量相互转换规律以及合理利用能量的科
3、学。w传热学：研究在温度差作用下热量传递规律的科学，以强化传热过程和合理利用热能。w各种动力装置（蒸汽动力装置、内燃机及燃气轮机等）、耗功装置（制冷机、热泵空调机组、压气机）及各种热交换器的工作原理及性能指标。主要内容w热力学第一定律w热力学第二定律熵、火用、火无w工质的性质w热量传递的方式及规律（计算温度分布和传热速率)w热力装置的工作过程换热器、气体和蒸汽循环、制冷循环、热泵循环、喷管及扩压管工程热力学传热学热工设备三、热力学研究方法w宏观方法经典热力学方法w微观方法统计热力学方法宏观方法w连续的整体w直接观察和实验w归纳、演绎推论w可靠、具有普遍意义w缺点：无法解释热现象本质，微观物质结
4、构中个别分子的个别行为微观方法w从物质内部微观结构出发，借助物质的原子模型及描述物质微观行为的量子力学，利用统计方法去研究大量随机运动的粒子，从而得到物质的统计平均性质，并得出热现象的基本规律。w可解释比热理论、熵的物理意义、熵增原理四、本书采用的单位w国际单位制基本单位(长度,质量,时间,电流,热力学温度,物质的量和发光强度)导出单位(力,压力,功,功率,导热系数,表面传热系数,热流密度)第一章 基本概念w内容提要：热力系统工质的热力状态及其基本状态参数平衡状态、状态公理及其状态方程准静态过程与可逆过程热力循环第一节 热力系统w明确研究对象w研究对象所包含的范围和内容w热力系统与周围事物的相
5、互关系建立定性和定量的关系一、系统、边界与外界w系统：人为分隔出来的研究对象人为作用、同一问题可存在不同系统w边界：分割系统与外界的分界面可实际存在、也可以虚拟存在可以固定不动、也可以运动或变形w外界或环境：边界以外与系统相互作用的物体w图1-1、图1-2图1-1和图1-2系统与外界相互作用形式w功、热和物质的交换外界存在能够分别接受或给予系统功量、热量和质量的功源、热力源和质量源系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源二、系统的种类w闭口系统w开口系统w绝热系统w孤立系统w刚体系统w单元系统w单相系统w定参数系统闭口系统与开口系统w没有物质穿过边界的系
6、统闭口系统（控制质量系统）质量保持恒定，应把所研究的物质都包括在边界内w有物质穿过边界的系统开口系统（控制体积系统）只需把所要研究的空间范围用边界与外界分隔开来，可以有一股或多股工质流过可通过边界与外界发生能量（功和热）的传递绝热系统与孤立系统w系统与外界之间没有热量传递的系统绝热系统w系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统孤立系统一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象为孤立系统绝对这样的系统实际上不存在，具有抽象性研究科学问题的方法之一三、系统的内部状况相：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的部分 相与相之间有明显的界限 如：固相、液相、气相w单相系：由单一物相组成的系统w
7、复相系：由两个相以上组成的系统w单元系：由一种化学成分组成的系统纯物质，无论单相或复相 如：纯水、纯氮w多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统空气是特例（化学性质稳定的混合物，不发生相变时，可作为纯物质）如：单元多相：水-水蒸气 多元单相：湿空气 多元多相：石油及其蒸汽w均匀系：成分和相在整个系统空间成均匀分布微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器中w非均匀系：成分和相在整个系统空间成非均匀分布水在容器底部而水蒸气在其上部四、系统的性质w无限可分w变边界、边界可为虚w与其所处的相及成分的数目和系统是否均匀等因素有关五、系统选取原则w最简单w最明显w使分析过程简化第二节 工质的热力状态及其基本
8、状态参数w一、状态与状态参数状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况工质的热力状态（简称状态）工质的状态参数：表述工质状态特性的各种物理量状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态参数都有唯一确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数的变化值仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。状态参数的数学特征为点函数循环积分式中 x 表示工质某一状态参数热力学中常见的状态参数w温度（T）w压力（p）w比容（v）或密度（）w内能（u）w焓（h）w熵（s）w火用（ex）w自由能（f）w自由焓（g）基本状态参数二、基本状态参数（可以直接、间接用仪表测量得到）w1.温度：物体冷热程度的标志。分子运动学说
9、：温度是气体大量分子平均移动动能的量度。热力学第零定律：如果两个系统同时与第三个系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡温度是描述和判断系统是否与其他系统处于热平衡的状态参数一切处于热平衡的系统都具有相同的温度测温依据第零定律w当被测系统与已标定过的带有数值标尺的温度计达到热平衡时，温度计指示的温度值就等于被测系统的温度值。温标温度的数值标尺w任何温标都要规定基本定点和每一度的数值。w热力学温标规定纯水三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）为基本定点，并指定为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16w摄氏（Celsius）温标为实用温标，每1C与热力学温标的每1K相
10、同，但起点不同，0.101325MPa下纯水的冰点温度为0 C，其热力学温标为273.15K，所以t=T-273.15温度的微观概念w表示物质内部大量分子热运动的强烈程度w理想气体热力学温度与分子平移运动平均动能的关系式2.压力（压强）w气体压力：气体分子不规则的热运动-分子之间不断相互碰撞-同时也使气体分子不断地和容器壁（即边界面）碰撞-大量分子碰撞器壁的总结果-气体对器壁的压力w垂直作用在器壁单位面积上的力压力P（物理学中称为压强）压力的微观概念w理想气体：作用于单位面积上的压力与分子浓度及分子平移运动平均动能之间的关系式p单位面积上的绝对压力n分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数压力的
11、单位w国际单位制SI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa=1N/m2w工程单位：巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）压力的测量-压力计w测压仪表的结构原理是建立在力的平衡原理上，利用液柱的重力或各种类型弹簧的变形，以及用活塞上的载重去平衡工质的压力 相对压力与绝对压力w大气压力随地理位置及气候条件、环境等因素而变化。Bw压力计指示的压力是工质的实际压力与外界大气压力的差值相对压力为正压。Pg,称为表压力，工作压力。w相对压力为负压真空度。Hw工质实际压力称为绝对压力,状态参数P绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系w当pB时，w
12、pB时，3.比容和密度w工质所占有的空间工质的容积w单位质量工质所占有的容积工质的比容w单位容积的工质所具有的质量工质的密度比容和密度不是两个独立的状态参数三、强度性参数与广延性参数w1.强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性。如温度、压力等。当强度性参数不相等时，便会发生能量的传递强度性参数在热力过程中起着推动力作用广义力或势一切实际热力过程都是在某种势差推动下进行的w2.广延性参数：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和，与系统质量多少有关，具有可加性。如系统的容积、内能、焓和熵在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位
13、移的作用，称为广义位移传递热量必然引起系统熵的变化；系统对外作膨胀功必然引起系统容积的增加广延性参数除以系统的总质量比参数，如比容、比内能、比焓、比熵等例题w 铂金丝的电阻在冰点时为10.000，在水的沸点时为14.247，在硫的沸点（446C）时为27.887。试求出温度为t/C和电阻R/的关系式R=R0(1+At+Bt2)中的常数A，B的值。解：由已知条件可得 联立求解以上3式可得 R0=10 A=4.32 10-3 1/C B=-6.83 10-7 1/C 故温度t/C和电阻R/之间的关系式为 第三节 平衡状态、状态公理及状态方程w一、平衡状态系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质
14、不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。若有化学反应，则需考虑化学平衡一个理想的概念，完全不受外界影响的系统是不存在的平衡态的特点w在没有外界影响（与外界既没有能量交换，也没有物质交换，但重力场的影响除外）的条件下，系统参数不随时间变化的状态。w凡处于平衡态的系统，其特征是参数不随时间变化，而且除复相系统和重力场的影响外，参数均匀；w系统内部或系统与相联系的外界之间，各种不平衡势的消失是系统实现平衡态的必要条件，如温度、压力等必须相等平衡态与稳定态w稳定状态是状态参数不随时间改变，但它是靠外界影响来维持的。w平衡状态是不受外界影响是参数不
15、随时间变化的状态。w平衡必稳定，稳定未必平衡。平衡与均匀w系统内部各种参数均匀的必定平衡；w平衡时未必各种参数是均匀的；w均匀必平衡，平衡未必均匀。二、状态公理w实践经验表明，对于纯物质系统，与外界发生任何一种形式的能量传递都会引起系统状态的变化，且各种能量传递形式可单独进行，也可同时进行归纳出一条状态公理w确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1wn传递可逆功的形式w+1能量传递中的热量传递简单可压缩系统w除热量传递外只有膨胀功w确定系统平衡状态的独立参数为2w所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数三、状态方程w建立了温度、压力、比容三个基本状态参数之间的函数关系状态方程p-v图 w描
16、述工质的状态w分析状态变化过程第四节 准静态过程与可逆过程w热力过程：工质从某一状态过渡到另一状态所经历的全部状态变化w势差推动热力过程，并且工质流动及机械运动存在摩阻等影响w过程复杂，热工分析计算困难一、准静态过程w非平衡损失：系统内部的不平衡势差在系统向新的平衡过渡时，并不对外做功，而是一种损失很难定量计算w假想一种过程进行的非常缓慢，使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的平衡态，从而使过程的每一瞬间系统的状态都非常接近平衡状态（不平衡势无限小），整个过程就可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成准静态过程准静态过程的特点w准静态过程不必考虑内部不平衡的势差对能量转换造成的
17、影响w没有内部不平衡损失w状态特性可用少数几个参数描述w准静态过程在坐标图上用一系列平衡状态点的轨迹所描绘的连续曲线表示w理想化了的实际过程，是实际过程进行得非常缓慢时的一个极限w0C时，H2分子的均方根平移运动速度达1838m/s，N2分子达493m/s，O2分子达461m/sw活塞移动速度通常不足10m/sw按热力学的时间标尺来衡量，活塞移动过程的变化比较慢，不会出现明显的偏离平衡态二、可逆过程w耗散效应由功转变为热的现象w耗散损失可用功的损失-难以确定w理论分析时设想一个完全没有热力学损失（包括非平衡损失和耗散损失）的理想热力过程可逆过程w系统经历某一个过程后，如能在过程逆行时使系统和外
18、界同时恢复到原始状态而不遗留任何变化实现可逆过程的条件w过程没有势差（或势差无限小），如传热没有温差，做膨胀功没有力差等w过程没有耗散效应，如机械运动没有摩擦，导电没有电阻等w只是一种研究方法、科学的抽象w提出动力循环、致冷循环、气体压缩、流动等理想化热力过程w所得结果可作为实际过程能量转换效果的比较标准w将理论计算值加以适当修正，可得到实际过程的结果引入可逆过程的作用准静态过程和可逆过程w均由一系列平衡状态所组成w可在p-v图上用连续曲线表示w可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡，没有耗散效应和任何能量的不可逆损失w准静态过程仅要求系统内部的力平衡和热平衡，系统与外界之间可有不平衡势
19、差和耗散现象w准静态过程是针对系统内部的状态变化而言的，而可逆过程则是针对过程中系统所引起的外部效果而言的w可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程则未必是可逆过程w非平衡损失和耗散损失不是能量的数量损失，只是能量做功能力（或能质）的降低或退化功和热量w当系统与外界之间有不平衡势时，系统将进行一热力过程，过程中将伴随着能量的传递。w能量传递形式功和热量w 功：系统与外界存在不平衡力时，过程量 容积功，电功，磁功，化学功等w 热量：系统与外界存在温差，三、膨胀功（容积功）和压容图w热转换为机械功必须依靠工质的膨胀w由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通过界面向外界传递的机械功膨胀功w规定：系统容积
20、增大，表示系统对外界做膨胀功，视为正功；系统容积减小，表示外界对系统做压缩功，视为负功；膨胀功图功的计算w物理学中功的定义式：功=力距离w可逆过程，F=pf 则有w （J）w膨胀功与过程特性有关，表示微小量w可逆过程的膨胀功和压缩功：w（J）w适用范围：可逆过程，任何工质四、热量w热量是除功以外，没有物质流的系统与外界传递能量的又一种形式w热量传递中作为推动力的强度性参数是温度w作为广义位移的广延性参数的变化是熵的增量热量的计算公式-熵和温熵图w可逆过程中：w （J）w （J）w熵的定义式：可逆过程对于mkg工质：规 定w系统吸热，q为正值；系统对外放热，q为负值w则系统吸热，dS0；系统放热
21、，dS0；绝热过程，dS=0。第五节 热力循环w要使工质连续不断地做功，单有一个膨胀过程是不可能的w工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后又恢复到初始状态的全部过程热力循环，简称循环。一、正循环小 结w循环热效率总是小于1w从热源得到的热量q1，只能有一部分变为净功w0，在这一部分热能转换为功的同时，必然有另一部分的热量（q2）流向冷源，没有这部分热量流向冷源，热量是不可能连续不断地转变为功的二、逆循环逆循环的净功为负值消耗功w致冷循环以获得致冷量为目的w热泵循环以获得供热量为目的，工质将从冷源吸收的热量q2，连同循环中消耗的净功w0，一并向较高温度的供热系统供给热量q1（q1=q2+w）w致冷系数 w供热系数