工程热力学课件.ppt

工程热力学即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。热↘↙动力学热力学热能及其利用能源—指提供各种能量的物质源。一次能源—自然界以自然形态存在的、可资利用的能源。如：风能、水利能、太阳能、地热能、核能、化学能等。二次能源—由一次能源加工转换后的能源。如：热能、机械能、电能。热能的利用１.热利用—将热能直接用于加热物体，以满足烘干、采暖、熔炼等需要。２.动力利用—通过各种热能动力装置将热能转换成机械能或者转换成电能加以利用，为人类的日常生活、工农业生产及交通运输提供动力。热机太阳能电能光电反应热用户风车燃料电池传热传热能量的转换和传递过程水力机械水车燃烧聚变裂变磁流体发电温差发电电动机发电机核能地热能水力能热能机械能风能一次能源二次能源化学能热能转换装置的工作过程热能机械能(转换装置)热机蒸汽机示意图汽缸活塞曲柄连杆锅炉冷凝器曲轴箱泵废气燃烧室燃气轮机空气压气机燃料泵燃料燃气轮机装置系统简图压缩制冷装置系统简图地源热泵本课程的主要内容基本概念热力学第一定律理想气体的性质理想气体的热力过程热力学第二定律水蒸汽湿空气制冷循环1.1工质及热力系1.2热力系的宏观描述1.3基本状态参数1.4热力过程及热力循环第一章热力学基本概念1.1工质及热力系工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系冷源（低温热源）：接受工质放出热能的物系为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：热力系统以外的部分。边界：系统与外界之间的分界面。边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。系统与边界：以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换以气缸内气体为系统,活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换系统系统热力系统的分类：根据系统与外界物质交换、热量交换的情况闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积绝热系统：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，也无物质交换1-2热力系的宏观描述一.热力学状态：工质在某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。二.状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。三.状态参数的特性：状态参数都是宏观的物理量。状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。四.平衡状态如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态。实现平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。自然界的物质实际上都处于非平衡状态，平衡只是一种极限的理想状态。工程热力学通常只研究平衡状态。热力平衡状态满足：热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移。一.温标定义：温标是指温度的数值表示法温标三要素：测温物质及其测温属性基准点分度方法1-3基本状态参数任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。经验温标与绝对温标：热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K二.压力定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)压力计：测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境压力bpp之差，叫做表压力ep或真空度vp压力的单位：国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：，211/apNmap工程单位：标准大气压（atm,也称物理大气压）巴(bar)工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)三.比体积和密度比体积单位质量工质所占的体积mVv单位：3/mkg密度单位体积所含有工质的质量Vm单位：kg/m3v与ρ互成倒数，即：vρ＝11.4热力过程及热力循环一.热力过程：热力系统由一个状态变化到另一个状态的全部过程。就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述。二、过程量-功和热量只要存在不平衡势差的推动作用，系统和外界就会发生能量的交换-作功或传热功的力学定义：功是力和力方向上位移的乘积。功的热力学定义：在力差推动下，热力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。2121WFdxWFdx气缸活塞飞轮热源观察下面的过程,看热能是如何转换为功的工质、机器和热源组成的系统假设过程是可逆的。问题：过程可逆的条件是什么？气缸活塞飞轮热源左止点1pv可逆过程模拟气缸活塞飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41问题：左图中阴影部分的面积代表什么？作功：借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。作功过程中往往伴随着能量形态的变化。传热：借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。传热是相互接触的物体间存在温差时发生的能量传递过程。气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41二、容积功21wpdv可逆过程的容积功在p—v图中的表示图上曲线下面的面积代表容积功12pv可逆过程中容积功在ｐ│ｖ图上的表示21wpdv*强调：2.称为压缩功1.pv0dv0ww称为膨胀功有0dv0ww有有0dv0w功的正负：热力学中约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。功的单位:焦耳（J）mNJ11比功与功率比功：单位质量物质所作的功，单位：J/kgsJW/11mWw功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）有关功的说明功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量。微元过程作出过程量用表示，如微功量用w（状态参数为微增量，用d表示，如dp、dv、dT）膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。热量的定义热力系统与外界之间仅仅由于温度差则通过边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）热量的正负热力学中约定：系统吸热为正，放热为负热量的单位国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量.计算公式:Tdsq2121TdsqdssT21s2s10热量单位:J,kJ可逆过程中热量的计算：五.热力循环热力循环定义工质由某一初态出，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环。显然循环的目的是为了实现预期连续的能量转换，而不可能是为了获得工质状态的变化。循环的经济性得到的收获经济性指标＝花费的代价正向循环：把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功。热源冷源热机Q2Q112WQQ正向循环的经济性－热效率：1qwnett把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功。netwq1热泵循环的经济性－热泵系数：netwq2制冷循环的经济性－制冷系数：逆向循环：热源冷源热机Q2Q121QQW2.1循环过程、热力学第一定律2.2闭口系的热力学第一定律表达式2.3开口系统的热力学第一定律表达式第二章热力学第一定律一.热力学第一定律的实质2.1循环过程、热力学第一定律能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。热力学第一定律实质是：能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：热力学第一定律的能量方程式：进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加＝－2.2闭口系的热力学第一定律表达式一.热力学能热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和:分子热运动形成的内动能:它是温度的函数。分子间相互作用形成的内位能:它是比体积和温度的函数。热力学能：符号：U法定计量单位：焦耳（J）比热力学能：（1kg物质的热力学能）符号：u单位：J/kg热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数。01221dUUUdUU外部储存能需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：212kEmcmgzEp重力位能：宏观动能：系统的储存能热力学能宏观动能宏观位能UkEPEEkPEUEE即系统的储存能系统的总储存能（简称总能）1kg工质的总能为比总能：212eucgz二.闭口系统的热力学第一定律表达式能量平衡关系式：输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W。12EEWQ2.3开口系统的热力学第一定律表达式（稳定流动能量方程式）实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转。因此，分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。一.稳定流动与流动功工程上实施的能量转换过程一般都是在工质不断流过热工设备时进行的。常用的热工设备除了起动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的。这种流动状况称为稳定流动，即开口系统内各点流体的热力状态和流动情况都不随时间变化。推动功工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。如图所示，当质量为m的工质在外力的推动下克服压力p移动距离h，进入截面积为A的气缸时，则外界所作的推动功为pAhpVmpv推动功示意图流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）：流动功是由泵或风机加载给被输送的工质并随着工质的流动而向前传递的一种能量。工质从进口到出口，从状态1膨胀到状态2，膨胀为为W，在不计工质的动能与位能变化时，开系与外界交换的功量应为膨胀功与流动功之差W-(pv))()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff稳定流动能量方程有m1的微元工质流入进口截面1－1，有m2的微元工质流出出口截面2－2系统从外界接受热量Q系统工质通过机器轴输出功Ws为轴功E=Q+P1V1-WS-P2V2=ΔU+ΔEK+ΔEPQ=ΔU+（P2V2-P1V1）+WS+ΔEK+ΔEP=ΔU+（P2V2-P1V1）+Wtq=Δu+Δ(pv)+wt=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+wt令h=u+pv则q=h2-h1+wt=Δh+wt此三项为机械能，是技术上可资利用的