工程热力学(1)

工程热力学工程热力学研究对象：热能与机械能相互转换的规律和方法以及提高转换效率的途径。工程热力学基本内容：1）基本概念和定律；2）工质的性质和过程；3）工程应用。工程热力学方法：1）宏观方法：(宏观热力学或经典热力学)2）微观方法：(微观热力学或统计热力学)第一节基本概念一、工质的概念及应用工质：在热能动力装置中，热能与机械能相互转换时的媒介物。如燃气、水或水蒸气、制冷剂等。对工质的要求：良好的膨胀性和良好的流动性。二、热力学系统1、热力学基本概念1）系统：热力设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。2）外界：系统之外与系统有关的其他热力设备。如下图的膨胀阀、管道等。蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀12343）边界：系统与外界的分界面。边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。QW膨胀中的燃气系统的边界流动中的工质系统的边界2、热力学系统的分类及相互关系1）热力学系统的分类：系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热（1）开口系统：系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统（2）封闭系统：系统与外界无物质交换。封闭系统具有恒定质量，封闭系统与外界可以有热量和功的交换，也可以没有。QW膨胀中的燃气系统的边界（3）绝热系统：系统与外界没有热量交换。绝热系统与外界可以有物质与功的交换，也可以没有。冷源QW把冷源包括在内的绝热系统（4）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA系统内部各部分可以有物质、热量与功的交换，但系统作为一个整体与外界没有任何相互作用。三、热力学平衡态1、热力学平衡态概念1）状态及状态参数状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况。状态参数：描述系统宏观特性的物理量。2）热力学平衡态热力学平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学平衡态。（即同时具备热平衡与力平衡）系统实现热力学平衡态的条件在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。四、热力学状态参数1、状态参数概念及特性1）状态参数概念：描述系统宏观特性的物理量。常用的热力学状态参数：压力（压强）p、温度T、容积V、内能U、焓H和熵S。2）状态参数的特性：①热力学状态参数的数值由热力学系统的状态唯一确定。②热力学系统状态变化时，若变化的初态和终态是确定的，则系统的各状态参数变化量也是确定的。③系统的状态参数按其特性可分为两类：尺度量（V、U、H、S）和强度量（p、T、v、s、u、h）。2）状态参数的充要条件状态参数是系统状态的单值函数或点函数，状态参数的微元变量是全微分。功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。2、常见的状态参数和基本热力学状态参数强度量尺度量压力、温度体积、热力学能、焓、熵基本参数导出参数压力、温度、体积热力学能、焓、熵1）.压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。即压强(1)压力的单位：1N/m2=1Pa(帕）1MPa=106Pa；1bar=105Pa(2)大气压力:Pb标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa(3)绝对压力P、表压力Pg、真空度Pv相对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）表压力Pg真空度Pv系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）Pg=P–PbPv=Pb–P当PgPb时，取Pb=0.1MPa2）.温度：表征物体冷热程度的物理量。(1)热平衡定律两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系统彼此之间必定处于热平衡。(2)温标：温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标。建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）热力学温标t(C)=T(K)-273.153m3m3）容积和比容容积V：单位质量的工质所占有的空间。单位：比容v：单位质量的工质的容积。单位：容积与比容的关系：比容与密度的关系：容积与比容均为热力学状态参数。kgm/3mVvv14）内能和比内能内能U：工质所具有的热能。单位：J。比内能u：单位质量工质的内能。单位：J/㎏。内能和比内能关系：mUu工质的内能由分子无规则的热运动所具有的内动能和分子间相互作用力产生的内势能两部分组成。工质的内能是由状态参数——温度和容积（或比容）所决定的，故内能和比内能也是工质的热力学状态参数。5）焓和比焓比焓h：工质流经开口系统时，其内能u和压力p与比容v的乘积之和。pvuh焓H：mpvmumhH6）熵和比熵熵S：m千克工质从热源吸收的微元热量dQ除以的工质吸热时热源的绝对T所得的商。单位：J/K。比熵s：单位质量工质的熵。单位：J/K.㎏。熵表示热量转换为功的能力。即在可逆过程中，热源的绝对温度越高，则系统熵增就越小，热量转化为功的能力就越强。判断系统与与外界热传递的方向可根据工质的比熵值来决定。即：ds﹥0,系统从热源吸热；ds﹤0,系统向热源放热；ds=0，系统与热源绝热。2、常见的不可逆因素1）耗散效应：通过摩擦使功转变为热的现象。特点：功可以通过摩擦自发地（无条件地和全部地）转变为热，而热不可能自发的转变为功。2）有限温差下的热传递：热可以自发的从高温物体传到低温物体，而不可能自发的从低温物体传到高温物体。隔板3）自由膨胀：膨胀功：工质在膨胀时，作用在移动边界上的压力。自由膨胀：当移动边界上的压力为零，则膨胀功为零。4）不同工质的混合：隔板3、可逆过程的概念及判别可逆过程：系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢复到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。判别：凡是包含不可逆因素的过程，均为不可逆过程；而不包含任何不可逆因素过程的才是可逆过程。4、可逆过程与准静态过程的关系可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。第二节热力学第一定律一、热力学第一定律的实质及内容1、热力学第一定律的实质能量守恒与能量转换定律在热力学中的应用。第一定律的表达：输入系统的能量—系统输出的能量=系统储存能量的变化量能量的类型：传递中的能量---功和热量----过程量储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是造不成的。”2、热力学第一定律的内容1）封闭系统的热力学第一定律QW热源功源WUQUWQwuq单位质量工质dwdudq微元过程吸热0q放热0q内能增加0u内能减少0u系统对外作功0w外界对系统作功0w其中△U=U2-U1第三节热力学第二定律1）开尔文说法“不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功，而不产生其它的变化。”它表明了热能和机械能相互转换时的方向性。即：机械能可以通过摩擦自发地全部转换为热能，而热能不能自发地全部转换为机械能。第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。Q1Q2w工质在热机循环中要实现将热能转换为机械能，至少要有两个热源，因此热效率不可能达到100%。W=Q1-Q22）克劳修斯说法“不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生其它变化。”它表明了热量传递的方向性。即：热量能自发地从高温物体传向低温物体，也能够在有其它变化（比如功变热）的条件下从低温物体传向高温物体。Q1Q2W3）两种说法的的等价性1.违反克劳修斯说法必然违反开尔文说法Q1Q2wW=Q1-Q2Q22.违反开尔文说法必然违反克劳修斯说法Q1Q2wQW=QQ1=W+Q2=Q+Q2假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导热功转换完全功不完全热自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.热力学第二定律的实质无序有序自发第三节水蒸气一、水蒸气的基本概念水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体一般情况下，为实际气体。18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质。直到内燃机发明，才有燃气工质。目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质。优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好。是其它实际气体的代表。1、饱和温度与饱和压力物质三种聚集状态：固态、液态、气态水的三态：冰、水、水蒸气水的汽化速度取决于水的温度，当水温不变时，单位时间从水面飞出的分子数目不变。水蒸气液化的速度取决于汽空间水蒸气的压力。饱和状态：达到一定状态时，汽化与液化这两种方向相反的过程就会达到动态的平衡。饱和温度：饱和状态时汽、液的温度相同，此时的温度称为饱和温度。饱和压力：饱和状态时水蒸气的压力称为饱和压力。对应于某一定的饱和温度，必有一定的饱和压力。2、蒸发与沸腾蒸发：只通过液体表面进行的汽化，蒸发可在任何温度下进行。沸腾：在液体内部和表面同时进行的汽化，沸腾只有在液体的温度达到液体压力所对应的饱和温度时才进行。即只有水温等于水的压力下的饱和温度时，水才可能沸腾。3、水蒸气的状态参数水蒸气等实际气体不能用理想气体状态方程来描述，其内能不仅与温度有关，还与比容有关。故水蒸气的热力参数多采用图表法表示。二、水的定压汽化过程及其特点1、水的定压汽化过程ttst=tst=tst=tsttsvv’v=v’v=v’’v’vv’’vv’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽hh’h=h’h=h’’h’hh’’hh’’ss’s=s’s=s’’s’ss’’ss’’水预热汽化过热cpcTcTABCACBcTTcTTcppcpp3a3b3d3e3c3a3b3d3e3c2c2a2b2d2e2c2a2b2d2e1c1a1b1d1e1c1a1b1d1eTs2、水蒸气的p-v图和T-s图pvcp一点，二线，三区，五态一点两线三区五态一点物质的临界点两线饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和液体状态连线（下界限线）三区汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域五态过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。临界点coc3c22.129MPa647.30K(374.15C)m0.00326kgpTv水的临界点状态饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的pmax,Tmax临界点第四节压缩机的热力过程一、活塞式压缩机的工作原理和示功图空气进口排入空气瓶中主要部件：1、活塞2、气缸3、滤清器4、吸、排气阀5、散热肋片pVPb空气瓶压力4123V0单级活塞式压缩机示功图p21V1-V4V04VVs3工作过程1、吸气过程4-12、压缩过程1-23、排气过程2-34、余隙容积内压缩空气的膨胀过程3-4图中2-3和4-1不是状态变化，而是表示气缸内气体质量的变化。二、单级活塞式压缩机所消耗的机械功单级理想压缩机p-V图p2pp10V2”V21V2’2”62v432’5’55”V1定温多变绝热1、定压吸气过程4-1：气体的压力、温度和比容均未变化。气缸中气体容积的增加是由于进入气缸中的气体质量增加。2、压缩过程1-2：分为定温压缩1-2’、绝热压缩1-2”和多变压缩1-2三种情况。3、定压排气过程2-3（或2’-3、2”-3）：与定压吸气一样，气体的状态不变，气缸中气体容积的减小是气体不断排入空气瓶的结果。对压缩机而言，示功图p-V图所包围的面积表示压缩机的耗功，从p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。三、