工程热力学第三版 沈维道编 课件第1和第2章

第一章基本概念1－1热能在热机中转变成机械能的过程燃料——热能——动力热能动力装置：1蒸汽动力装置；2燃气动力装置工质：实现热能——机械能转化的媒介高温热源（热源）：工质从中吸取热能的物系低温热源（冷源）：接受工质排除热能的物系热能动力装置工作过程：工质从热源获得热能，做功，排除余下的热能给低温热源。1－2热力系统热力系统：人为分隔出来的有限物质系统。热力系统/边界/外界边界：实际的或假想的；不动的和变形的。闭口系：只有能量交换而无物质交换，又叫控制质量。开口系：即有物质交换又有能量交换。又叫控制容积。绝热系统：与外界无热量交换。孤立系统：即无物质交换又无能量交换。简单可压缩系：最常见的热力系，由可压缩流体构成，与外界功的交换只有容积变化功。1－3工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态：某一瞬间宏观物理状况，压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H、熵S。一温度微观：物质分子运动的积累程度。Mc2/2=BTt=T-273.15k二压力压强：大量分子撞击器壁的结果。p=pb+pep=pb-pv1Pa=1N/m2三比体积及密度v=m/V1-4平衡状态、状态方程、坐标图平衡状态：不受外界影响的情况下，系统状态始终保持不变。热力平衡状态：具备热和力的平衡。平衡不一定均匀。两个独立的状态参数即可确定一个状态二状态方程式T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,t)F=F(p,v,T)三坐标图p-v图，T-s图1－5工质的状态变化过程一准平衡过程（准静态过程）相对缓慢，工质再平衡破坏后自动恢复平衡所需时间又很短。工质与外界的压力差无限小；温差无限小。二可逆过程和不可逆过程可逆过程：完成某一过程后，工质能顺相同的路径逆行回到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界一恢复到原来状态，而不留下任何变化。准平衡过程，不应有任何耗散效应。1－6过程功和热量一功的热力学定义δW＝Fdx21pdvw二可逆过程的功δW＝Fdx＝pAdx＝pdV1kg工质作的功：δW＝pdV/m=pdv功不是状态量，是过程量Wu=w-wr-wlWu:有用功；wl摩擦功;wr排除大气功wr＝p0(V2-V1)可逆过程w1=02121pdvw1212pdvw)(12021,VVppdvwreu四过程热量δq＝Tds1-7热力循环一、循环概说循环：工质经过若干过程后，又回到原来状态。二、正向循环21Tdsq正向循环wwnetqqqqnet211qwnett逆向循环•用于制冷和热泵netwq2netwq1热力学第一定律•2－1实质：能量守恒和转化•热能：杂乱运动的能量，可与其他形式能量相互转化并守恒。•热能和机械能相互转化•表述•2－2、热力学能和总能•一、热力学能•内动能是温度的函数热力学能•热力学能的变化：内动能和内位能的变化。•热力学能是温度的单值函数•二、总能•E=U+Ek+Ep•Ek=mcf/2•Ep=mgz总能•E=U+mcf2/2+mgz•E=u+cf2/2+gz•2-3能量的传递和转化•一作功和传热：能量传递的两种方式•作功：伴随着能量形式的转化•热能变机械功：两个过程•二推动功和流动功推动功•推动功：工质在开口系流动而传递的功•工质传递推动功不会有能量形式的变化•2－4、焓•H=U+pV•单位J,•比焓•h=u+pv•单位J/kg•H=u+pv=f(p,v)=f(p,T)=f(T,v)0dh2－5基本能量方程式•进入系统的能量－离开系统的能量＝系统中储存的能量的增加•闭口系：Q-W=△u=U2-U1•Q=△U+W•δQ=dU+dW•对于1kg工质：δq=du+dw•q=△u+w2－5基本能量方程式•对于可逆过程：δQ=dU+pdV21pdVUQ21pdvuqWdUQ对于循环：WQ讨论：1.公式中热量、功量是代数值。2.量纲要统一。3.初终状态应是平衡态。4.物理意义：真正反映了热功转换，它表明加给系统的热量一部分用于增加工质的热力学能，仍以热能的形式储存于工质内部，余下的一部分以做功的方式传递给外界，转化为机械能。•Qnet=Wnet•qnet=wnet•2-6、开口系统能量方程式•一、开口系能量方程式•进入－离开＝增量•二、稳定流动能量方程式•任意截面上的一切参数不随时间而变一．稳定流动及实现条件1.定义：系统内各点参数（包括热力参数和流速）不随时间变化的流动。2.实现：（1）物质的相互作用不随时间变化。（2）能量的相互作用不随时间变化。（3）进出口的状态参数不随时间变化。3.一维稳态流动二．能量方程已知：进口p1T1v1cfu1z1m1出口p2T2v2c2z2u2m2其中：m=m1=m2由于是稳定流动，所以量E=0进入系统能量离开系统能注意:⑴该公式适用于任何工质(理想或实际气体)，任何过程（可逆或不可逆）只要进出口平衡态，不管系统内平衡与否。⑵当无轴上摩擦时wi=ws⑶q,w的正负号。⑷u,h,cf等不是系统不同时刻的变化量，而进出口参数差。⑸单位。稳定流动能量方程式•q-△u=△cf2/2+g△z+△(pv)+wi•技术功：wt=wi+(cf22/2-cf12/2)+g(z2-z1)•由于q-△u=w•则wt=w-(p2v2-p1v1)•对于可逆过程：•对于微元过程：δwt=-vdp212121221121)(vdppvdpdvvpvppdvwt•q=h2-h1+wt=△h+wt•Q=△H+Wt•对于微元过程δq=dh+δwt•δQ=dH+δWt•对于可逆过程δq=dh－vdp;•δQ=dH－VdpvdpdhpdvvdppdvdhpdvpvhdpdvduqVdpHQvdphq)(21212－7能量方程式的应用•一、动力机：动能差、散热、势能差忽略•热力发动机包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机，等等。下面以蒸汽轮机为例进行分析。如图所示，有气体流经气轮机而对外作功。为分析气轮机中的能量转换，取1－1、2－2截面间的流体作热力系。如果气轮机处于稳定工作状态，则所讨论的是开系中•流体作稳定流动的情况。•此时，气流通过气轮机发•生膨胀，压力下降，对外•作功。在实际的气轮机中，•其进出口速度相差不多，•动能差忽略。气流对外略•有散热损失，但数量通常不大•，可认为Q=0。同时，•气体在进出口的重力位能之差甚微，也可忽略即。将上述条件代入，得到气体流经气轮机时的能量方程式为•Wnet=H1-H2•流过气轮机的每•1kg流体作净功•wnet=h1-h2•可见，在气轮机中气流对外输出的净功量(此时即轴功)，等于其进出口焓的差值。•••二、压气机：动能差和势能差忽略•wc=-wi=(h2-h1)+(-q)=-wt•三、换热器：无功的交换•q=h2-h1•四、管道：•在分析中，取其进、出口截面间的流体为热力系，并假定流动是稳定的。喷管实际流动过程的特征是：气流迅速流过喷管，其散热损失甚微，可认为Q=0；气流流过喷管时无净功输入或输出，Wnet=0；进、出口气体的重力位能差可忽略，。将上述条件代入得到:对1kg流体而言，（cf22-cf12)/2=h1-h2•喷管中气流宏观动能的增加是由气流进、出口焓差转换而来。•节流：不可逆；设流动绝热，动能差和势能差忽略，不对外作功•h1=h2