热力系统的特性和分类课件

热力系统的特性热力系统的特性和分类和分类本章重点本章重点：取取热热力力系系统统、对对工工质质状状态态的的描描述述、状状态态与与状状态态参参数数的的关关系系、状状态态参参数数、平平衡衡状状态态、状状态态方方程程、可可逆逆过程。过程。1-11-1 热力系统热力系统热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：用界面分：用界面分离出的研究对象。离出的研究对象。外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质1、系统与边界、系统与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 开口系开口系 热力热力系统系统非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功1-2 状态和状态参数状态和状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的状态参数的变化量变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z=z z(x,y)dz z是全微分是全微分充要条件：充要条件：可可判断是否判断是否是状态参数是状态参数强度参数与广延参数强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比容比容比比内能内能比比焓焓比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质1-3 基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度温度 T、比容比容 v （容易测量）容易测量）1 1、压力压力 p 物理中物理中压强压强，单位单位:Pa,N/m2常用单位：常用单位：1 bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg=9.80665 104 Pa压力压力p测量测量示意图一般是一般是工质工质绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力示意图当当 p pb表表压力压力 pe当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程示功图示功图pV.12.pp外外21mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdvW可逆过程的定义可逆过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系系统统与与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不留恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为下任何痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程。注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 +无耗散效应无耗散效应 =可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等）不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程，但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆1-7 功功 量量1 1、力学力学定义定义:力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义(外文参考书外文参考书）a a、当热力系与外界发生能量传递当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的时，如果对外界的唯一效果可归结为唯一效果可归结为取起重物取起重物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。b b、功是系统与外界相互作用的一功是系统与外界相互作用的一种方式，在种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运运动方式传递的能量动方式传递的能量。功的表达式功的表达式功功的一般表达式的一般表达式热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 其他准静态功：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等1-8 热热 量量 与与 熵熵1 1、热量热量定义：定义：热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界是热力系与外界相互作用的另一种方式，在相互作用的另一种方式，在温度温度的推的推动下，以微观动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能能量量。热热 量量 如如 何何 表表 达达？热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”热量与容积变化热量与容积变化功功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV,dv dS,ds公式公式条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆熵（熵（Entropy）的定义的定义reversible熵的简单引入熵的简单引入比参数比参数 kJ/kg.Kds:可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的所得的商商 清华大学清华大学刘仙洲刘仙洲教授命名为教授命名为“熵熵”广延量广延量 kJ/K熵的熵的说明说明1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 Q 0 dS 0系统系统放热放热时时为为负负 Q 0 dS 04、用途：用途：判断热量方向判断热量方向 计算可逆过程的传热量计算可逆过程的传热量示功图与示热图示功图与示热图pVWTSQ 示功图示功图温熵温熵(示热示热)图图1-9 热力循环热力循环要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环定义：定义：热力系统经过一系列变化回到初热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为态，这一系列变化过程称为热力循环热力循环。不可逆循环不可逆循环分类：分类：可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环正循环正循环pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向2112逆循环逆循环pVTS净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向2112热力循环的评价指标热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率动力循环：热效率热力循环的评价指标热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数热力循环的评价指标热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）WT1Q1Q2T0制热循环：制热系数制热循环：制热系数