第一章工程热力学基本概念课件

大家好大家好多媒体教学课件沈阳工程学院能动学院工程热力学工程热力学第一章第一章 基本概念基本概念1-1 1-1 工质和热力系统工质和热力系统1-2 1-2 工质的热力学状态及基本状态参数工质的热力学状态及基本状态参数1-3 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图1-4 1-4 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程1-5 1-5 过程功和热量过程功和热量1-6 1-6 热力循环热力循环什么是工质？什么是工质？定定义：实现能量能量转化的媒介物化的媒介物质制冷工程中又称制冷工程中又称为制冷制冷剂对工工质的要求的要求:1 1）膨）膨胀性性 2 2）流）流动性性3 3）热容量容量(比热）比热）4 4）稳定性定性，安全性，安全性5 5）对环境友善境友善 6 6）价廉）价廉，易大量，易大量获取取物物质三三态中气中气态最适宜作最适宜作为工工质1-1 工质和热力系统工质和热力系统 热力系统热力系统?人为分割出来作为热力学分人为分割出来作为热力学分析对象的析对象的有限有限物质系统物质系统系统与外界之间的分界面系统与外界之间的分界面热力系统以外的部分热力系统以外的部分热力系统热力系统（热力系）（热力系）外界外界界面（边界）界面（边界）系统与外界系统与外界通过通过边界边界进进行相互作用行相互作用1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-水泵a）以锅炉为热力系统；b）以汽轮机为热力系统；c）以整个蒸汽动力装置为热力系统热力系的选取主要决定于热力系的选取主要决定于研究任务研究任务划分热力系统举例划分热力系统举例选取热力系时注意：选取热力系时注意：v 边界可以是实际存在的，边界可以是实际存在的，也可以是假想的。也可以是假想的。（真空（真空容器）容器）v 边界可以是固定的，边界可以是固定的，也可以是变动的。也可以是变动的。v热力系可以很大，但不能大到无限。热力系可以很大，但不能大到无限。v热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子，热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子，以致不能遵守统计平均规律。以致不能遵守统计平均规律。系统与外界通过边界进行系统与外界通过边界进行相互作用。相互作用。物质交换物质交换能量交换能量交换热量交换热量交换功量交换功量交换根据热力系与外界的相根据热力系与外界的相互作用，热力系分为：互作用，热力系分为：闭口系闭口系和外界无物质交换和外界无物质交换（控制质量系统）（控制质量系统）开口系开口系和外界有物质交换和外界有物质交换（控制容积、控制体）（控制容积、控制体）绝热系绝热系和外界无热量交换和外界无热量交换（可以有功量和物质交换）（可以有功量和物质交换）孤立系孤立系和外界无任何相互作用和外界无任何相互作用1234mQW1 开口系开口系非孤立系非孤立系相关外界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 孤立系孤立系例例系统及边界示例系统及边界示例 汽车发动机汽车发动机开口系统开口系统 汽缸汽缸-活塞装置（闭口系例）活塞装置（闭口系例）气缸进、排气阀都关闭时，取气缸进、排气阀都关闭时，取气缸内工质为系统气缸内工质为系统闭口系统闭口系统进排气及燃烧膨胀过程一起研进排气及燃烧膨胀过程一起研究，取气缸为系统究，取气缸为系统开口系统开口系统 移动和虚构边界移动和虚构边界判断题判断题1 1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。2 2、孤立系一定是绝热闭口系。、孤立系一定是绝热闭口系。3 3、绝热闭口系一定是孤立系。、绝热闭口系一定是孤立系。XX1-2 1-2 工质的热力学状态及基本状态参数工质的热力学状态及基本状态参数状态状态：工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况状态参数状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量：描述工质所处状态的宏观物理量基本状态参数基本状态参数可直接测量可直接测量温度、压力、比体积、热力学能、焓、熵温度、压力、比体积、热力学能、焓、熵热力学中常用的热力学中常用的6 6个状态参数：个状态参数：一、温度一、温度 宏观上：物体冷热程度的标志宏观上：物体冷热程度的标志 微观上：物质分子热运动激烈程度的标志微观上：物质分子热运动激烈程度的标志温度计：温度计：测量温度的仪器测量温度的仪器温标温标：温度的数值表示法温度的数值表示法摄氏温标摄氏温标符号：符号：t单位：单位：水的三相点温度水的三相点温度为为0.01常用常用热力学温标热力学温标（又称：绝对温标、（又称：绝对温标、开尔文温标）开尔文温标）符号：符号：T单位：单位：K(K(开尔文开尔文)规定水的三相点温度为规定水的三相点温度为273.16K273.16KT=t+273.15温度间隔相等温度间隔相等二者无实质差异，二者无实质差异，仅零点取值不同仅零点取值不同常用温标之间的关系常用温标之间的关系绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点温标的换算温标的换算二、压力二、压力压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用力压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用力压力计：测量工质压力的仪器。压力计：测量工质压力的仪器。常见的有常见的有U U型管压力计和弹簧管压力计。型管压力计和弹簧管压力计。标准大气压标准大气压标准大气压标准大气压（atm,1atm=101325 Paatm,1atm=101325 Pa）巴巴（bar,1bar=10bar,1bar=105 5PaPa）工程大气压（工程大气压（1at=0.981*1at=0.981*105pa）毫米汞柱（毫米汞柱（1mmHg=133Pa)1mmHg=133Pa)毫米水柱（毫米水柱（mmHmmH2 2O=13.6Pa)O=13.6Pa)工程单位：工程单位：帕斯卡帕斯卡(帕帕)Pa)Pa1 Pa=1N/m1 Pa=1N/m2 2国际单位：国际单位：1 kPa=103 Pa 1 MPa=106 Pa压力计测压元压力计测压元件处于某种环件处于某种环境压力作用下，境压力作用下，因此因此测得的压测得的压力是真实压力力是真实压力与环境压力之与环境压力之差。差。绝对压力绝对压力p p 工质的真实压力工质的真实压力表压力表压力p pe e p pe e=p-p=p-pb b(p p p pb b)真空度真空度p pv v p pv v=p=pb b-p -p(p p 热力系有足够时间热力系有足够时间恢复被破坏的平衡恢复被破坏的平衡 例：例：2 2冲程活塞式内燃机，活冲程活塞式内燃机，活塞运动速度塞运动速度=10 m/s10 m/s，压力波恢，压力波恢复平衡速度（声速）复平衡速度（声速）350 m/s350 m/s。二、可逆过程和不可逆过程二、可逆过程和不可逆过程准平衡过程着眼于系统内部平衡，不排斥准平衡过程着眼于系统内部平衡，不排斥耗散效应耗散效应。引入一个更引入一个更彻底的理想彻底的理想化过程化过程可逆过程可逆过程 如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时，能使逆向运行时，能使系统和外界系统和外界都返回到都返回到原来的状态原来的状态，而而不留下任何变化不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。则为不可逆过程。可逆过程的特征：可逆过程的特征：q实现可逆过程的条件：实现可逆过程的条件：1 1）准静态过程）准静态过程2 2）无）无耗散效应耗散效应II.有摩擦的准静态过程有摩擦的准静态过程III.可逆过程可逆过程不平衡势差无限小不平衡势差无限小实际过程都是实际过程都是不可逆过程不可逆过程I.非平衡过程非平衡过程准平衡过程只要求系统内部平衡，不排斥耗准平衡过程只要求系统内部平衡，不排斥耗散效应。散效应。可逆过程不仅要求系统内部平衡，而且要求可逆过程不仅要求系统内部平衡，而且要求工质和外界可以无条件地逆复，过程进行时不存工质和外界可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量耗散。在任何能量耗散。可逆过程必是准平衡过程。准平衡过程只是可逆过程必是准平衡过程。准平衡过程只是可逆过程的必要条件之一。可逆过程的必要条件之一。无任何耗散效应的准静态过程是可逆过程，无任何耗散效应的准静态过程是可逆过程，反之亦然。反之亦然。准平衡过程与可逆过程的区别和联系：准平衡过程与可逆过程的区别和联系：问题：问题：实际过程非常复杂。热力学中先按可逆过程处实际过程非常复杂。热力学中先按可逆过程处理，然后考虑不可逆因素加以修正，即可得到实际理，然后考虑不可逆因素加以修正，即可得到实际过程的结果。过程的结果。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。易于揭示过程规律和本质。易于揭示过程规律和本质。可逆过程是实际过程的理想极限，可作为实际可逆过程是实际过程的理想极限，可作为实际过程的比较标准。过程的比较标准。实际过程都是不可逆过程，那么研究可实际过程都是不可逆过程，那么研究可逆过程有何意义？逆过程有何意义？问题：问题：有人说，不可逆过程是热力系无法恢有人说，不可逆过程是热力系无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗复到初始状态的过程，这种说法对吗？为什么？为什么？思考题思考题X一、过程功一、过程功v力学定义:力乘以在力方向上的位移v热力学定义：功是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v功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。v功的单位：J、kJ；功率的单位：W、kWv 规定：热力系对外做功为正，外界对热力规定：热力系对外做功为正，外界对热力系做功为负。系做功为负。1-5 1-5 过程功和热量过程功和热量功的一般表达式功的一般表达式热力学最常见的功热力学最常见的功 体积变化功体积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等功的表达式p pV.12.WdV 准静态过程功可用准静态过程功可用p p-V V图中图中曲线下的面积表示。曲线下的面积表示。功为功为过程量过程量，因其不仅与初终态，因其不仅与初终态相关，且与过程相关。相关，且与过程相关。过程量的微元用过程量的微元用d d表示，状态表示，状态量的微元用量的微元用d d表示。积分后结果表示。积分后结果不同。不同。仅适用于准静态过仅适用于准静态过程（包括可逆过程），非准静态过程（包括可逆过程），非准静态过程不可用，虚线下面积亦非功。程不可用，虚线下面积亦非功。pV.12.示功图示功图d dW 闭口系工质膨胀作出的功，一部分因摩擦而耗散，闭口系工质膨胀作出的功，一部分因摩擦而耗散，一部用以反抗大气压力作功，余下的才是可被利用的一部用以反抗大气压力作功，余下的才是可被利用的功，称为有用功。功，称为有用功。其中排斥大气功：其中排斥大气功：对可逆过程，有用功：对可逆过程，有用功：pp0求两过程中气体的膨胀功。求两过程中气体的膨胀功。两过程初、终态两过程初、终态相同，但中间途相同，但中间途径不同，因而膨径不同，因而膨胀功不同。胀功不同。例例解解二、过程热量v定义：热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通定义：热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通定义：热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通定义：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过边界传递的能量过边界传递的能量过边界传递的能量v热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。v国际单位：国际单位：国际单位：国际单位：J J J J，kJkJkJkJ，和功的单位相同，和功的单位相同，和功的单位相同，和功的单位相同v非法定单位：非法定单位：非法定单位：非法定单位：calcalcalcal，kcalkcalkcalkcalv热功当量：热功当量：热功当量：热功当量：1cal=4.1868J1cal=4.1868J1cal=4.1868J1cal=4.1868Jv规定系统吸热取为正，系统放热取为负规定系统吸热取为正，系统放热取为负规定系统吸热取为正，系统放热取为负规定系统吸热取为正，系统放热取为负热量如何表达？热量是否可以用类似于功的热量是否可以用类似于功的形式表示？形式表示？引入引入“熵熵”W W=pdV=pdV熵的定义Reversible:Reversible:可逆的可逆的熵的简单引入熵的简单引入比熵比熵 J/(kgJ/(kgK)K)dsds：可逆过程可逆过程 q qrevrev除以传热时的除以传热时的T T 所得的商所得的商 广延量广延量 J/KJ/K熵的说明v熵是状态参数熵是状态参数v符号规定符号规定 系统吸热时为正系统吸热时为正 Q0 dS0 Q0 dS0 系统放热时为负系统放热时为负 Q0 dS0 Q0 dS0v熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向方向v用途：判断热量方向用途：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热图（T-s图）二、过程热量二、过程热量热力系统与外界之间由于温度热力系统与外界之间由于温度不同而通过边界传递的能量。不同而通过边界传递的能量。规定：热力系吸热为正，放热为负。规定：热力系吸热为正，放热为负。对对m kg工质，单位：工质，单位：J，kJ。用用 Q 表示。表示。对对1 kg工质，单位：工质，单位：J/kg，kJ/kg。用用 q 表示。表示。可逆过程热量计算：可逆过程热量计算：区分：过程量和状态量。区分：过程量和状态量。o 功和热量是过程量。只有在能量传递或转换功和热量是过程量。只有在能量传递或转换过程中才有功和热量。过程中才有功和热量。o 说物系在某状态下有多少功或多少热量是说物系在某状态下有多少功或多少热量是无意义的、错误的。无意义的、错误的。热量为热量为过程量过程量，因其不，因其不仅与初终态相关，且与过仅与初终态相关，且与过程相关。程相关。可逆过程热量可用可逆过程热量可用T-s图图中曲线下面积表示。中曲线下面积表示。思考题思考题1 1、温度高的物体比温度低的物体具有更多的、温度高的物体比温度低的物体具有更多的热量，这种说法对吗？热量，这种说法对吗？3 3、温度、压力、体积、膨胀功、热量中，哪、温度、压力、体积、膨胀功、热量中，哪些是状态量，哪些是过程量？些是状态量，哪些是过程量？X2 2、热量是指储存于物体内部的热能量。、热量是指储存于物体内部的热能量。X判断对错判断对错1 1、某过程可在、某过程可在p-vp-v图中用实线表示，则必为准静态过程图中用实线表示，则必为准静态过程2 2、某过程可在、某过程可在p-vp-v图中用实线表示，则必为可逆过程。图中用实线表示，则必为可逆过程。3 3、某过程如图所示，则曲线、某过程如图所示，则曲线 下面积表示膨胀功。下面积表示膨胀功。4 4、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。5 5、可逆过程肯定是准静态过程。、可逆过程肯定是准静态过程。6 6、如右图所示，有、如右图所示，有pV.12.pv12.abXXXX1-6 1-6 热力循环热力循环锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 水泵水泵 凝凝汽汽器器热力循环全部热力循环全部或部分由不可或部分由不可逆过程组成逆过程组成可逆循环：可逆循环：不可逆循环：不可逆循环：根据过程是否可逆：根据过程是否可逆：热力循环全部由可热力循环全部由可逆过程组成逆过程组成蒸汽动力装置蒸汽动力装置要实现连续作功，必须构成循环。要实现连续作功，必须构成循环。热力循环热力循环：热力系经过一系列变化回到初态，这一系：热力系经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。列变化过程称为热力循环。循环分类：循环分类：正向循环正向循环把热能转化为机械能的循环，又称热机循环把热能转化为机械能的循环，又称热机循环根据循环效果及进行方向：根据循环效果及进行方向：热效率：热效率：循环热经济性指标循环热经济性指标 =收获收获/代价代价正向循环；逆向循环正向循环；逆向循环高温热源高温热源低温热源低温热源Q Q2 2Q Q1 1W热热机机锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 水泵水泵 凝凝汽汽器器顺顺时时针针逆向循环逆向循环又称制冷循环或热泵循环又称制冷循环或热泵循环高温热源高温热源低温热源低温热源Q Q2 2Q Q1 1W制制冷冷机机制冷循环的经济性用制冷系数衡量：制冷循环的经济性用制冷系数衡量：或或热热泵泵热泵循环的经济性用供热系数衡量热泵循环的经济性用供热系数衡量逆逆时时针针