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工程热力学,朱明善,教材与参考书,教 材:工程热力学朱明善等编 参考书:工程热力学(第二版) 庞麓鸣等编 工程热力学(第四版 ) 沈维道编 2007年 工程热力学严家騄编 2007年,绪 论,工程热力学是重要的专业基础课,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,主要内容,0-1 热能及其利用 0-2 热能转换装置的工 作过程 0-3 工程热力学的研究 对象及其主要内容 0-4 热力学的研究方法,0-1 热能及其利用,热 能,电 能,机 械 能,风 能,水 力 能,化 学 能,核 能,地 热 能,太 阳 能,一次能源 (天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,供暖,能源转换利用的关系,风力发电,水力发电,火力发电,江苏田湾核电站,0-2 热能转换装置的工作过程 一、蒸汽动力装置的工作原理,火力发电装置基本特点,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源,冷源 2、工质(水,蒸 汽) 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),二、燃气轮机装置的工作原理 压气机 从大气环境吸 气,并将其压缩,使得其压 力和温度得以提高。 燃烧室 空气和燃料在 其中混合并燃烧,得到高温 高压的燃气。 涡轮机 高温高压的燃 气推动涡轮机叶轮旋转对外 输出机械功。 工质(空气、燃气)在装置内周而复始地循环,进 而实现将热能转换为机械能的任务。,燃烧室,燃气装置基本特点,1、热源,冷源 2、工质(燃气) 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,燃料,三、内燃机的工作原理 进气过程 :进气阀开,排气阀关,活塞下行,将空气吸入气 缸。 压缩过程 :进、排气门关,活塞上行压缩空气,使其温度和 压力得以升高。 燃烧过程 :喷油嘴喷油,燃料燃烧,气体压力和温度急剧升高 (燃料的化学能转换为热能)。 膨胀过程 :高温高压气体推动活塞下行,曲轴向外输出机械功。 排气过程 :活塞接近下死点时,排气门开,在压差的作用下废气 流出气缸。随后,活塞上行,将残余气体推出气缸。 重复上述过程,将热能转换为机械能。,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,内燃机装置基本特点,1、热源,冷源 2、工质(燃气) 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),四、蒸汽压缩制冷装置 压气机 吸入来自蒸发器的低压蒸汽,将其压缩 ( 耗功 ) 产生高温高压的蒸汽。 冷凝器 使气体冷凝,得到常温高压的液体。 节流阀 使液体降压,产生低压低温的液体。 蒸发器 工质吸收冷藏库内的热量,汽化为低压气体,使冷 库降温。,制冷空调装置基本特点,1、热源,冷源 2、工质(制冷剂) 3、得到容积变化功 4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热),热力装置共同基本特点,1、热源,冷源 2、工质 3、容积变化功 4、循环,0-3 工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,1、宏观方法:连续体,用宏观物理量描述其状态,其基本规律是无数经验的总结。 特点:可靠,普遍,不能任意推广 经典 (宏观)热力学,0-4 工程热力学研究方法,2、微观方法:从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律 特点:揭示本质,模型近似 微观(统计)热力学,工程热力学研究方法,工程热力学的学习方法,抓住主线 理论联系实际 重视基本技能训练 分析计算能力、实验技能 认真完成作业,绪 论 完,第一章 基本概念,1-1 热力系统 1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环,第一章 基本概念,主要内容,1-1 热力系统 1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环,1-1 热力系统 一、系统、外界与边界 热力系统(热力系、系统):人为地研究对象 外界:系统以外的所有物质 边界(界面):系统与外界的分界面,边界特性,真实、虚构,固定、活动,封闭热力系(闭口系) 只与外界有能量交换而无物质交换 开口热力系(开口系) 与外界既有能量交换又有物质交换 孤立系 与外界既无能量交换又无物质交换,二、热力系的分类,以系统与外界关系划分:,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,归纳:,1 开口系,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,简单可压缩系统,最重要的系统 ,简单可压缩系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,1-2 状态 平衡状态 一、状态与状态参数 状态:某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数:描述系统所处状态的宏观物理量。 二、平衡状态与非平衡状态 平衡状态:热力系宏观性质不随时间变化。 非平衡状态:热力系宏观性质随时间变化。 三、平衡状态的判据 1、力平衡 2、热平衡 3、相平衡 4、化学平衡,1-3 热力状态参数 一、定义:用于描述热力系状态的宏观特性量。 二、特点 1、与状态一一对应,完全取决于状态。 2、状态变化时,状态参数只取决于初、终两态,与变化路径无关。 三、分类 1、强度参数:与质量无关,且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度、比焓h、比熵s、比容、比内能u 2、广延参数:与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S,四、基本状态参数 (一)压力 1、定义:单位面积上承受的垂直作用力。即 该公式计算的是工质的真正压力,也称绝对压力。 微观上看:工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的 总效果。 2、单位: 1Pa=1N/m2 1kPa=1000 Pa,1MPa=106 Pa,1bar= 105 Pa 1mmH2O=9.80665Pa,1mmHg=133.3Pa 标准大气压1atm=760mmHg=1.01325 105 Pa 工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665104 Pa,压力p测量,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pg,当 p pb,真空度 pv,pb,pg,p,pv,p,(二)比容 单位质量的物质所占的体积。,(三)温度 1、定义:温度是物系间达到热平衡的判据习惯上:物体冷热程度的度量。 热力学第零定律: 如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡,则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础 B 温度计,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系,必定有某一宏观特征彼此相同,用于描述此宏观特征的物理量 温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量,2、温标:指温度的标度或温度的定量表示法。 热力学温标(单位:开尔文,符号K), 摄氏温标, 华氏温标 朗肯温标 R,热力学温标T不依赖于测温物质的性质。 选用热力学温度,以水的三相点为基准点,并规定它的温度为273.16K,即每单位开尔文等于水三相点的1/273.16。,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,1-4 状态方程、状态参数坐标图,一、状态方程,足够的状态参数就能确定一个状态,而一旦状态确定 ,该状态的所有状态参数也就确定了。,热力学的研究结果告诉我们 , 对于可压缩纯物质只要两个状态参数就足够了。,那么从数学上就应有: v=f (p ,t ) u=f (p ,t ) h=f (p ,t ) s=f (p ,t ) (设已知状态参数为p,t),以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况下它通常指p,v ,T组成的方程。,二、 状态参数坐标图,两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。,注:对非平衡态由于其各部分状态参数不尽相同,故无法绘在状态参数坐标图上。,1-5 准静态过程和可逆过程,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态(准平衡)过程,一、基本概念 1、过程 热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合。 2、非准静态过程 系统经历一系列不平衡状态的过程。 3、准静态过程 系统经历一系列无限接近平衡状态过程。,准静态过程有实际意义吗?,既是平衡,又是变化,既可以用状态参数描述,又可进行热功转换,疑问:理论上准静态应无限缓慢,工程上怎样处理?,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间 (外部作用时间),恢复平衡所需时间 (驰豫时间),有足够时间恢复新平衡 准静态过程,准静态过程的工程应用,例:活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转,0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度(声速)350 m/s,破坏平衡所需时间 (外部作用时间),恢复平衡所需时间 (驰豫时间),一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始:pA = p外A +f,A,如果 p外微小,可视为准静态过程,dx,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W = pA dx =pdV,1kg工质,w =pdv,dx 很小,近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质:,W =pdV,1kg工质:,w =pdv,1,上式仅适用于准静态过程,示功图(p-V图),p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质:,W =pdV,1kg工质:,w =pdv,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,2) p-V 图上用面积表示,3)功的大小与路径有关, 过程量,4)统一规定:dV0,膨胀 对外作功(正) dV0,压缩 对内作功(负),5)适于准静态下的任何工质(一般为流体),6)外力无限制,功的表达式只是系统内部参数,7)有无f,只影响系统功与外界功的大小差别,摩擦损失的影响,若有f 存在,就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W,外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统,系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失的影响,若 f 0,p,p外,2,1,系统对外作功W,外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,二、可逆过程,系统经历某一过程后,如果能使系统
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