第一篇-工程熱力學(xué)ppt課件

1、第一篇 工程熱力學(xué),第一章 基本概念和定義,1-1、熱力系統(tǒng)（系統(tǒng),1. 定義 系統(tǒng)：被人為分離出來，做為研究對象的物體 的總稱。 外界：系統(tǒng)以外的其它物質(zhì)。 邊界：系統(tǒng)與外界的分界面,例,邊界可以是固定或運動的, 也可以是真實或虛擬的, 因此系統(tǒng)也可以是固定或運動的,2. 系統(tǒng)的分類 閉口系、開口系、絕熱系、孤立系等,閉口系: 與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。 開口系: 與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。 絕熱系: 與外界無熱量交換的系統(tǒng)。 孤立系：與外界無功、熱、物質(zhì)交換的系統(tǒng),另外，也可按系統(tǒng)內(nèi)部狀況的不同，將系統(tǒng)分為均勻系（各部分化學(xué)成分和物理性質(zhì)均勻一致）與非均勻系；單相系（單一物相）與復(fù)相系；單元系

2、（純物質(zhì)，空氣可看作純物質(zhì)）與多元系等,合理選擇系統(tǒng)是進行正確的熱力學(xué)分析的前提。 在不涉及化學(xué)反應(yīng)時，工程熱力學(xué)所討論的大多數(shù)熱力系統(tǒng) 簡單可壓縮系： 由可壓縮流體構(gòu)成、沒有電、磁、重力、運動和表面張力等外力場作用、沒有化學(xué)反應(yīng)、系統(tǒng)與外界交換的功只有容積變化功一種,系統(tǒng)選擇應(yīng)根據(jù)實際情況，以解決問題方便為原則。 系統(tǒng)選取方法對研究問題的結(jié)果沒有影響，僅與解決 問題的繁復(fù)程度有關(guān),一、工質(zhì)的熱力狀態(tài) 工質(zhì)是實現(xiàn)熱、功轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)，簡稱工質(zhì)。 熱能與機械功的相互轉(zhuǎn)換是通過工質(zhì)一系列的狀態(tài)變化來實現(xiàn)的。工程熱力學(xué)中所研究的系統(tǒng)大多為簡單可壓縮系，與外界交換功的模式只有容積變化功，由于氣態(tài)物質(zhì)具

3、有良好的流動性和膨脹性，體積最容易發(fā)生變化，因此，熱力學(xué)中的工質(zhì)基本是氣體以及有相變的液體。如空氣、燃氣、水蒸氣、水、制冷劑等,1-2、工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中的工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀 物理狀況。 二、狀態(tài)參數(shù) 可定量描述工質(zhì)狀態(tài)特性的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。 如基本狀態(tài)參數(shù) p、T、和導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù) u、h、s 等,狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)：是狀態(tài)的單值函數(shù)，只取決于工質(zhì)所處的狀態(tài)，與過程無關(guān),若,則,例：設(shè) x 為任意狀態(tài)參數(shù)，則,熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有6個：壓力 p、溫度 T、容積V（比容）、熱力學(xué)能U、焓 H 和熵 S。其中 p 和 T 為強度性參數(shù)，在熱力過程中起著推動

4、力的作用； V、U、H、和 S 為廣延性參數(shù)，反映過程進行的尺度,三、 基本狀態(tài)參數(shù)（p、T） 通過儀表直接或間接測量得到的狀態(tài)參數(shù)稱為基本狀態(tài)參數(shù)，利用基本狀態(tài)參數(shù)計算得到的狀態(tài)參數(shù)為導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù),強度性參數(shù)稱為廣義力或勢，與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的數(shù)量無關(guān)，沒有可加性； 廣延性參數(shù)稱為廣義位移，具有可加性。 單位質(zhì)量的廣延性參數(shù)稱為比參數(shù)，具有強度參數(shù)的性質(zhì)，沒有可加性，比參數(shù)可看作強度性參數(shù),1）絕對壓力 p： 工質(zhì)的真實壓力，真空時 p = 0, 只有絕對壓力為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。 （2）表壓力 pg： 絕對壓力高出當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值,pb 大氣壓力（不恒定,N/m2,可用絕對壓力、表壓力或真空度三種形

5、式表示,1、壓力,表壓力測量儀表 常用單位 壓力表 MPa U型管測壓計Pa 或 mmH2O(Hg)（pg g h） （3）真空度 pV： 絕對壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值,p、pg、pV 關(guān)系圖,2、溫度 表示物體冷熱的程度。 溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法。 常用: 熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。 三種溫標(biāo)關(guān)系式,C,3、比容和密度（,m3/kg,kg/m3,平衡狀態(tài) 1、定義：系統(tǒng)中壓力、溫度處處相同、且不隨時間變化的狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài) 。 只有平衡狀態(tài)才能由一組具有確定數(shù)值的狀態(tài) 參數(shù)定量描述該狀態(tài)。 2. 保持平衡狀態(tài)不變的條件： 系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與外界之間不存在任何不平衡勢差。系統(tǒng)內(nèi)外處于

6、力的平衡和熱的平衡（溫度平衡,1-3、平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程,二、狀態(tài)公理,狀態(tài)公理: 熱力系平衡狀態(tài)獨立狀態(tài)參數(shù)的個數(shù)等于系統(tǒng)與外界 交換能量的各種方式的總數(shù)。 對由氣體組成的簡單可壓縮系統(tǒng) ，獨立的狀態(tài)參數(shù) 只有兩個,三、狀態(tài)方程式 習(xí)慣上以反映基本狀態(tài)參數(shù) p、T 之間關(guān)系的 公式稱為狀態(tài)方程式,常用的氣體狀態(tài)參數(shù)圖為,例 p圖,p圖和 T s 圖,狀態(tài)方程式的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì),氣體狀態(tài)方程式,或： p = f ( T, v ) ; T = f (p, v ) ; v = f (p, T,常用的氣態(tài)工質(zhì)可分為兩類：理想氣體和蒸氣（實際氣體）。 理想氣體是指遠離液態(tài)點，不易液

7、化的氣體； 而蒸氣則是指離液態(tài)點較近，比較容易液化的氣體。 理想氣體和蒸氣之間沒有絕對的界限，而且兩者可以相互轉(zhuǎn)化。如蒸氣在高過熱狀態(tài)時可看作理想氣體；而通?？煽醋骼硐霘怏w的氫氣、氧氣、氮氣、及惰性氣體等，在低溫和高壓狀態(tài)時就應(yīng)將它們看作蒸氣。不同的氣體具有不同的液態(tài)點,理想氣體的狀態(tài)方程式最簡單,一. 準(zhǔn)平衡過程 1、定義 過程：工質(zhì)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的 全部經(jīng)歷。 準(zhǔn)平衡過程：由一系列的平衡狀態(tài)（實際上 是無限接近平衡狀態(tài)）所構(gòu)成的過程,1-4、 準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過程和可逆過程,2、 實現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件 無勢差損失（破壞平衡狀態(tài)存在的壓力差、溫差無窮小）; 弛豫時間短（恢復(fù)平衡快

8、。即系統(tǒng)內(nèi)外處于連續(xù)的動平衡狀態(tài)）。 舉例: 氣缸中貯有氣體，裝有細砂的 砂箱放在活塞上，設(shè)氣缸壁為良導(dǎo)熱 材料，氣缸內(nèi)外隨時保持溫度平衡,二. 可逆過程 1、 定義：能逆向進行，且系統(tǒng)與外界同時返回原 態(tài)而不留下任何變化的過程（舉例）。 2、耗散效應(yīng)與勢差損失 耗散效應(yīng)通過摩擦、電阻、磁阻等使功變 為熱的效應(yīng)。 勢差損失由于壓差或溫差等勢差的存在而 造成的損失（分子無序運動,3、 可逆條件 例 氣體在氣缸中絕熱膨脹，推動活塞向外移動，到達頂點后反向運動壓縮氣體,分析： 該系統(tǒng)能自動滿足弛豫時間短的條件； 設(shè)過程進行時： i）沒有摩擦（無耗散效應(yīng)） ii）沒有壓差（無勢差損失 ） 在此條件下，

9、過程是可逆的,可逆的條件為： 系統(tǒng)內(nèi)外隨時處于力的平衡和熱的平衡 （無勢差損失）； 弛豫時間短 ； 無耗散效應(yīng)。 結(jié)論：可逆過程沒有耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程 。 4、實用意義 許多實際過程可以近似的作為可逆過程處理, 便于分析計算,三. 準(zhǔn)靜態(tài)過程及可逆過程的圖示,習(xí)題 ：1.3、1.5、1.10,2-1、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 實質(zhì)：是能量守恒及轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。 兩種表述,表述： 熱量與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時,總量 保持不變,表述：第一類永動機是不可能制成的,對于一個循環(huán)，則,第二章 熱力學(xué)第一定律,針對工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過程，常常將它們抽象簡化為不同的系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)與外

10、界之間的能量關(guān)系不同，因此其相應(yīng)的熱力學(xué)第一定律表達式（能量方程）也不同，但其本質(zhì)都是相同的。 根據(jù)能量守恒原理，熱力學(xué)第一定律的一般表達式為： 系統(tǒng)收入能量系統(tǒng)支出能量 系統(tǒng)總儲存能的增量,儲存能包括內(nèi)部儲存能和外部儲存能,2-2、系統(tǒng)的儲存能,內(nèi)部儲存能是工質(zhì)內(nèi)部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微觀運動形式等有關(guān)，簡稱內(nèi)能； 外部儲存能是系統(tǒng)作為宏觀整體所具有的宏觀能量，包括宏觀動能和重力位能，又稱轉(zhuǎn)移能,在簡單可壓縮系中，不涉及化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)（無化學(xué)內(nèi)能和核內(nèi)能），所以可認為工質(zhì)的內(nèi)能就是熱力學(xué)能，僅包括分子的內(nèi)動能和內(nèi)位能（物理內(nèi)能,一、 熱力

11、學(xué)能（ 內(nèi)動能 + 內(nèi)位能,UU（T、） J（kJ,比熱力學(xué)能,J/kg,內(nèi)動能包括分子的直線運動動能、旋轉(zhuǎn)運動動能以及分子內(nèi)部原子和電子的振動能。由分子運動論，內(nèi)動能與工質(zhì)的溫度有關(guān)，溫度越高，內(nèi)動能越大； 內(nèi)位能是氣體分子間相互作用力而形成的分子位能，分子位能的大小與分子間的距離有關(guān)，亦即與氣體的比容有關(guān)。因此簡單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學(xué)能）是溫度和比容的函數(shù)，即,實驗規(guī)律表明,當(dāng)工質(zhì)由狀態(tài) 1,狀態(tài) 2 時,結(jié)論：比熱力學(xué)能（簡稱熱力學(xué)能）是狀態(tài)參數(shù),u f（T，） 或 u f（p，,對理想氣體：內(nèi)位能 0，熱力學(xué)能 內(nèi)動能，即,uf（T,比熱力學(xué)能總是由u1 u2（只與狀態(tài)有關(guān),二、 外

12、部儲存能 （運動系統(tǒng)）宏觀動能重力位能,動能,位能,三 、 總能（總儲存能,對1kg工質(zhì),功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏 觀和微觀），只有在過程進行時才有能量遷移，所以 功量和熱量均為過程量。 一、功量 1、定義：功是在力的推動下，通過宏觀有序運動的方式傳遞的能量。 常見形式：機械功、電磁功、化學(xué)功、表面張力功等。 容積功機械功的一種形式，包括膨脹功和壓縮 功（熱力學(xué)重點研究,2-3、功量與熱量,2、可逆過程容積功及圖示 WFdxpAdxp dV,由12時,對1kg工質(zhì),規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。 顯然 w1-a-2 w1-b-2 結(jié)論： 1）可逆過程的容積功可由 p圖上過程

13、線下的面積表示； 2）功是過程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù) ，微量 記作 w 或 W,二、熱量 1、定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的能量。 規(guī)定：系統(tǒng)工質(zhì)吸熱為正、放熱為負。 結(jié)論：熱量是過程函數(shù)，微量記作 q 或 Q。 熱量在溫熵（T- s）圖中的表示 1）功、熱類比： 在可逆過程中： 過程推動力 衡量能量交換的尺度 功量 p d 熱量 T,ds,熵符號：s,由,2）s 的定義式,J/(kgk,可逆過程適用,式中 s1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵,q1kg工質(zhì)的吸（放）熱量,對 mkg工質(zhì),T工質(zhì)的絕對溫度,J/k,注意：在不可逆過程中,3）Ts 圖,qTds（微元面積,過程線下面積,結(jié)論：對

14、可逆過程，熱量可由T-s 圖中過程線下的 面積表示,對mkg工質(zhì),顯然過程中：ds0q0，吸熱,ds0q0，放熱,ds0q0，絕熱,結(jié)論：對可逆過程，熵變是判斷系統(tǒng)工質(zhì)與外界有無熱量交換及熱流方向的判據(jù),注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱力過程中傳遞的一種能量，而熱能則是指物體內(nèi)部分子熱運動所具有的能量，熱能可儲存于系統(tǒng)內(nèi)部，即所謂的熱力學(xué)能。熱量是過程量，而熱能是狀態(tài)量,3、通過比熱容計算熱量,式中 c 比熱容，J /(單位物理量 K) 以質(zhì)量作為物量單位時,c 質(zhì)量比熱容，J /(kg K,熱力學(xué)第一定律是人類從長期實踐經(jīng)驗中總結(jié)得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，適用于一切工質(zhì)和一切熱

15、力過程。對于不同的具體問題，可以表達為不同的數(shù)學(xué)表達式,2-4、熱力學(xué)第一定律及其解析式,一、閉口系能量方程,對如圖所示的閉口系,根據(jù)能量守恒原理,加入系統(tǒng)的熱量系統(tǒng)對外做的功系統(tǒng)總儲能增量,即,或,因此，對靜止的閉口系,上述各量均為代數(shù)量,在工程上，比較常見的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)宏觀動能和宏觀位能為零或變化量近似為零，這種情況可看作靜止的閉口系，系統(tǒng)總儲能的變化就是熱力學(xué)能的變化,對1kg工質(zhì),靜止閉口系能量方程式,對微元過程,或,適用于任何工質(zhì)、任何過程,對可逆過程,由,靜止閉口系能量方程式為,如前所述，由于工程上大多數(shù)情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將靜止閉口

16、系的能量方程簡稱為閉口系能量方程，反而對運動的閉口系要特別說明。由閉口系能量方程，可以看到，包括工質(zhì)內(nèi)熱能（熱力學(xué)能）和外熱能（從外界獲得的熱量）的熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)換必須依靠工質(zhì)的容積變化，因此閉口系能量方程清晰地反映了熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的基本原理和關(guān)系，因而稱之為熱力學(xué)第一定律基本表達式,例： 空氣向真空絕熱膨脹，求 t2,解：選整個容器為閉口系, 由熱,q0，w0,由 ucV t,t0， t2t1,u0,計算時應(yīng)注意公式的使用條件和單位,以及功量、熱量的正負號,1） 穩(wěn)定流動系統(tǒng)條件,氣輪機,或,const,const,Wsconst,二、穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程,工程上許多熱力裝置在工

17、作過程中常伴隨著工質(zhì)的流進流出，如：氣輪機、壓氣機、鍋爐、換熱器及空調(diào)機等，當(dāng)設(shè)備處于正常穩(wěn)定工況運行時，這些熱力系統(tǒng)都可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)（穩(wěn)流系,2）軸功、流動功 軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws 。 流動功,對mkg工質(zhì),對1kg工質(zhì),注意此處dV與W中不同,在進口處，為使工質(zhì)流入系統(tǒng)，外界必須對流入的工 質(zhì)作功,以克服系統(tǒng)的內(nèi)阻力,此功稱為推動（進）功,同理，出口處系統(tǒng)對1kg工質(zhì)所作的推動功為,進出口處推動功的代數(shù)和稱為流動功，記作Wf。流 動功是維持工質(zhì)流動所必需的，通常是由泵或風(fēng)機等 加給被輸送工質(zhì)的，是隨工質(zhì)的流動而向前方移動的 機械能，它不是工質(zhì)本身具有的儲存能，只有

18、在工質(zhì) 流動時才出現(xiàn),所以，流動功可表示為,3、 穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程（熱 I 解析式,設(shè),根據(jù)能量守恒原理,進入系統(tǒng)的能量流出系統(tǒng)的能量,即,系統(tǒng)總儲能的增量,適用于一般開口系,對穩(wěn)流系,令 HUpV，稱為焓,對1kg工質(zhì),稱比焓,則,或,穩(wěn)流能量方程式 （普遍適用,對微元過程,或,各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任何工質(zhì),式中,技術(shù)功wt 技術(shù)上可利用的功 (宏觀機械能,當(dāng),引入技術(shù)功后，穩(wěn)流能量方程可表達為,時,在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動能、宏觀位能的變化及軸功都是機械能，在技術(shù)上都可被用于對外界作功，因此稱之為技術(shù)功Wt （wt）,閉口系和穩(wěn)流系能量方程的形式不同，但本質(zhì)是

19、相同的或等價的。都描述的是一定量的工質(zhì)在熱力過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。 工質(zhì)在穩(wěn)定流動過程中同樣是一個膨脹過程。雖然開口系的邊界為剛性邊界，過程中系統(tǒng)的總?cè)莘e不發(fā)生變化，但是，沿工質(zhì)流程的流通截面是遞增的。因此，系統(tǒng)與外界交換功的方式和閉口系不同，工質(zhì)所作的膨脹功是隱含的,三、各種功量的關(guān)系,由,或,對可逆過程,對 mkg 工質(zhì),可逆過程中技術(shù)功圖示,2）可逆過程穩(wěn)流能量方程式,或,使用條件：穩(wěn)流、可逆,因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術(shù) 功之和。即一部分膨脹功用于提供工質(zhì)流動所需的流 動功，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動能和宏觀位能， 其余部分才對外輸出軸功。 所以膨脹功是簡單可壓縮系熱

20、變功的源泉，穩(wěn)流系中 所有機械能的總和等于膨脹功。即,四、焓,1. 定義式,J,比焓,J/kg,簡稱焓,h也是狀態(tài)參數(shù),h 可表示為任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)的函數(shù),如：hf（p.T）,對于理想氣體,2. 焓的物理意義,1）不論對非流動工質(zhì)還是流動工質(zhì)，焓都是狀態(tài) 參數(shù)； 2）對流動工質(zhì)，h 是隨工質(zhì)流動時攜帶的取決于熱 力狀態(tài)的那部分能量（或基本能量,在開口系中，隨工質(zhì)流動而攜帶的總能量包括工質(zhì)的總儲能 e 和推動功 p。在有些流動情況下，工質(zhì)的宏觀動能和重力位能為零或忽略不計，但熱力學(xué)能和推動功是必定存在的，所以說焓是流動工質(zhì)攜帶的基本能量。而宏觀動能和重力位能是外部儲存能，與工質(zhì)的狀態(tài)無關(guān)，因此也可將 h 看作流動工質(zhì)所攜帶的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量,1、簡化工程實際問題的幾點原則,2-5、穩(wěn)流能量方程式應(yīng)用舉例,1）對葉輪式機械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理。 葉輪式機械的外表面通常絕熱較好； 熱交換面積較小、或工質(zhì)迅速流過系統(tǒng)； 系統(tǒng)與外界的溫差很小等。 2）除如噴管、擴壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進出口動、位能差都可以忽略不計。 3）如果閉口系中工質(zhì)的容積沒有變化，則容積功為零；如果開口系中沒有葉片、轉(zhuǎn)軸類的作功部件，其軸功為零,1）燃燒室,簡化,燃燒過程等壓、穩(wěn)流,將燃燒過程視為外部熱源加熱，忽略化學(xué)變化,忽略燃料質(zhì)量，將燃氣視為空氣,由,2、應(yīng)用舉例,