熱工基礎課件PPT課件

1、1熱能在熱機中轉變成機械能的過程熱能在熱機中轉變成機械能的過程第1頁/共108頁2分類燃氣動力裝置combustion gas power plant 蒸汽動力裝置steam power plant內燃機 gas turbineinternal combustion engine jet engineering 燃氣輪機噴氣動力裝置熱能動力裝置：熱能動力裝置：從燃料燃燒中得到熱能，并利用熱能得到動力的設備。從燃料燃燒中得到熱能，并利用熱能得到動力的設備。熱能機械能化學能第2頁/共108頁3工作物質工作物質:p燃氣燃氣燃氣熱能機械能燃料化學能排入大氣p 燃燒、膨脹p 排氣p 吸氣p 壓縮工作過程

2、：能量轉換：內燃機內部構造內燃機內部構造第3頁/共108頁4燃氣輪機裝置示意圖燃氣輪機裝置示意圖第4頁/共108頁5小型燃氣輪機第5頁/共108頁6第6頁/共108頁7第7頁/共108頁8蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置（流程圖）（流程圖）第8頁/共108頁9不同點：構造和工作特性不同。不同點：構造和工作特性不同。相同點：相同點：p存在某一種媒介物質以獲得能量；存在某一種媒介物質以獲得能量； （如內燃機中混合氣，蒸汽機中的水）（如內燃機中混合氣，蒸汽機中的水）p存在能提供熱能的能量源；存在能提供熱能的能量源；p余下的熱能排向環(huán)境介質。余下的熱能排向環(huán)境介質。結論：各種形式的熱機都存在以下幾個相同的熱力

3、過程：吸熱、膨脹作功和排熱。比較上述兩種熱機第9頁/共108頁10名詞定義：名詞定義：工質工質（working substance; working medium ）: 實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質。實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質。 膨脹性；膨脹性； 流動性；流動性； 熱容量；熱容量； 穩(wěn)定性、安全性；穩(wěn)定性、安全性； 環(huán)保性能；價格。環(huán)保性能；價格。因此，物質三態(tài)中氣體最合適。因此，物質三態(tài)中氣體最合適。熱源熱源（heat source; heat reservoir）: 工質從中工質從中吸取吸取或向之或向之排放排放熱能的物質系統(tǒng)。熱能的物質系統(tǒng)。熱源溫度高低溫度變化高溫熱源（熱源

4、 heat source）低溫熱源（冷源heat sink）恒溫熱源（constant heat reservoir） 變溫熱源（variational heat reservoir）第10頁/共108頁11 工質從高溫熱源吸熱，將其中一部分轉化為機械能而作功，并把余下部分傳給低溫熱源。熱能動力裝置的工作過程可概括成：熱源冷源熱機作功吸熱放熱第11頁/共108頁12熱力系、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)熱力系、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)第12頁/共108頁13為了研究問題方便，熱力學中常把分析對象為了研究問題方便，熱力學中常把分析對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量

5、和物質的傳遞。間的能量和物質的傳遞。熱力系統(tǒng)（熱力系）： 人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質系統(tǒng)。邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面外界：熱力系統(tǒng)以外的部分System Boundary Surroundings 系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界1.熱力系第13頁/共108頁14汽缸-活塞裝置（閉口系例） 以氣缸內氣體為系統(tǒng)，活塞表面上的邊界是移動邊界，系統(tǒng)與外界沒有物質交換第14頁/共108頁15 汽車發(fā)動機（開口系例） 以空間為系統(tǒng)，進、出口邊界均為假想邊界，系統(tǒng)與外界有物質交換第15頁/共108頁16注意：注意： 系統(tǒng)與外界設定的人為性；系統(tǒng)與外界設定的人為性； 外界與環(huán)境介質；外界與環(huán)境介質

6、； 邊界可以是：邊界可以是： 剛性的或可變形的；剛性的或可變形的； 固定的或可移動的；固定的或可移動的； 真實存在的或虛擬的。真實存在的或虛擬的。第16頁/共108頁17熱力系統(tǒng)的分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質交換、熱量交換的情況開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質交換，系統(tǒng)被劃定在一定容積范圍內，也稱控制容積閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質交換，系統(tǒng)內質量恒定不變，也稱控制質量絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱量交換孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量交換，也無物質交換第17頁/共108頁18可壓縮系統(tǒng)：系統(tǒng)由可壓縮流體構成簡單可壓縮系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界只有熱量可 逆與容積功交換。熱力學中大多屬于簡單可壓縮系統(tǒng)第18頁/共108頁192

7、.2.平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況平衡狀態(tài)：在不受外界影響的條件下（重力場 除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)：系統(tǒng)的溫差消失的平衡狀態(tài)力平衡狀態(tài)，化學勢平衡狀態(tài)系統(tǒng)內部與外界之間平衡勢差消失系統(tǒng)平衡平衡的本質：不存在不平衡勢第19頁/共108頁20平衡與穩(wěn)定平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定T1T0Tx第20頁/共108頁21平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的平衡與均勻第21頁/共108頁223. 3. 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)狀

8、態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量。狀態(tài)參數(shù)的特征：1、單值性：狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然。2、積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關，只與初 終態(tài)有關3、微分特征：全微分第22頁/共108頁23積分特征積分特征狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。數(shù)學上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù) 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz 例：溫度變化 高度變化1 2ab第23頁/共108頁24微分特征微分特征設 z =z (x , y)dz是全微分yxzzdzdxdyxy充要條件：22zzx yy x 可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)第24頁/共108頁25 壓力P、溫度T、體積V、熱力學能U、焓H和熵S，其中

9、壓力、溫度和體積可直接用儀器測量，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。其余狀態(tài)參數(shù)可根據(jù)基本狀態(tài)參數(shù)間接算得。常用狀態(tài)參數(shù)第25頁/共108頁26強度量：強度量：與系統(tǒng)質量無關，如與系統(tǒng)質量無關，如P P、T T。強度量不具有可加性。強度量不具有可加性。廣延量：廣延量：與系統(tǒng)質量成正比，如與系統(tǒng)質量成正比，如V V、U U、H H、S S。廣延量具有可加性。廣延量的比參。廣延量具有可加性。廣延量的比參數(shù)（單位質量工質的體積、熱力學能等）具有強度量的性質，不具有可加性。數(shù)（單位質量工質的體積、熱力學能等）具有強度量的性質，不具有可加性。強度量與廣延量第26頁/共108頁27強度參數(shù)：與物質的量無關的參數(shù),如壓力

10、p、溫度T廣延參數(shù)：與物質的量有關的參數(shù)可加性如:質量m、容積 V、內能 U、焓 H、熵S比參數(shù)：比容VvmUum比內能Hhm比焓Ssm比熵單位：/kg /kmol 具有強度量的性質第27頁/共108頁28基本熱力學參數(shù)1、溫度 T2、壓力 p3、比容 v第28頁/共108頁29（1）溫）溫 度度傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度 T 0.5 m w 21) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固體和碳蒸氣2) T=0 0.5mw 2=0 分子一切運動停止， 零點能第29頁/共108頁30熱力學第零定熱力學第零定律律熱力學第零定律（R.W. Fowler）如果

11、兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B 溫度計第30頁/共108頁31溫度的熱力學定義溫度的熱力學定義處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫度。 溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量第31頁/共108頁32溫度的測量溫度的測量溫度計物質 （水銀，鉑電阻）特性 （體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標第32頁/共108頁33常用溫標常用溫標絕對K攝氏 100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1537.8冰熔點水三相點發(fā)燒水沸點第33頁/共108頁34溫標的換

12、算溫標的換算O 273.15T KtCO5( 32)9tCt F第34頁/共108頁35（2）壓力）壓力 p常用單位：常用單位： 1 bar = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa1 mmHg =133.3 Pa物理中壓強，單位: Pa , N/m2第35頁/共108頁36壓力的測量壓力的測量第36頁/共108頁37絕對壓力與相對壓力絕對壓力與相對壓力當 p pb表壓力 pg當 p 有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程第51頁/共108頁52準靜態(tài)過程的工程應用準靜態(tài)過程的工程應用例1-1：活塞式內燃機 2000轉/分 曲柄 2沖

13、程/轉，0.15米/沖程活塞運動速度=20002 0.15/60=10 m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350 m/s一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛钡?2頁/共108頁53可逆過程可逆過程定義：系統(tǒng)經歷某一過程后，如果在沿原來路徑逆向進行時，系統(tǒng)與外界都返回原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則此過程為可逆過程。注意：可逆過程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過程。第53頁/共108頁54可逆過程的實現(xiàn)可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程 + 無耗散效應 = 可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等） 不平衡勢差不可逆根源 耗散效應

14、： 耗散效應實際過程：不可逆第54頁/共108頁55可逆過程的意義可逆過程的意義 準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程， 但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。 可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內工質 的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復雜關系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按理想情況（可逆過程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。第55頁/共108頁56典型的不可逆過程典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1T2Q自由膨脹真空第56頁/共108頁57節(jié)流過程 (閥門）p1p2p1p2混合過程第57頁/共108頁58功的一般表達式Fdxw Fdxw熱力學最常

15、見的功 容積變化功 其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等2. 功和熱量力學定義: 力 在力方向上的位移功的定義第58頁/共108頁59可逆過程的容積功可逆過程的容積功pp外初始：pA = p外A Adl以汽缸中工質為系統(tǒng)第59頁/共108頁60示功圖示功圖pV.12.pp外21mkg工質：W =pdV21WpdV1kg工質：w =pdv21wpdvW第60頁/共108頁61可逆容積變化功的說明可逆容積變化功的說明1）單位為 kJ 或 kJ/kg2） p-V 圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關， 功是過程量pV.12.第61頁/共108頁624）統(tǒng)一規(guī)定：dV0，膨脹 對外作功（正） dV

16、 0 dS 0系統(tǒng)放熱時為負 Q 0 dS 04、用途：判斷熱量方向 計算可逆過程的傳熱量熵的說明第66頁/共108頁67示功圖與示熱圖示功圖與示熱圖pVWTSQ 示功圖溫熵(示熱)圖pdVWTdSQ第67頁/共108頁68【例1-2】 一氣缸活塞內的氣體由初態(tài)p1=0.5MPa, V1=0.1m3,緩慢膨脹到V20.4m3,若過程中壓力與體積的關系為pV=常數(shù)，試求氣體所做的膨脹功。解：由PV=常數(shù)得常數(shù)11VppVVVpp1131.691 . 04 . 0ln1 . 0105 . 0ln312112111212111VVVpVdVVpdVVVppdVWkJ第68頁/共108頁693. 熱力

17、循環(huán)熱力循環(huán)要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構成循環(huán)定義： 熱力系統(tǒng)經過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：循環(huán)可逆循環(huán)循環(huán)性質循環(huán)正循環(huán)(動力循環(huán))循環(huán)目的逆循環(huán)(制冷循環(huán))第69頁/共108頁70正循環(huán)正循環(huán)pVTS凈效應：對外作功凈效應：吸熱正循環(huán)：順時針方向2112第70頁/共108頁71逆循環(huán)逆循環(huán)pVTS凈效應：對內作功凈效應：放熱逆循環(huán)：逆時針方向2112第71頁/共108頁72熱力循環(huán)的評價指標熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)：凈效應（對外作功，吸熱）1WQ收益代價凈功吸熱WT1Q1Q2T2動力循環(huán)：熱效率第72頁/共108頁73熱力循環(huán)的評價指標熱力循環(huán)的評價指標逆

18、循環(huán)：凈效應（對內作功，放熱）2QW收益代價吸熱耗功WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)第73頁/共108頁74熱力循環(huán)的評價指標熱力循環(huán)的評價指標逆循環(huán)：凈效應（對內作功，放熱）1QW收益代價放熱耗功WT1Q1Q2T0制熱循環(huán)：制熱系數(shù)第74頁/共108頁75基本概念： 熱力系 平衡、穩(wěn)定、均勻 準靜態(tài)、可逆 過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù) 功、熱量、熵 p-V圖、T-S圖 循環(huán)、工作系數(shù)小 結第75頁/共108頁76 熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系 熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。第76頁/共108頁77例

19、例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標明功和熱的方向。第77頁/共108頁78閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱量：氣體通過活塞從外界吸熱Q(1)以容器內原有氣體為系統(tǒng)第78頁/共108頁79閉口系功量：殘留氣體對放逸氣體作功WWQ熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q(2)以容器內殘留的氣體為系統(tǒng)第79頁/共108頁80閉口系功量：W + W熱量：Q + QWQWQ(3)以放逸氣體為系統(tǒng)第80頁/共108頁81開口系功量：W熱量：QWQ(4)以容器為系統(tǒng)第81頁/共108頁82(5)以氣缸為系統(tǒng)以氣缸為系統(tǒng)開口系功量：W + W熱量：Q +

20、 QWQWQ第82頁/共108頁83速度動能高度 位能 內能溫度應力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）強度量與廣延量第83頁/共108頁84 狀態(tài)量： 描述工質狀態(tài)，工質的狀態(tài)一定，狀態(tài)參數(shù)一定。 具有物理上勢函數(shù)的特征 狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關，狀態(tài)參數(shù)的全微分是恰當微分，微元量用符號dz表示。 過程量（功和熱） 只有在熱力過程中通過邊界才能實現(xiàn)交換和傳遞。 沒有過程就不會有遷移的能量功和熱。 不能說“系統(tǒng)具有多少功量或熱量” 功量和熱量的大小不僅和系統(tǒng)的初、終態(tài)有關，而且與系統(tǒng)經歷的過程有關。 不是恰當微分，微元過程寫成“ W”和“ Q” 狀態(tài)量與過程量第84頁/共10

21、8頁85有人說，不可逆過程是無法恢復到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？不對。關鍵看是否引起外界變化?？赡孢^程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復到初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。第85頁/共108頁86可逆過程一定是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程準靜態(tài)過程無耗散可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準靜態(tài)過程很少用?？赡孢^程與準靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系第86頁/共108頁871.實現(xiàn)平衡態(tài)的條件是什么？實現(xiàn)準平衡過程的條 件是什么？可逆過程實現(xiàn)的條件又是什么？2.說法“倘若容器內氣體的絕對壓力沒有變化且大 于大氣壓力，則安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù) 不變”對否？3.什么是廣

22、延量參數(shù)？它有什么特點？4.簡單可壓縮系統(tǒng)的獨立參數(shù)有幾個？5.什么是正循環(huán)？什么是逆循環(huán)？它們各自的循環(huán)經濟性如何表示？第87頁/共108頁88第二節(jié)熱力學第一定律第二節(jié)熱力學第一定律第88頁/共108頁89一、熱力學第一定律及其實質一、熱力學第一定律及其實質本質：能量轉換及守恒定律在熱過程中的應用第89頁/共108頁90 內儲存能熱力學能定義：工質微觀粒子所具有的能量 熱力學能分子運動所具有的內動能 分子間由于相互作用力所具有的內位能 維持一定分子結構的化學能和原子核內部的核能 儲存能：熱力系統(tǒng)的總能量 二、熱力學能儲存能第90頁/共108頁91比熱力學能 uU/m 熱力學能U 是狀態(tài)參數(shù)

23、 不包含化學反應的簡單可壓縮系統(tǒng)熱力學能： 內動能內位能( , )UU T VmgzmcUE221或 2k21mcE 2k21ce mgzE pgze p或外儲存能宏觀動能宏觀勢能儲存能：比儲存能 gzcue221第91頁/共108頁92三、熱力學第一定律的一般表達式 一般關系式 進入系統(tǒng)的能量流出系統(tǒng)的能量系統(tǒng)能量的增量入出增量 一般表達式 syE11me22meQtotWsy)(dEE11,meQtot22, WmesysysydEEEE)d(sytot1122sy)(dWmemeEQtot1122sy)(WmemeEQ出： 增量：入：第92頁/共108頁93四、閉口系熱力學第一定律基本表

24、達式 能量方程 QQUEsyWWmemetot11220)(WUQwuq第93頁/共108頁94微元過程表達式QUW quw 條件：控制質量，適合任何工質QUW外熱能，內熱能機械能 體積變化功可逆過程表達式VpUQddvpuqdd 21dVpUQ21dvpuq第94頁/共108頁95五、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程 1. 穩(wěn)定流動系統(tǒng) 定義：穩(wěn)定流動系統(tǒng)是指熱力系統(tǒng)內各點狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化的流動系統(tǒng)。 實現(xiàn)條件：(1)進出系統(tǒng)的工質流量相等且不隨時間而變；(2)系統(tǒng)進出口工質的狀態(tài)不隨時間而變； (3)系統(tǒng)與外界交換的功和熱量等所有能量不隨時間而變。 第95頁/共108頁96fW定義：開口系統(tǒng)中工

25、質流入和流出系統(tǒng)所作的推動功的代數(shù)和。 11push1VpW11111111push1)()(VpLApLApW推動功：同理：流動功：2. 流動功 f221 1()Wp VpVpV f221 1()wp vp vpv push222Wp V第96頁/共108頁973. 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程 121212121122)()()()(EEmeemeemeememe)(shfshtotpVWWWW0syE22222111sh11()()()22UmcmgzUmcmgzWpVsy2211tot21shf()()QEememWEEWW 222211 1sh1()()2Up VUpVm cmg zW 第

26、97頁/共108頁98pVUH引入焓H ：sh221wzgchqsh221WzmgcmHQsh2dd21dWzmgcmHQsh2dd21dwzgchq對于微元過程：第98頁/共108頁99焓 定義式pVUH比焓 pvumHh物理意義：焓是開口系統(tǒng)中流入（或流出）系統(tǒng)工質所攜帶的取決于熱力學狀態(tài)的總能量。對于閉口系統(tǒng)而言，焓是一個復合的狀態(tài)參數(shù)。 第99頁/共108頁1004. 技術功及穩(wěn)流能量方程的其他形式sh2t21WzmgcmWtWHQtwhqtt()()QUpVWQUpVWW tft)(WWWpVWsh221WzmgcmHQ第100頁/共108頁101可逆過程 21tdpVW21tdpv

27、w21dpVHQ21dpvhq222tf111d()dd()WWWp VpVp VpV222111d(dd )p Vp VV p可逆穩(wěn)定流動過程第101頁/共108頁102六、能量方程的應用 sh221wzgchq0002zcq021shhhhw葉輪式動力機 1. 葉輪式機械第102頁/共108頁1030)(12shhhhw葉輪式耗功機械 2、耗功機械（葉輪式壓氣機機，水泵） 第103頁/共108頁1043.熱交換器 sh221WzmgcmHQ000sh2Wzc12HHHQ11221122第104頁/共108頁10500002shWzcq 0h21hh 4.節(jié)流 sh221wzgchq第105頁/共108頁106例1 進入汽輪機新蒸汽的參數(shù)為 ， ， ，