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文檔簡介
工程熱力學廣東工業(yè)大學機電工程學院汽車工程系1緒論工程熱力學是技術(shù)基礎(chǔ)課工程熱力學是有關(guān)能量的科學23氫、酒精等二次能源
燃料電池
電能
機械能
輻射能熱能風能、水能、海洋能
機械
機械能直接利用發(fā)電機
煤、石油、天然氣
熱能熱機直接利用核能核反應(yīng)
太陽能光合作用生物質(zhì)能燃燒食物利用集熱器光電池90%燃燒456目前通過熱能形式利用的能源在我國占總能源利用的90%以上,世界其它各國平均也超過85%。由此可見,在能量轉(zhuǎn)換與利用過程中,熱能不僅是最常見的形式,而且具有特殊重要的作用。主要研究內(nèi)容:熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟性的途徑和技術(shù)措施。78高溫熱源吸熱Q1熱機作功W機械能放熱Q2低溫熱源鍋爐汽輪機冷凝器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機9第一章基本概念1-1
熱機、工質(zhì)、熱源與熱力系統(tǒng)熱機:
能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機等。
1011工質(zhì):
實現(xiàn)熱能和機械能之間轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。
熱源:
本身熱容量很大,且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數(shù)沒有明顯變化的物體。
例如空氣、燃氣、水蒸氣等。
例如鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。
提供熱量的熱源稱為高溫熱源;吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。12熱力系統(tǒng):
在工程熱力學中,通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對象,稱之為熱力系統(tǒng),簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的物體稱為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。
邊界閉口系統(tǒng)(1)閉口系統(tǒng)
與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定,也稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。
外界13(2)開口系統(tǒng)
與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變,也稱為控制容積系統(tǒng)。
進口出口(3)絕熱系統(tǒng)
與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。(4)孤立系統(tǒng)
與外界既無能量(功、熱量)交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。141-2
平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1.平衡狀態(tài)(1)狀態(tài)(熱力狀態(tài))
系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài),簡稱狀態(tài)。
(2)平衡狀態(tài)
系統(tǒng)內(nèi)部各處的宏觀性質(zhì)均勻一致、不隨時間而變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。
系統(tǒng)內(nèi)部不存在熱量傳遞,即各處的溫度均勻一致的狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。15(4)非平衡狀態(tài)
系統(tǒng)內(nèi)部存在不平衡勢(溫差或壓差),因此存在能量或質(zhì)量傳遞的宏觀物理狀況。非平衡狀態(tài)不能用狀態(tài)參數(shù)來描寫。
狀態(tài)參數(shù)的特點:(3)狀態(tài)參數(shù)
用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù),如溫度、壓力、比體積等。
狀態(tài)確定,狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也確定,反之亦然;點函數(shù),只取決于初始與最終狀態(tài)。162.基本狀態(tài)參數(shù)
工程熱力學中常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等,其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積,稱為基本狀態(tài)參數(shù)。
(1)壓力單位面積上所受到的垂直作用力(即壓強)單位:Pa
(帕),1Pa=1N/m2
,
1MPa=103
kPa=106
Pa
17常用非SI壓力單位:
1bar(巴)=105
Pa
1atm(標準大氣壓)
=1.013105
Pa
1at
(工程大氣壓)
=0.981105
Pa
1mmH2O(毫米水柱)
=9.81Pa1mmHg
(毫米汞柱)
=133.3Pa
18壓力測量:絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv
只有絕對壓力p
才是狀態(tài)參數(shù)。19(2)溫度
溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運動的強弱。
當兩個溫度不同的物體相互接觸時,它們之間將發(fā)生熱量傳遞,如果沒有其它物體影響,這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致,最終將達到熱平衡(即溫度相等)。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。1)溫度的物理意義溫度相等熱平衡202)熱力學第零定律:
如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡,則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。ABC3)溫標:溫度的數(shù)值表示法。
建立溫標的三個要素:
a.選擇溫度的固定點,規(guī)定其數(shù)值;b.確定溫度標尺的分度方法和單位;c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)。21攝氏溫標:
在標準大氣壓下,純水的冰點溫度為0℃
,純水的沸點溫度為100℃,純水的三相點(固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點)溫度為0.01℃
。
瑞典天文學家攝爾修斯(Celsius)于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度,用符號t表示,單位為℃。
選擇水銀的體積作為溫度測量的物性,認為其隨溫度線性變化,并將0~100℃溫度下的體積差均分成100份,每份對應(yīng)1℃。
22
用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度,用符號T
表示,單位為K(開)。熱力學溫標(絕對溫標):
英國物理學家開爾文(Kelvin)在熱力學第二定律基礎(chǔ)上建立,也稱開爾文溫標。
熱力學溫標取水的三相點為基準點,并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。
熱力學溫標與攝氏溫標的關(guān)系:溫差:1K=1℃t=T
–273.15K23
國際單位制(SI)采用熱力學溫度T作為基本狀態(tài)參數(shù)。4)
溫度的測量a.
接觸式水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.
非接觸式光學輻射高溫計激光全息干涉儀CARS(相干反斯托克斯喇曼光譜)法24(3)比體積定義:單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積,用符號v表示,單位為m3/kg
。密度:單位體積工質(zhì)的質(zhì)量,用符號表示,單位為kg/m3
。
比體積和密度二者相關(guān),通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。251-3
狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖(1)狀態(tài)公理
對于和外界只有熱量和體積變化功(膨脹功或壓縮功)的簡單可壓縮系統(tǒng),只需兩個獨立的參數(shù)(如p、v,p、T
或v、T)便可確定它的平衡狀態(tài)。
(2)狀態(tài)方程式
表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。如:26(3)狀態(tài)參數(shù)坐標圖
在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的平面坐標圖上,每一點都代表一個平衡狀態(tài)。
以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的坐標圖。271-4
準平衡過程和可逆過程
(1)熱力過程
系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的變化過程。
28(2)準平衡過程(準靜態(tài)過程)
所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。
在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上,準平衡過程可以近似地用連續(xù)的實線表示。
在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢(如壓力差、溫度差等)較小、過程進行較慢、弛豫時間非常短的情況下,可以將實際過程近似地看作準平衡過程。pv1229(3)可逆過程
如果系統(tǒng)完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復(fù)到原來的狀態(tài),并且不給外界留下任何變化,這樣的過程為可逆過程。
實際過程都是不可逆過程,如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。
可逆過程是一個理想過程??赡孢^程的條件:準平衡過程+無耗散效應(yīng)。301-5
功量與熱量
1.
功量與示功圖
(1)
膨脹功
工質(zhì)在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。
符號:W
單位:J
或kJ
對于微元可逆過程,對于可逆過程1~2:31
單位質(zhì)量工質(zhì)所作的膨脹功用符號w
表示,單位為J/kg
或kJ/kg。(2)
示功圖(p-v圖)
功是過程量而不是狀態(tài)量。膨脹:dv>0,w>0壓縮:dv<
0,w<0
w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示。322.
熱量與示熱圖
(1)熱量
系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量,符號為Q
,單位為J
或kJ。
單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q
表示,單位為J/kg
或kJ/kg。
熱量正負的規(guī)定:系統(tǒng)吸熱:q>0;系統(tǒng)放熱:q<0
。
熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量,都是過程量而不是狀態(tài)量
33
在可逆過程中,系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。
功量:熱量:
s
稱為比熵。比熵同比體積v
一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。
比熵的定義式:
(可逆過程)比熵的單位為J/(kg·K)
或
kJ/(kg·K)
。
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