工程熱力學-教案-第一講

｛導入新課｝工程熱力學工程熱力學的作用：主要研究熱能與機械能相互轉換的規(guī)律、方法及提高轉化率的途徑，比擬集中地表現為能量方程。工程熱力學局部的主要內容〔1〕根本概念與根本定律，如工質、熱力系、熱力狀態(tài)、狀態(tài)參數及熱力過程、熱力學第一定律、熱力學第二定律等等，這些根本概念和根本定律是全部工程熱力學的根底?！?〕常用工質的熱力性質。其主要內容是理想氣體、水蒸氣、濕空氣等常用工質的根本熱力性質。工質熱力性質的研究是具體分析計算能量傳遞與轉換過程的前提?！?〕各種熱工設備的熱力過程。其主要內容有理想氣體的熱力過程、氣體和蒸汽在噴管和擴壓管中流動過程及蒸汽動力循環(huán)等熱力過程的分析計算。這些典型熱工設備熱力過程的分析計算，是工程熱力學應用根本定律結合工質特性和過程特性分析計算具體能量傳遞與轉換過程完善性的方法例如。｛授課內容｝工質及氣態(tài)方程第一節(jié)工質熱力系統(tǒng)第二節(jié)工質的熱力狀態(tài)根本狀態(tài)參數第三節(jié)平衡狀態(tài)狀態(tài)方程第四節(jié)理想氣體狀態(tài)方程本章的主要內容1、討論能量轉換過程中所涉及的各種根本概念；2、在以氣體為重要工質的能量轉換過程中，介紹其狀態(tài)方程。本章的學習要求理解工質、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。理解熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數的定義；掌握狀態(tài)參數的特征、分類，根本狀態(tài)參數的物理意義和單位；掌握絕對壓力、表壓力和真空度的關系。掌握平衡狀態(tài)的物理意義及實現條件。了解狀態(tài)方程式及參數坐標圖的物理意義及作用。理解熱力過程、準平衡過程和可逆過程的物理意義與聯系，能正確判定準平衡過程和可逆過程。第一節(jié)工質及狀態(tài)方程本節(jié)重點掌握熱力系統(tǒng)，在學習這一概念之前先認識一個概念：【工質】1.什么是工質?實現熱能與機械能相互轉換或熱能轉移的媒介物質。2.工質特性:可壓縮、易膨脹、易流動3.常用工質:熱機循環(huán)中:水蒸氣、空氣、燃氣。制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)中:氨、氟里昂。舉例從能量轉換方面：汽輪中的水蒸氣首先要知道汽輪機的工作過程，如圖示〔蒸汽動力循環(huán)示意圖〕該工作過程實現了熱能——>機械能的能量轉換，水蒸氣作為該能量轉換過程中的媒介物質，就是工質。從能量轉移方面：制冷機中的制冷劑大家來看單機蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖被制冷壓縮機壓縮后的低溫液態(tài)制冷劑流入蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器管壁吸收周圍介質的熱量而沸騰氣化，使周圍介質降低溫度或保持低溫狀態(tài)。這個過程實現了能量的轉移，而不是轉換，制冷劑作為能量轉移的媒介物質，就是工質?！緹崃ο到y(tǒng)】即“系統(tǒng)〞引入“熱力系統(tǒng)〞這個名詞的原因：做任何研究分析，首先必須明確研究對象，選定了熱力系統(tǒng)就明確了研究對象所包含的范圍和內容，同時也清楚地顯示出它與周圍事物的相互關系，便于針對熱力系統(tǒng)建立定性和定量的關系。概念〔1〕熱力系統(tǒng)〔系統(tǒng)〕：在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，并將之人為地劃分出來,稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。可為真實的物質、設備或假想的熱力學模型，如:泵中的水、汽輪機、卡諾熱機。如:對小球進行受力分析〔2〕邊界：分割系統(tǒng)與外界的分界面?？蓪嶋H存在,亦可假想;可固定不動,亦可移動或變形?！?〕外界：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，成為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的作用總是通過分界面進行的，通常有三種形式：功交換，熱交換，物質交換。分類根據系統(tǒng)與外界的物質或能量交換的特點，分為常見的以下幾種類型?！?〕閉口系統(tǒng)與外界有能量傳遞,無物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質量恒定不變。如課本圖1-1a氣缸內的氣體〔2〕開口系統(tǒng)與外界有能量、物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變?！?〕絕熱系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。事實上，自然界不存在完全隔熱的材料，因此絕熱系統(tǒng)只是當系統(tǒng)與外界傳遞的熱量小到可以忽略不計時的一種簡化模式。例如汽輪機可以當做絕熱系統(tǒng)來分析?！?〕孤立系統(tǒng)與外界既無能量〔功、熱量〕交換又無物質交換的系統(tǒng)。〔5〕特殊熱力系統(tǒng)：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沒有明顯變化的物體。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。在工程熱力學中，最常見的熱力系統(tǒng)是簡單可壓縮系統(tǒng)，特點是系統(tǒng)與外界之間功量的交換只有體積變化功〔膨脹功或壓縮功〕一種形式。第二節(jié)工質的熱力狀態(tài)及根本狀態(tài)參數系統(tǒng)與外界之間能夠進行能量交換〔傳熱或做功〕的根本原因，在于兩者之間的熱力狀態(tài)存在差異。例如：鍋爐中的熱量傳遞是由于燃料燃燒生成的高溫煙氣與汽鍋內汽水之間存在著溫度差。這種溫度上或者壓力上的差異標志著工質物理特性數值的不同。因此我們引入一下概念———【熱力狀態(tài)】一、熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數１．熱力狀態(tài)——工質在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為工質的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。反映了工質大量分子熱運動的平均特性。２．狀態(tài)參數——描述工質熱力狀態(tài)的宏觀的物理量。狀態(tài)參數特征：〔1〕狀態(tài)參數的變化量只與初、終態(tài)有關，與狀態(tài)變化的途徑無關。〔2〕經歷一個循環(huán)，狀態(tài)參數的變化量必為零?！?〕狀態(tài)參數與狀態(tài)一一對應。常見的有：根本狀態(tài)參數——可直接或間接測量溫度〔T〕、壓力〔p〕、比體積〔v〕導出狀態(tài)參數——必須由根本狀態(tài)參數導出熱力學能〔U〕、焓〔H〕、熵〔S〕二、根本狀態(tài)參數１．溫度——用來標志物體冷熱程度的物理量。溫度是熱平衡的判據。溫度的測量:溫度計溫度的數值表示:溫標溫標溫度及符號單位攝氏溫標攝氏溫度t℃熱力學溫標熱力學溫度TKT=t+273.15或T=t+2731K=1〔了解〕攝氏溫標瑞典天文學家攝爾修斯〔Celsius〕于1742年建立。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1熱力學溫標英國物理學家開爾文〔Kelvin)在熱力學第二定律根底上建立，也稱絕對溫標。用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度。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。2.壓力——指單位面積上承受的垂直作用力(即壓強).壓力的實質:大量分子向容器壁面撞擊的平均結果.壓力的符號:p壓力的單位:Pa〔帕〕，1Pa=1N/m1MPa=10kPa=10Pa看課本表1-1壓力單位換算表工程上常用彈簧管式壓力表和U型管壓力表測量氣體的壓力。三種壓力1、絕對壓力p2、表壓力pgppg+pb(pb:當地大氣壓力)3、真空度pvppbpv只有絕對壓力才是工質的狀態(tài)參數，表壓力和真空度的數值都與當地大氣壓有關。〔看課本圖1-4p、pg、pv與pb間的關系〕例1-1某蒸汽鍋爐壓力表讀數為12.5MPa，凝汽器的真空表讀數為95KPa。假設當地大氣壓力為標準大氣壓，試求鍋爐及凝汽器的絕對壓力為多少。解：由題意知，大氣壓力為pb1.01325105Pa。鍋爐中蒸汽的絕對壓力為ppg+pb12.5106+1.0132510512.601325106〔Pa〕12.601325〔MPa〕凝汽器內蒸汽的絕對壓力為ppbpv1.01325105951036.325103〔Pa〕6.325〔KPa〕假設題中沒有給出當地大氣壓，那么對高壓容器取pb0.1MPa，此時鍋爐內的蒸汽絕對壓力為ppg+pb12.5+0.112.6〔MPa〕

計算誤差很小，可以忽略。但對凝汽器內的蒸汽，

其絕對壓力為ppbpv0.1106951035103〔Pa〕5〔KPa〕

由此引起的相對誤差