工程热力学热力学基础知识.ppt

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1、第一章 热力学基础知识,第一篇 工程热力学,2,本章主要内容,工质和热力系状态和基本状态参数平衡状态和热力过程功和热量,3,1-1 工质和热力系,火电厂为什么采用水蒸气作为工质？,一、工质、热机、热源与冷源,1.热机：实现热能转换为机械能的设备。 (如电厂中的汽轮机、内燃机等),2.工质：实现能量转换的媒介物质。,对工质的要求：1）良好的膨胀性； 2）流动性好；3）性质稳定，安全性好； 4）热容量大； 5）对环境友善； 6）价廉，易大量获取。,4,3.高温热源：不断向工质提供热能的物体（热源）。如电厂锅炉中的高温烟气。,4.低温热源：不断接收工质排放剩余热能的物体（冷源）。 如凝汽器中的冷却水

2、。,5,热能动力装置的工作过程： 工质从高温热源吸取热能，将其中的一部分转化为机械能而作功，并把余下的另一部分传给低温热源的过程。,6,二、热力系,1.热力系定义： 热力系：人为划分的热力学研究对象。 （简称系统） 外界：系统外与之相关的一切其他物质。 边界：系统与外界的分界面。,7,按系统与外界的物质交换情况分：1）闭口系：与外界无质量交换（控制质量）2）开口系：与外界有质量交换（控制容积）,2.热力系分类：,根据系统与外界之间的质量和能量交换情况分,按系统与外界的能量交换情况分：1）绝热系：与外界无热量交换；2）孤立系：与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。,8,1-2 状

3、态及基本状态参数,基本状态参数可以直接测量得到的状态参数 （如p、v、T）； 导出状态参数由基本状态参数计算得到的状 态参数（如u、h、s等）。,一、热力状态及状态参数,1.热力状态：热力系统（工质）在某一瞬间所呈现的宏观物理特性（简称状态）。,2.状态参数：描述系统或工质状态特征的宏观物理量。（如：温度T、压力p、比体积v、热力学能u、焓h、熵s等。）,9,状态参数特点,状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数；反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态；其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化量可表示为（式中x表示任一状态参数）：,工质经历一个循

4、环，则其所有状态参数的变化量均为零，其数学表达式如下：,10,1.压力,二、基本状态参数,物理学上：单位面积上受到的垂直作用力，也称压强，p=F/A；,热力学中：大量气体分子作不规则热运动时撞击容器内壁时，在单位面积上所产生的垂直方向的平均作用力。,11,绝对压力（p ）：气体的真实压力。大气压力（pamb或pb）：大气环境对物体的作用力。相对压力：指相对于环境大气压力的差值，即测压仪表的读数，分表压力和真空度。,压力的测量,常用测压仪表有：,弹簧管式压力表 U型管压力计（测较小压力）,12,表压力与真空度,表压力：当气体的压力高于大气压力时（称为正压），压力表的读数（pg）。计算式： p=p

5、g+pb真空度：当气体的压力低于大气压力时（称为负压），压力表的读数（pv）。计算式：p=pb-pv,p、pg、pv都可作为工质的状态参数吗？,只有p才可作为工质的状态参数！,13,压力的单位,（1）国际单位制：1帕=1Pa=1N/m2 1千帕=1kPa=103Pa 1兆帕=1MPa=106Pa（2）工程中可用液柱高和工程大气压表示压力大小。 1mmHg133.3Pa 1mmH2o9.81Pa 1工程大气压=1at=1kgf/cm20.1MPa （3）标准大气压：指纬度为45o海平面上的常年平均气压（物理大气压） 1标准大气压=1atm=760mmHg=101325pa,14,2.温度,（1）

6、定义：标志物体冷热程度的物理量。,（2）物理意义：反映物质内部分子作不规则热运动的剧烈程度，也即分子平均动能的大小。,15,（3）温标：温度的数值标尺。温标的建立必须确定其基准点和分度方法，常用的有两种温标： 摄氏温标（t，） ： 纯水在1atm下， 热力学温标（绝对温标/开尔文温标）（T， K）： 以水的三相点为基准点，并规定为273.16 K。,冰点0 ,沸点100,划分100等份,相互关系：基准点不同，但分度一样，即t=T T t +273.15 K,16,3.比体积（比容）,比体积v：单位质量工质所占有的体积。 v=V/m (单位： m3/kg)密度：单位体积内工质的质量。 =m/V

7、(单位： kg/m3),相互关系：v=1,物理意义：二者均反映物质内部分子聚集的疏密程度，即分子间平均距离的大小。,17,例题分析,例1-1 如图所示,用水银压力计测量凝汽器的压力，已知测压计读数为706mmHg，当地大气压pb98.07kPa，求凝汽器内蒸汽的绝对压力。,解：凝汽器内真空为： pv=706133.3=94110(Pa) 则绝对压力为：ppb-pv98070941103960(Pa),说明：在压力计算中，各量单位应换算统一后才能相加减！,18,例1-2 一台型号HGl02118.2540540的锅炉，其中18.2指的是蒸汽的表压力为18.2MPa，当地大气压为750mmHg，试

8、求蒸汽的绝对压力为多少?,解：根据p=pb+pg，则蒸汽的绝对压力为 p=750133.3十18.2l06=18.3106(Pa)18.3MPa,说明：在火力发电厂的设备型号中，通常有表示压力的参数；在不同设备型号中，其含义不尽相同。,19,1-3 平衡状态和热力过程,1、平衡状态（1）定义：系统在不受外界影响的条件下，系统内工质的宏观热力性质不随时间而变化的状态。,一、平衡状态、状态方程和参数坐标图,（2）实现平衡的条件热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移。,（3）研究平衡状态的意义 只有平衡状态是可以描述的（平衡状态下，工质各点相同的

9、状态参数均匀一致，具有确定的数值）,20,2、状态方程式,状态参数之间的函数关系式称为状态方程。 对于简单可压缩系统（指由气态工质组成，与外界只有热和功交换的热力系），只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态（由状态定理）。例如：在工质的基本状态参数 p、v、T中，只要其中任意两个确定，另一个也随之确定，如p=f(v,T)，表示成隐函数形式为：f(p,v,T)=0。,21,3、参数坐标图,热力工程中常用的参数坐标图有：p-v图、T-s图及h-s图等。,如图所示，参数坐标图中的点1、2分别表示平衡态1和平衡态2。,22,二、热力过程,1、热力过程定义：热力学状态连续变化的历程。（简称过程）,

10、2、热力过程分类,按过程中系统内部状态特点分： 非平衡过程系统经历一系列不平衡状态的过程。 准平衡过程系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。（准平衡过程在参数坐标图上可用连续实线表示）,23,实际过程按准平衡过程处理的条件： 平衡恢复的速度平衡被破坏的速度,准平衡过程进行的条件：推动过程的作用无限小（即T0，p0），故准平衡过程又叫准静态过程。,准平衡过程是一种理想过程，实际过程都是非平衡过程。只有准平衡过程才能用热力学方法进行分析研究。,24,按系统与外界作用产生的效果分： 可逆过程与不可逆过程：一个过程进行完以后，若能使其沿原路返回至初态，并使系统和外界都不发生任何改变，则这一过程称为可逆

11、过程，否则称为不可逆过程。,25,可逆过程的实现条件： 1）过程必须是准平衡过程； 2）作机械运动时不存在摩擦； 3）传热无温差。,可逆过程准平衡过程无能量耗散,26,分析研究可逆过程的意义,可逆过程是一个理想过程，自然界中一切实际过程（如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等）均为不可逆过程。可逆过程是实际过程完善度的标准。可逆过程的概念为热力学分析提供了很大的方便，利用这一概念可以将复杂的实际过程近似简化为一个理想的可逆过程加以研究，然后再进行适当的修正，所以研究可逆过程在理论上具有十分重要的意义。,27,1-4 功和热量,热力系与外界进行能量交换有两种方式：作功与物体的宏观位移有关

12、（传递机械能的多少用功来度量）传热不需要物体的宏观移动（传递热能的多少用热量来度量）,28,1、功的定义 物理学中功的定义：功=力位移，即WFx,热力学中对功的定义：由于系统体积变化与外界间发生作用而传递的功称为体积变化功（分膨胀功或压缩功）,一、气体的功,功的正负规定：热力学中规定，膨胀功为正，压缩功为负。,29,2、功的符号和单位功的符号：用W表示功的单位：1）国际单位中，J（焦耳）或kJ（千焦） 1J=1N.m 2）电力工程中常用kWh作为功的单位； 1kWh=3600kJ,比功：1kg气体与外界交换的功称为比功，用w表示，单位用J/kg或kJ/kg。(w=W/m),装机容量为300MW

13、的汽轮发电机组连续工作一天的发电量是多少kWh？,7.2106kWh,30,3、可逆过程的体积变化功计算与p-v图,31,=p-v图中的过程曲线在v坐标上的投影面积,功与p-v图,结论：p-v图又称为示功图；功是过程量。,32,二、热量,1.热量的定义：工程热力学中把依靠温差而通过边界传递的能量称为热量。热量和热能不同，热量不是状态参数，它不仅与过程初、终态有关，而且与过程如何进行密切相关，故热量也是过程量；而热能则是物质热运动形态的反映，仅取决于状态，是状态参数。热量的正负规定：热力学中规定，工质从外界吸热，热量为正；工质向外界放热，热量为负。,33,2.热量的符号与单位热量：用Q表示，国际

14、单位制中，热量的单位是焦（耳），用J表示。工程上常用千焦（kJ）表示， 1kJ=1000J比热量：1kg气体与外界交换的热量，用q表示，单位为J/kg。（q=Q/m）,34,3. 热量的计算,既然可逆过程中体积的变化是作功的标志，那么在可逆传热过程中也应该存在某一状态参数可用来作为热量传递的标志。我们就定义这个新的状态参数为“熵”,以符号S表示，而且这个参数具有下列性质：熵的定义式：微元可逆过程中，dS=Q/T，单位：kJ/k或J/k比熵：s=S/m, 则ds=q/T，单位：kJ/（kg.k）或J/（kg.k）,35,热量与T-s图,由熵的定义式：ds=q/T 可知， 所以在可逆过程中熵的变化

15、可表示热流方向，即 1）熵增加：表示系统吸收热量； 2）熵减小：表示系统放出热量； 3）熵不变：表示系统与外界没有热量的传递。,结论：过程中系统与外界交换的热量可用T-s图上过程曲线在s坐标轴上的投影面积来表示，因此T-s图又称为示热图。,36,功与热量的比较,功 热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度T,标志 dV,dv dS,ds,公式,条件 可逆过程 可逆过程,37,课堂作业,教材P31.习题1-2、1-3,38,本章小结,热机、工质、热源、冷源、热力系状态及平衡状态、三个基本状态参数（p、v、T)及其性质热力过程、准平衡过程和可逆过程功与p-v图关系、热量与T-s图关系比较状态量与过程量的性质,39,热力学中两种常见热力系,40,41,42,43,可逆过程,44,