锅炉热力系统演示要点

准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
准静态过程的工程应用
例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
U形管式压力计示意图
U形管式压力计示意图
pb
pb
p
p
pg
p pb
p pb pg
pv 真空度
p pb
p pb pv
3.温度
１）热力学第零定律 状态参数温度 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。 ２）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。 ３）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温
2.开口系—与外界有物质交换的热力系。
3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。 4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。
物质 热
闭口热力系
功
物质
开口热力系
功 热
功 物质
绝热热力系
物质
孤立热力系
闭口热力系
开口热力系
开口举例热力系（管道）
稳定流动开口系统
开口热力系
续15
去汽轮机
过热器 炉墙
蒸发管 来自水泵 燃料与空气
物质 物质 （水蒸汽）
热力系
（水蒸汽） 轴功
开口热力系（冷凝器）
来自汽轮机的水蒸汽 冷却水
冷却水
去水泵的凝结水
冷凝器的简化热力学分析模型
冷凝器的简化热力学分析模型
(主要考虑蒸汽的凝结)
物质 （水蒸汽）
热力系
物质 (凝结水）
蒸汽放热给冷却水
蒸汽动力装置流程简图
蒸汽动力装置流程简图
蒸汽动力装置的简化热力学分析模型
1
T
T1
1
v1
v
v1
v
1-5
工质的状态变化过程
p
1
2
v
系统状态的连续变化称
2 1
为系统经历了一个热力 过程简称过程。
一、准静态过程(准平衡过程)
过程实施的假设条件： 1、针阀的开度非常小（Δp→0）， 内部无压差； 2、工质内部无温差； 3、工质内部无化学反应； 4、活塞与汽缸壁无摩擦； 5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。
蒸汽动力装置流程简图
550℃ 汽 轮 机
过 热 器
高温高压蒸汽
发电机
W Q
2
给水泵
Q
1
锅 炉
W
冷 却 20℃ 水
p
冷凝器
锅 炉(热源):燃料燃烧产 生热量,将水变成蒸汽 锅炉 (吸热过程) 汽轮机:将蒸汽携带的热能 →动能→转子旋转机械能 汽轮机
(对外作功过程)
冷凝器(冷源):将作功后的 低温低压蒸汽凝结成水
每一等分为1度。 ②热力学温标ＴＫ
基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相
点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。
热力学温标与摄氏温标之间的关系： t = T—273.15
常用温标
绝对K
373.15
摄氏℃
100 水沸点
37.8
华氏F
212
273.16 273.15
发烧 100 0.01水三相点 0 冰熔点 32
1-2 热力系（或称热力系统） 一、热力系的定义
通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任 意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内 的物质的总和称为热力学系统,简称为系统或热力系。
系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称
为边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁 移。
可逆过程的实现
准静态过程
+ 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
无不平衡势差
耗散效应
不平衡势差
不可逆根源 耗散效应
典型的不可逆过程
不等温传热 节流过程 (阀门） 混合过程
自由膨胀
可逆过程与准平衡过程的区别：
1.可逆过程一定是准平衡过程；
2.准平衡过程不一定是可逆过程。
观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。
实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。
三、状态参数 描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。
１.状态参数的数学特性

2
1
dx x2 x1
或
dx 0
如果某物理量具有上述数学特性，它就是状 态参数。 ２.热力学中常用的状态参数 温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。
2
Q 1 dQ
积分与过程有关 。
熵（ Entropy）的定义
熵的简单引入
T qrev ds T
dS
Qrev
广延量 [kJ/K]
比参数 [kJ/kg.K]
ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商
热量与容积变化功
能量传递方式 容积变化功 传热量
开 口 热 力 系
（锅炉示意图）
锅炉的简化热力学分析模型
锅炉的简化热力学分析模型
(主要考虑蒸汽的发生)
热量
（热源）
物质 (锅炉给水)
热力系
物质 (高温蒸汽)
开口热力系 汽
开口热力系
喷管 叶片 汽轮机 来自锅炉
轮机示意图
汽轮机
发电机 调速器
去凝汽器
汽轮机的简化热力学分析模型
汽轮机的简化热力学分析模型
第一章
基本概念
教学目标: 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。
知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数； 平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。 重 点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参 数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力 的计算；可逆过程的判定准则。 难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念， 是本章的难点。
２.压力
热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。 F 2 p N /m 或 Pa 表达式 A
常用的压力单位间的关系
1kPa 103 Pa
1bar 105 Pa
1MPa=106 Pa
上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。 由气压计测量出来的压力称为大气压力 pb。 由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。 表压力pg、大气压力pb和绝对压力p之间的关系如下：
蒸汽动力装置的简化
热力学分析模型
热源供热 （工质吸热量） 向系统输入功 （水泵耗功）
冷却水带走热量
热力系
（工质放热量） 向外输出功 （汽轮机）
热力系统的分类Ⅱ
（二）按照系统内部的情况可划分
1.均匀热力系—系统内部各部分化学成分和物理性质都均 匀一致的系统，它是由单相组成的。 2.非均匀热力系—由两个或两个以上的相态组成的热力系。 3.单元热力系—由一种化学成分组成的热力系。 4.多元热力系—由两种或两种以上物质组成的热力系。
水泵 冷凝器
(对外放热过程)
水 泵:提高水的压力,将水 送入锅炉 (消耗外功) 工 质:水
1-2 简单蒸汽动力循环过程图
问题: 由哪些典型过程组成?
热动力装置工作过程的共同点: 1.从高温热源吸热(吸热过程)
2.将其中一部分转变为功(对外作功过程)
3.将其余部分传给低温热源(对外放热过程) 4.工质提高压力需要耗功(消耗外功)
1
一、准静态过程(准平衡过程)
p
1
2 2 2 1
v
准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平 衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓 的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平 衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过 程称为准静态过程。 准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态 过程才能在坐标图中用连续曲线表示。 实际过程都是不平衡的。
5.可压缩系统—由可压缩流体组成的热力系。
6.简单可压缩系统—与外界只有热量和机械功交换的可压
缩系统。
1-3
工质的热力学状态及其基本状态参数
状态和平衡状态
一、热力学状态 定义:工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏 观物理状况。 二、平衡状态的描述
在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏
-17.8 -273.15
盐水熔点 0
-459.67
0
0
1-4
平衡状态,状态方程,坐标图
问题：如何定量描述工质的状态？
一、平衡状态 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的状态 能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态. 热平衡状态 力平衡状态 化学平衡状态
平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
1
a 2
b
W1a2 W1b2
V1
V2
v
三、过程热量
定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通 Tds
2 1
热量单位:J,kJ
2 1
q12 Tds
0
ds
s1
s2 s
系统可以和外界交换热量

热量是过程量
微小热量 ： 总热量：
dQ
> 0 表示系统从外界吸热； < 0 表示系统向外界放热。
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”
二、可逆过程
可逆过程的描述：
可逆过程的描述
系统经历一个过程后，如令过程
逆行而能使系统与外界同时恢复到初 始状态而不留下任何痕迹，则此过程 称为可逆过程。
注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
1-1
热能在热机中转变为机 械能的过程
气缸
活塞
曲柄连杆机构
内 燃 机 的 工 作 原 理 图
两冲程内燃机工作过程
排气
进气
四冲程内燃机工作过程
进气 排气
内燃机（汽油机）
工作过程：

吸气

压缩

排气
燃气

燃烧、膨胀
工作物质： 能量转换： 燃料 化学能 燃气 热能 机械能
排入大气
蒸汽动力装置流程简图
度的标尺称为温标。
建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温 标的基准点及分度方法。
常用的温标 ①摄氏温标 t ℃
常用的温标
基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准
点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为100℃。 分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性
的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡与均匀
平衡：时间上
均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
二、状态方程 反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，
称为状态方程。 对于简单可压缩系统,状态方程:
v f (T , p) 或
三、状态参数坐标图
f (T , p, v) 0
p
p1
符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统 作功为负.
二、可逆过程的功
W Fdx pAdx pdV
W12 pdV f (V )dV
1 1 2 2
w12 pdv f (v)dv
1 1
2
2
功有何性质?
1.是过程量,不是状态量
p
2.其大小与初、终状态有关, 也与路径有关
３.状态参数的分类
１）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分
① 基本状态参数
能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如 ：温度、压力、比容 ② 导出状态参数 不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如：热力学（内能）、焓、熵。
２）按与系统内包含物质多少有无关系划分 ①强度参数——与系统内包含物质的多少无关。 如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。 ②广延参数——与系统内包含物质的多少有关。
热 源
外界
热力系统
热力系、界面、外界
续4
外界
界面 外界
热 源
热力系统
热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
系
统
研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？
热力系、界面、外界例Ⅲ
界面
外界
系
统
外界
热力系、界面、外例Ⅳ
界面 系 统
二、热力系统的分类
(一)按系统与外界之间的相互联系划分： 1.闭口系—与外界无物质交换的热力系。
界面的特性: 可以是真实的，
也可以是虚拟的；
可以是固定的， 也可以是运动的。
热力系、界面、外界例Ⅰ
界面 外界
外界
热 源
热力系统
研究气缸中的气体。 是什么热力系？
热力系、界面、外界
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
热力系、界面、外界
续4
外界
界面 外界
热 源
热力系统
热力系、界面、外界 续4
界面 外界
实际过程都是不可逆过程！
三、循环过程
循环过程及在坐标图上的表示
工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又 回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。
p
1
p
1'
可逆循环
v
不可逆循环
v
1-6
过程功和热量
定义:力和力的方向上位移的乘积.
一、功的定义
W Fdx
2 1
对于过程1-2:
W12 Fdx
如：总内能、总焓、总熵等。
四、基本状态参数
１.比容、密度和重度
① 比容
单位质量物质所占有的容积，称为比容。
表达式
V v m m V
m3 /kg
② 密度
表达式 ③ 重度 表达式
单位容积的物质所具有的质量，称为密度。
kg/m3
单位容积内所含有物质的重量，称为重度。
G mg V V
N /m3