工程热力学.ppt课件

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1.1 工质及热力系
工 质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质
热源（高温热源） ：工质从中吸取热能的物系
冷源（低温热源） ：接受工质放出热能的物系
为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围 物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物 质的传递。
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热力系统（热力系）：人为分割出来作为热 力学分析对象的有限物质系统。 外 界：热力系统以外的部分。 边 界：系统与外界之间的分界面。
四. 平衡状态
如果在不受外界影响的条件下，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。
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实现平衡的充要条件： 系统内部及系统与外界之间的一切不平衡
势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实 现热力平衡状态的充要条件。
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热力平衡状态满足：
热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的 传递。
由于压力计的测压元件处于某种环境压力 的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真 实压力 p （或称绝对压力）与环境压力 p b 之差，叫做表压力 p e斯卡(简称帕) 符
号： p a ，
1pa 1N/m2
工程单位：
标准大气压（atm , 也称物理大气压） 巴 (bar) 工程大气压（at） 毫米汞柱（mmHg) 毫米水柱（mmH2O)
压
气 燃机
燃 气 轮
料
机
空
气
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压缩制冷装置系统简图
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地源热泵
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本课程的主要内容
基本概念 热力学第一定律 理想气体的性质 理想气体的热力过程 热力学第二定律 水蒸汽 湿空气 制冷循环
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第一章 热力学基本概念 1.1 工质及热力系 1.2 热力系的宏观描述 1.3 基本状态参数 1.4 热力过程及热力循环
传热： ✓ 借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。 ✓ 传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
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二、容积功
气缸
热 源
左止点
p
1
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
飞轮 续41
右止点
2
2
w 1 pdv v .
p 1
2
2
w 1 pdv
v
*强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
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正向循环：
把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫 动力循环，它使外界得到功。
正向循环的经济性－热效率：
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热源
Q1
热机
Q2
WQ1 Q2
冷源
t
w net q1
逆向循环：
把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆 向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外 界的功。 制冷循环的经济性－制冷系数： q 2
力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位 移。
自然界的物质实际上都处于非平衡状态， 平衡只是一种极限的理想状态。
工程热力学通常只研究平衡状态。
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1-3 基本状态参数
一. 温标
定义：温标是指温度的数值表示法 温标三要素：
测温物质及其测温属性
基准点
分度方法
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经验温标与绝对温标：
任选一种物质的某一测温属性，采用以 上温标的规定所得到的温标称为经验温标， 经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力 学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质 的性质的温标,即热力学绝对温标。
Ek
1 2
mc2
Ep mgz
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系统的总储存能（简称总能）系统的储存能
热力学能 U
宏观动能
Ek
宏观位能
EP
系统的储存能 E
即 EUEkEP
1kg工质的总能为比总能：
e u 1 c. 2 gz 2
二. 闭口系统的热力学第一定律表达式
能量平衡关系式： 输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能
转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的 系统
假设过程是可逆的。
问题：过程可逆的条件是什么？
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气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
.
气缸
热 源
左止点
活塞
飞轮 续41
p
1
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
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二、 过程量-功和热量
只要存在不平衡势差的推动作用，系统和外 界就会发生能量的交换-作功或传热
功的力学定义：功是力和力方向上位移的乘积。
W Fdx
2
W 1 2
Fdx
1
功的热力学定义：
在力差推动下，热力系统通过边界而传递的能 量，且其全部效果可表现为举起重物。
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观察下面的过程,看热能是如何
热能的利用
１.热 利 用—将热能直接用于加热物体，以满足 烘干、采暖、熔炼等需要。
２.动力利用—通过各种热能动力装置将热能转换 成机械能或者转换成电能加以利用， 为人类的日常生活、工农业生产及 交通运输提供动力。
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能量的转换和传递过程
一 次 能 源
风 水 化核地太
力学
热阳
能 能 能能能能
燃 烧
裂变
闭口系：系统与外界没有物质交 换，传递能量只有热量和功量两 种形式。
在热力过程中（如图）系统 从外界热源取得热量Q；对外界 做膨胀功W。
量的变化
QWE2E1
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2.3 开口系统的热力学第一定律表达式 （稳定流动能量方程式）
实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中 循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过 程后才能实现能量转。因此，分析这类热力设备时，常采用 开口系即控制容积的分析方法。
热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时 能的总量是不变的。
根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须 花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实 现的。
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热力学第一定律的能量方程式：
就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何 系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：
进入系统 的能量
－
离开系统 的能量
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热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度） 开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论
上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为 标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。
符号为T，单位为K(称“开尔文”)
规定水的三相点为基准点，并规定此点的温 度为273.16K
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二. 压力
定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力 （即压强) 压力计：测量工质压力的仪器。常见的压力计有 压力表和U型管。
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热量的定义
热力系统与外界之间仅仅由于温度差则通过
边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）
热量的正负 热力学中约定：系统吸热为正，放热为负 热量的单位
国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）
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可逆过程中热量的计算：
定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而
通过边界传递的能量.
T
计算公式:
2
1
q Tds
工质流动而作的功称为推动功，进出系统的推动功之差 称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。
如图所示，当质量为m的工质在外力的推 动下克服压力p移动距离h，进入截面积为 A的气缸时，则外界所作的推动功为
孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换
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1-2 热力系的宏观描述
一. 热力学状态：
工质在某一瞬间呈现出来的宏观物理状 况，简称状态。
二. 状态参数：
描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、 压力等。
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三. 状态参数的特性：
状态参数都是宏观的物理量。
状态参数是热力系统的单值函数，其值只取 决于初终态，与过程无关。
2
q12 1 Tds
热量单位:J,kJ
ds
s
0
1
s2 s
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五. 热力循环
热力循环定义 工质由某一初态出，经历一系列热力状态变化
后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环， 简称循环。
显然循环的目的是为了实现预期连续的能量转 换，而不可能是为了获得工质状态的变化。
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循环的经济性 经 济 性 指 标 ＝ 得 到 的 收 获 花 费 的 代 价
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一. 稳定流动与流动功
工程上实施的能量转换过程一般都是在工质不 断流过热工设备时进行的。常用的热工设备除了起 动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影 响不变的条件下稳定运行的。这种流动状况称为稳 定流动，即开口系统内各点流体的热力状态和流动 情况都不随时间变化。
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推动功 工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动
边界可以是实在的，也可以是假想的； 可以是固定的，也可以是移动的。
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系统与边界：
系统
系统
以空间为系统，进、 出口边界均为假想边 界，系统与外界有物 质交换
以气缸内气体为系统, 活塞表面上的边界是移 动边界，系统与外界没 有物质交换
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热力系统的分类：
根据系统与外界物质交换、热量交换的情况 闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒 定不变，也称控制质量 开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在 一定容积范围内，也称控制容积 绝热系统：系统与外界无热量交换
功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）
1W1J/s
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有关功的说明
功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和 过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是 过程量。
微元过程作出过程量用表示，如微功量用w （状态参数为微增量，用d表示，如dp 、 dv 、 dT）
膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界 交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与 气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。
聚 变
传 热
传热
燃 料
风 车
电
池
水 车
水 力 机
械
热
热 机温
差
二
机械能
发
次 能 源
发 电机
电
电
动机
能
光
电
磁
流 体
热用
反 应
发户
电
电
能
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热能转换装置的工作过程
热能
热机
( 转换装置 )
机械能
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蒸汽机示意图
锅炉
汽缸 活塞
冷凝器 曲柄连杆
曲轴箱 泵
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燃 气 轮 机 装 置 系统 简 图
废
燃烧室
气
燃料泵
＝
系统中储存 能量的增加
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2.2 闭口系的热力学第一定律表达式
一. 热力学能
热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统 内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有 关，是下列各种能量的总和: 分子热运动形成的内动能:它是温度的函数。 分子间相互作用形成的内位能:它是比体积和温度
的函数。
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热力学能：
2. dv 0有 w0 w称为膨胀功 dv 0 有 w0 w 称为压缩功
dv 0 有 w0
.
可
逆
ｐ
过 程
│
中
ｖ容
图积
上功
的在
表
示
功的正负：
热力学中约定：系统对外界作功取为正， 外界对系统作功取为负。
功的单位: 焦耳（J） 1J1Nm
比功与功率
比功：单位质量物质所作的功 wW m ，单位：J/kg
符号：U
法定计量单位：焦耳（J）
比热力学能：（1kg物质的热力学能）
符号：u
单位：J/kg
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数。
2
U 1 dUU2 U1
dU 0
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外部储存能
需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表 示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动 能和重力位能：
宏观动能： 重力位能：
w net
热泵循环的经济性－热泵系数： q1
w n et
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热源
Q1
热机
Q2
冷源
WQ1Q2
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第二章 热力学第一定律
2.1 循环过程、热力学第一定律 2.2 闭口系的热力学第一定律表达式 2.3 开口系统的热力学第一定律表达式
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2.1 循环过程、热力学第一定律
一. 热力学第一定律的实质
能量转换与守恒定律定律指出： 一切物质都具有能量。能量既不可能创造，
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三. 比体积和密度
比体积
单位质量工质所占的体积 v V
m
单位：m 3 / k g
密度
单位体积所含有工质的质量 m 单位：kg/m3 V
v与ρ互成倒数，即：vρ＝1
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1.4 热力过程及热力循环
一. 热力过程：
热力系统由一个状态变化到另一个状态的全部过 程。
就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态 进行描述。
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
右止点
2
v
.
气缸
热 源
左止点
p
1
飞轮 续41
右止点
问题：左图中阴影 部分的面积代表什 么？
2
v
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作功： ✓ 借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。 ✓ 作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式 转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒 定不变。
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热力学第一定律实质是：能量守恒与转换定律在 热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数 量上的相互关系。
在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能 之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述 为：
工程热力学
.
热力学
↙
↘
热
动力学
即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机 的研究。
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热能及其利用
能 源—指提供各种能量的物质源。 一次能源—自然界以自然形态存在的、可资利
用的能源。 如：风能、水利能、太阳能、
地热能、核能、化学能等。 二次能源—由一次能源加工转换后的能源。
如：热能、机械能、电能。
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