朱明善清华大学工程热力学课件全集ppt

四、基本状态参数 （一）压力 1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即 P Fn 该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。 A 微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的
总效果。 2、单位： 1Pa=1N/m2 1kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa 1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa 标准大气压1atm=760mmHg=1.01325 ×105 Pa 工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665×104 Pa
dx 很小，近似认为 p 不变
可视为准静态过程
Af
mkg工质发生容积变 化对外界作的功
p dx
W = pA dx =pdV p外 1kg工质
w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV
2
W pdV
1
1kg工质：w =pdv
2
w 1 pdv
注意：
p
p外 上式仅适用于
1
2
准静态过程
p
p外 系统不能同时恢
复原态。
1
2
摩擦损失的影响
若f＝0
系统对外作功W，外界得到的功W ’＝W 若外界将得到的功W ’再返还给系统 则外界、活塞、系统同时恢复原态。
p
p外
1
2
二、可逆过程
系统经历某一过程后，如果能使系 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。
热机
直接利用
二次能源
电
能
能源转换利用的关系
风力发电
水力发电
火力发电
江苏田湾核电站
0-2 热能转换装置的工作过程
一、蒸汽动力装置的工作原理
火力发电装置基本特点
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
1、热源，冷源 2、工质（水，蒸
汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、
膨胀做功、放热)
热力学温标T——不依赖于测温物质的性质。 选 用热力学温度，以水的三相点为基准点，并规定 它的温度为273.16K，即每单位开尔文等于水三 相点的1/273.16。
常用温标之间的关系
绝对K 摄氏℃
华氏F
373.15 100 水沸点
212
朗肯R
671.67
273.16 273.15
37.8
发烧 100
p
1.
p 1
示功图(p-V图)
W
mkg工质：
W =pdV
.
2
2
V
W 1 pdV
1kg工质：
p外 2
w =pdv
2
w 1 pdv
p 准静态容积变化功的说明
1.
1）单位为
W
[kJ]
或
w
[kJ/kg]
.
2） p-V 图上用面积表示
2 3）功的大小与路径有关，
V
过程量
4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正）
朱明善
教材与参考书
教 材：《工程热力学》朱明善等编
参考书：《工程热力学》（第二版） 庞麓鸣等编
《工程热力学》（第四版 ） 沈维道编 2007年
《工程热力学》严家騄编 2007年
绪论
工程热力学是重要的专业基础课
工程热力学
是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学
0-1 热能及其利用
如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
温度测量的 理论基础
B 温度计
温度的热力学定义
处于同一热平衡状态的各个热力系， 必定有某一宏观特征彼此相同，用于描 述此宏观特征的物理量 温度。
温度是确定一个系统是否与其它系 统处于热平衡的物理量
2、温标：指温度的标度或温度的定量表示法。 热力学温标（单位：开尔文，符号K）， 摄氏温标℃， 华氏温标℉ 朗肯温标 R
(设已知状态参数为p,t) 以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况 下它通常指p,v ,T组成的方程。
二、 状态参数坐标图
两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标 图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。
注:对非平衡态由于其各部分状态参数不尽相同,故无法绘 在状态参数坐标图上。
压力p测量
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
绝对压力与相对压力
当 p > pb
表压力 pg
ppg pb
当 p < pb
真空度 pv
ppbpv
pg
p
pv
pb
p
（二）比容 单位质量的物质所占的体积。
V
m
m3 /kg
1
kg/m3
（三）温度 1、定义：温度是物系间达到热平衡的判据
习惯上：物体冷热程度的度量。 热力学第零定律:
内燃机装置
空气、油
废气
吸气
压缩 点火
膨胀
排气
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、 膨胀做功、放热)
四、蒸汽压缩制冷装置
压气机 — 吸入来自蒸发器 的低压蒸汽，将其压缩 ( 耗 功 ) 产生高温高压的蒸汽。
冷凝器 — 使气体冷凝，得 到常温高压的液体。
第一章 基本概念
1-1 热力系统
主 要 内 容
1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量
1-7 热力循环
1-1 热力系统
一、系统、外界与边界
热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象 外界：系统以外的所有物质
边界(界面)：系统与外界的分界面
1-5 准静态过程和可逆过程
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
无法简单描述
热力学引入准静态（准平衡）过程
一、基本概念
1、过程 —热力系由一个状态变化 到另一个状态所经历的全部状态的 集合。
2、非准静态过程 —系统经历一系 列不平衡状态的过程。
3、准静态过程 —系统经历一系列 无限接近平衡状态过程。
容积变化功
压缩功 膨胀功
1-2 状态 平衡状态
一、状态与状态参数 状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。
二、平衡状态与非平衡状态 平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。 非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。
三、平衡状态的判据 1、力平衡 2、热平衡 3、相平衡 4、化学平衡
主 0-2 能转换装置的工
要
作过程
内 0-3 工程热力学的研究
容
对象及其主要内容
0-4 热力学的研究方法
0-1 热能及其利用
风 能
燃
水 力 能
化 学 能
核 能
地 热 能
太
一次能源
阳 (天然存在)
能
料 电 池
风 车
水水
轮 机
车
燃 烧
聚裂 变变
热
供 暖
光转 热换
光 电 转
能 90%
换
机械能 发电 电动 机机
dV<0，压缩 对内作功（负）
5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）
6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数
7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别
摩擦损失的影响
若有f 存在，就存在损失 系统对外作功W，外界得到的功W ’<W 若外界将得到的功W ’再返还给系统，系 统得到的功W’’<W’
则外界、活塞、
0-3 工程热力学的研究内容
1、能量转换的基本定律
2、工质的基本性质与热力过程
3、热功转换设备、工作原理 4、化学热力学基础
0-4 工程热力学研究方法
1、宏观方法：连续体，用宏观物理量 描述其状态，其基本规律是无数经验的 总结。
特点：可靠，普遍，不能任意推广
√ 经典 （宏观）热力学
工程热力学研究方法
节流阀 — 使液体降压，产 生低压低温的液体。
蒸发器 — 工质吸收冷藏库 内的热量，汽化为低压气 体，使冷 库降温。
制冷空调装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、循环
(加压、放热、 膨胀、吸热)
热力装置共同基本特点
1、热源，冷源 2、工质 3、容积变化功 4、循环
燃气装置基本特点
燃 料
燃烧室
压
燃
气
气
机
轮
空
机
气
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
废 气
三、内燃机的工作原理
进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活 塞下行，将空气吸入气 缸。
压缩过程 ：进、排气门关，活塞上行 压缩空气，使其温度和 压力得以升高。
边界特性
固定、活动 真实、虚构
二、热力系的分类
以系统与外界关系划分：
•封闭热力系（闭口系） • 只与外界有能量交换而无物质交换
•开口热力系(开口系) • 与外界既有能量交换又有物质交换
•孤立系 • 与外界既无能量交换又无物质交换
归纳：
是否传质 是否传热 是否传功 是否传热、功、质
有 开口系 非绝热系 非绝功系 非孤立系
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）
>>
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。
准静态过程的容积变化功
以汽缸中mkg工质为系统
初始：pA = p外A +f
如果 p外微小
00.01水冰三熔相点点
32
-17.8 盐水熔点 0
559.67 491.67 459.67
0 -273.15
-459.67
0
温标的换算
t / C T / K 273 .15 t / C 5 (t / F 32 )
9 T / R t / F 459 .67 T /R 9 T / K
2、微观方法：从微观粒子的运动及相 互作用角度研究热现象及规律
特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学
工程热力学的学习方法
抓住主线 理论联系实际 重视基本技能训练
– 分析计算能力、实验技能 – 认真完成作业
绪论 完
第一章 基本概念
1-1 热力系统 1-2 状态 平衡状态 1-3 热力状态参数 1-4 状态方程、状态参数坐标图 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
1
m
Q W
4
1 开口系
1+2 闭口系
1+2+3 绝热闭口系
2
1+2+3+4 孤立系
3 非孤立系＋相关外界
＝孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
工质种类
单元系 多元系
单相 相态
多相
简单可压缩系统
最重要的系统 简单可压缩系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功
给水泵
二、燃气轮机装置的工作原理
压气机 — 从大气环境吸
气，并将其压缩，使得其压
力和温度得以提高。
燃烧室 — 空气和燃料在
其中混合并燃烧，得到高温
高压的燃气。
涡轮机 — 高温高压的燃
燃烧室
气推动涡轮机叶轮旋转对外
输出机械功。
工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进
而实现将热能转换为机械能的任务。
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
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >> （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
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 耗散效应
不平衡势差 不可逆根源
耗散效应
通过摩擦使功
变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
常见的不可逆过程
不等温传热 T1
节流过程 (阀门）
Q
T1>T2
p1
p2
T2
p1>p2
常见的不可逆过程
自由膨胀
混合过程
•• • • ••
1-3 热力状态参数
一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。
二、特点
1、与状态一一对应，完全取决于状态。
2、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态， 与变化路径无关。
三、分类
1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态 参数。如压力P、温度T、密度ρ、比焓h、比熵 s、比容ν、比内能u
2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态 参数。如容积V、内能U、熵S
5
1-4 状态方程、状态参数坐标图
一、状态方程
足够的状态参数就能确定一个状态,而一旦状态确定 ,该 状态的所有状态参数也就确定了。
热力学的研究结果告诉我们 , 对于可压缩纯物质只要两 个状态参数就足够了。
那么从数学上就应有:
v=f (p ,t ) u=f (p ,t )
h=f (p ,t ) s=f (p ,t )
• •• •••
真空
•• ••
• ••
•• •
•• ••
•••
★ ★★ ★
★ ★ ★
★★
★
★
★
★
★
引入可逆过程的意义
准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。
燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧， 气体压力和温度急剧升高
（燃料的化学能转换为热能）。
膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下 行，曲轴向外输出机械功。
排气过程 ：活塞接近下死点时，排气 门开，在压差的作用下废气 流出气缸。 随后，活塞上行，将残余气体推出气 缸。
重复上述过程，将热能转换为机械能。