热力学课件.ppt
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1、复习内容,第一章 基本概念及定义,1-1 热能和机械能相互转换过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态,1-5 工质的状态变化过程,1-6 功和热量,1-7 热力循环,3,一、热能动力装置,定义:从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。,分类,燃气动力装置内燃机燃气轮机装置喷气发动机 蒸汽动力装置 电厂蒸汽动力装置 ,1-1 热能和机械能相互转换的过程,热能动力装置的共性,能量转换的媒介-工质(燃气、蒸汽); 膨胀-作功; 压缩耗功; 双热源-吸热、放热。,热能动力装置的共性,动力装置模化成双热源示意图,共性可总结为:工作介质经历吸热、膨胀作
2、功、排热过程,6,1-2 热力系统(热力系、系统、体系)外界和边界, 系统,人为分割出来,作为热力学 研究对象的有限物质系统。, 外界:,与体系发生质、能交换的物系。, 边界:,系统与外界的分界面(线)。,一、定义,7,闭口系(控制质量CM)没有质量越过边界,开口系(控制体积CV)通过边界与外界有质量交换,、 按系统与外界质量交换,三、热力系分类,8,. 简单可压缩系由可压缩物质组成,无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。,绝热系与外界无热量交换;孤立系与外界无任何形式的质能交换。,. 按能量交换,以系统与外界关系划分:,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系
3、,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,区分:,10,1-3 工质的热力学状态和基本状态参数,热力学状态系统宏观物理状况的综合状态参数描述物系所处状态的宏观物理量,1状态参数是宏观量,是大量粒子的统计平均效 应,只有平衡态才有状参,系统有多个状态参数,如,一、热力学状态和状态参数,二、状态参数的特性和分类,11,四、温度和温标,温度的定义:测温的基础热力学零定律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。热力学温标和国际摄氏温标,12,五、压力,绝对压力 p; 表压力 pe(pg); 真空度 pv,当地大气压pb,压力,常用单位: 1 kPa = 103 Pa 1 ba
4、r = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 mmHg = 133.3 Pa1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,14,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,平衡状态,一个热力系统,如果在不受外界影响的条件下,系统的状态能始终保持不变,则系统的这种状态叫做平衡状态。,15,平衡状态,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,不存在不平衡势差,即同时处于热平衡、力平衡、相平衡和化学平衡。,平衡的本质:,-,势差,平衡状态,不平衡状态,16,平衡与稳定,稳定:参数不随时
5、间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响,则状态变化,稳定不一定平衡,但平衡一定稳定,17,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,且物系中各处的状态参数相同。,18,准平衡过程的定义,若过程进行得相对缓慢,工质在平衡被破坏后自动恢复平衡所需的时间,即所谓弛豫时间又很短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致显著偏离平衡状态,那么这样的过程就叫做准平衡过程。,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,1-5工质的状态变化过程,19,准平衡过程的实质,压差作用下的准平衡,温差作用下的准平衡,工
6、质与外界的压差和温差均为无限小!,平衡点1,平衡点2,平衡点3,压差,不平衡,不平衡,温差,压差,温差,20,可逆过程定义,二、可逆过程和不可逆过程,当工质完成某一热力过程之后,若能沿原来路径逆向进行,能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。反之,为不可逆过程。,可逆过程只是指可能性,并不 是指必须要回到初态的过程。,21,可逆过程的实现,准平衡过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,不平衡势差无限小,不平衡势差 耗散效应,耗散效应,不可逆根源,22,准静态过程与可逆过程区别,准静态过程:工质内部平衡过程,外部可以不平衡。 可逆过程:工质内部,工质与外界处于平衡状态,且无摩擦。 可逆过程
7、必然是准静态过程,而准静态过程却不一定是可逆过程。,23,功的热力学定义,功是系统与外界相互作用的一种方式,在力的推动下,通过有序运动方式传递的能量。且全部效果可表现为举起重物。,1-6过程功和热量,24,功的符号约定系统对外界做功为正、外界对系统做功为负。,有用功及功的符号约定,功不是状态参数,而是过程函数。容积功(只与压力和体积变化有关)既适用于封闭热力系也适用于开口热力系。,功的特性,25,可逆过程的功,V,p,1,2,dv,dx,功的量不但同初终状态有关,而且同过程经过的路径有关,是过程量,而不是状态参数。,26,过程热量,热量定义:热量是热力系与外界相互作用的另一种方式,在温差的推动
8、下,以微观无序运动方式通过边界传递的能量。,符号约定:系统吸热“+”;放热“-”,27,过程热量计算,28,循环和过程,循环由过程组成 。过程分: 可逆;不可逆,循环定义: 工质经过一系列的过程后又回到初始状态,则称工质经历了一个循环.,29,正向循环,顺时针,wnet,q1-q2=wnet,输出功,吸热,30,逆向循环,输入功,输出热,逆时针方向,wnet,q1-q2=wnet,六 、循环经济性指标,动力循环:热效率,逆向循环:制冷系数,供暖系数,第二章 热力学第一定律,2-1 第一定律实质 2-2 热力学能和总能 2-3 能量传递和转化 2-4 焓 2-5 基本能量方程式 2-6 开口系统
9、能量方程式 2-7 能量方程式应用,“ 热是能的一种,机械能变热能,或热能变机械能时,它们间的比值是一定的”或“热可以变成功,功也可以变成热;一定量的热消失时必产生相应量的功,消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热”.,热力学第一定律的描述,在能量的转换过程中能量的总量保持不变。,34,热力学能=内动能(f(T))+内位能(f(v,T),气体的热力学能既然决定于它的温度和比体积,也就决定于它的状态,因此,热力学能也是气体的状态参数。考虑到气体的内动能决定于气体的温度,内位能决定于气体的温度和比体积,所以气体的热力学能是温度和比体积的函数,即,2-2 热力学能和总能, 内能是状态量,35,内
10、能: U,宏观:动能Ek,势能Ep,微观(内部),总能: E,宏观(外部),总能,36,2-3能量的传递与转换,1 功和热,能量传递的两种方式:做功和传热 功量与热量都是系统与外界所传递的能量,而不是系统本身的能量,其值并不由系统的状态确定,而是与传递时所经历的具体过程有关。 功量和热量不是系统的状态参数,而是与过程特征有关的过程量。,37,推动功和流动功,推动功:工质在开口系中流动而传递的功。,Wpush = p A dl = pV,流动功:系统为维持工质流动所需的功,注:推动功只有在工质移 动位置时才起作用。,38,2-4 (焓),在开口系中由于有工质流动,热力学能u与推动功pv必然同时出
11、现,所以焓可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量; 焓对于开口系有上述物理意义,对闭口系不再具有上述物理意义;,焓是状态参数.,39,H = U + pV kJ h = u + pv kJ/kg ,2-4 (焓),因热工计算中时常出现U+pV,所以把它定义为焓H,40,2-5 热力学第一定律基本能力方程式,适用于任何系统、任何过程,进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加,热力学第一定律基本表达式:,E,E+dE,热力系,41,U,U+U,闭口系,闭口系,闭口系统能量方程,闭口系中工质从外界吸热Q,从状态变化到状态,并对外界作功W,忽略工质宏观动能和宏观位能,则工质
12、储存能的增量全部为热力学能增量U,可得:,或,任何工质:包括理想气体、实际气体、甚至液体; 任何过程:可逆过程或不可逆过程; 应用闭口系统能量方程时,注意Q、W的符号。,闭口系统能量方程总结:,m kg工质经过有限过程,m kg工质经过微元过程,1 kg工质经过有限过程,1 kg工质经过微元过程,闭口系统能量方程,43,当流动系统中(包括进、出口截面上)各点的热力学状态及流动情况(流速、流向)不随时间变化时,称系统处于稳态稳流,1、系统各截面状态参数不随时间变化,2、系统与外界的能量交换不随时间变化,3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化,稳定流动能量方程,44,稳定流动系统的能量平衡,任
13、何流动的工质.任何稳定流动过程.,单位质量工质,微元过程,45,技术功的图表表示,技术功,膨胀功,流动功,46,闭口系统和稳定开口系的方程,膨胀功 w,技术功 wt,闭口系,稳定流动系,等价,轴功ws,流动功(pv),47,热力学问题经常可忽略动、位能变化,2-7 能量方程式的应用,48,动力机,1. 忽略动能差 2. 位能差 3. 绝热 轴功是由焓的变化转变而来的,q 0 ws = -h = h1 - h20,49,换热器,没有做功的部分:,高温工质,低温工质,h2,h1,h2,焓的变化,高温工质,低温工质,忽略动能差、位能差,h1,50,喷管、扩压管,喷嘴:,减小压力,增大速度,扩压器:,
14、减小速度,增大压力,51,绝热节流,h1,h2,忽略动能差、位能差,52,3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能、焓和熵 3-4 水蒸气的饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程和临界点 3-6 水和水蒸气的状态参数 3-7 水蒸气表和图,第三章 气体和蒸汽的性质,53,一、理想气体模型,1.理想气体,理想假设: 分子是弹性的、无体积质点 ; 分子间无作用力; U=u(T)(没有内位能),气体分子的运动规律极大地简化了,分子两次碰撞之间为直线运动,且弹性碰撞无动能损失。,3-1 理想气体的概念,54,压力比较低,体积大,常温/高温,远离液态的稀薄气体,理想气体
15、的条件,T常温,p7MPa 双原子分子,理想气体,O2, N2, Air, CO, H2,理想气体是不存在的,什么样的气体可以简化成理想气体?,55,2. 实际气体,不符合理想气体假设. 水蒸气、制冷工质是实际气体。,因为,这类物质临界温度较高,蒸气在通常的工作温度和压力下离液态不远。,56,气体常数: Rg,理想气体状态方程:(科拉贝隆方程),波尔兹曼常数,Rg:与气体种类有关;与气体状态无关,单位:,变量:P、v、T,57,摩尔气体常数,摩尔气体常数(通用气体常数),既与气体状态无关 也与气体性质无关的普适恒量!,58,比热容C可用于计算 热力学能U、焓H、热量Q、熵S等。,定义C:,1k
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