第一章基本概念h.ppt
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1、2023年5月13日1时28分,第一章基本概念,2023年5月13日1时28分,本章基本要求:,掌握工程热力学中一些基本术语和概念:热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征,基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征,并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。,2023年5月13日1时28分,11热能在热机中转变成机械能的过程,热能动力装置:从燃料燃烧中得到热能,并利用热能得到动力的设备。,热能动力装置分为两大类:燃气动力装置(内燃机、燃气轮机)蒸汽动力装置(蒸汽轮机),热能,机械能,化学能,20
2、23年5月13日1时28分,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,气缸,2023年5月13日1时28分,两冲程内燃机工作过程,进气,排气,2023年5月13日1时28分,四冲程内燃机工作过程,进气,排气,2023年5月13日1时28分,内燃机(汽油机),燃气热能,机械能,燃料化学能,排入大气,压缩燃烧、膨胀,吸气排气,工作过程:,能量转换:,工作物质:,燃气,2023年5月13日1时28分,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,550,过热器,锅炉,给水泵,冷凝器,冷却水,汽轮机,发电机,Q,Q,1,2,W,20,高温高压蒸汽,W,p,蒸汽动力装置,1炉子2炉墙3沸水管4汽锅5过热器6
3、汽轮机7喷嘴8叶片9叶轮10轴11发电机12冷凝器13、14、16泵15蓄水池,燃料在锅炉中燃烧,加热沸水管内的水,使之变为蒸汽,并在过热器内过热,成为过热蒸汽,完成从化学能转变到热能的过程;高温高压(相对于环境)蒸汽膨胀推动汽轮机作功(机械能);作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器,被冷却水冷凝成水,并由泵加压送入锅炉加热。,蒸汽动力装置工作过程:,不同点:构造和工作特性不同。相同点:从高温热源吸热(吸热过程)将其中一部分转变为功(对外作功过程)将其余部分传给低温热源(对外放热过程)工质提高压力需要耗功(消耗外功)。,结论:各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程:吸热、膨胀作功和排热。,比较上
4、述两种热机,名词定义:,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):接受工质排出热能的物系。,工质从高温热源吸热,将其中一部分转化为机械能而作功,并把余下部分传给低温热源。,热能动力装置的工作过程可概括成:,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,2023年5月13日1时28分,12热力系统,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。,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,边界:系统与外界之间的分界面,外界:热力系统以外的部分,边界可以是实在的,也可以是假
5、想的;可以是固定的,也可以是移动的,一、基本概念,系统与边界:,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,2023年5月13日1时28分,二、热力系统的分类,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,(一)根据系统与外界物质交换、热量交换的情况:1.闭口系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;2.开口系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;3.绝热系系统与外界无热量交换;4.孤立系系统与外界既无能量交换,也无物质交换。,2023年5月13日1时28分,闭
6、口热力系,2023年5月13日1时28分,开口热力系,2023年5月13日1时28分,开口举例热力系(管道),稳定流动开口系统,2023年5月13日1时28分,开口热力系,续15,2023年5月13日1时28分,开口热力系,(锅炉示意图),来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,燃料与空气,2023年5月13日1时28分,锅炉的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生),锅炉的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,开口热力系 汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管 叶片 汽轮机,发电机,开口热力系 汽轮机示意图,2023年5月13日1时28分,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系
7、,汽轮机的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系(冷凝器),2023年5月13日1时28分,蒸汽放热给冷却水,冷凝器的简化热力学分析模型,热力系,冷凝器的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的凝结),2023年5月13日1时28分,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,2023年5月13日1时28分,冷却水带走热量,(工质放热量),向外输出功,(汽轮机),(水泵耗功),(工质吸热量),蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型,热力系,向系统输入功,热源供热,蒸汽动力装置的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,
8、(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。5.可压缩系统:由可压缩流体组成的热力系。6.简单热力系统:系统与外界只有热量与一种形式的准静功交换。7.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。,热力学中大多属于简单可压缩系统,热力系统的划分要根据具体要求而定,如内燃机在气缸进、排气门关闭时,取封闭于气缸内的工质为系统是闭口系统;而把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程
9、一起研究时,取气缸为划定的空间就是开口系统。,2023年5月13日1时28分,13工质的热力学状态及其基本状态参数,热力学状态:工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况,简称状态。,状态参数:描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。,1)工程热力学只从总体上研究工质所处的状态及其变化,不从微观角度研究个别粒子的行为和特性,因而所采用的物理量都是宏观的物理量。2)状态参数的全部或一部分发生变化,即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定,工质的状态也完全确定。因而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。,状态参数的
10、特性:,即满足:3)状态参数是点函数,其微分是全微分。设Zf(x,y),则:反之,如能证明某物理量具有上述数学特征,则该物理量一定是状态参数,全微分是状态参数的充要条件。,4)常用的状态参数有:压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S,其中压力、温度和体积可直接用仪器测量,称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。5)状态参数有强度量与广延量之分:强度量:与系统质量无关,如P、T。强度量不具有可加性。广延量:与系统质量成正比,如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数(单位质量工质的体积、热力学能等)具有强度量的性质,不具有可加性。,热平衡定律(热力学第零定律):
11、分别与第三个系统处于热平衡(相互之间没有热量传递)的两个系统,它们彼此也必定处于热平衡。(这是由实验、经验中得到的,不可以由其它定律推出。)既然两个(或多个)独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的,那么,这两个(或多个)系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量温度来描述。,一、温度,基本热力学参数,温度的定义:1)宏观上温度是物体冷热程度的标志2)微观上温度是物质分子热运动剧烈程度的标志温度是描述热力学平衡系统的一个状态参数,是强度量。测量温度的仪器称做温度计,选作温度计的感应元件的物体应具备特定的物理性质:随物体的冷热程度不同有显著的变化。,定义:温标是指温度的数值表示法,温标,测温物质
12、及其测温属性基准点分度方法,温标三要素:,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。,热力学绝对温标(热力学温度或绝对温)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,摄氏温标,1742年瑞典人摄氏(Anders celsius)提出的。他把一个大气压下纯水的冰点取为0度,沸点取为100度
13、,中间100等分作为温标。符号t、单位。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准,即由热力学绝对温标来规定摄氏温标,称热力学摄氏温标,把水的三相点定为273.16K,0.01。则0273.15K,t()=T(K)-273.15,华氏温标:,1724年由德国人华氏(cabridl D Fahrenheit)提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度,把人体的温度作为96度,中间等分,这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF,单位 F。,华氏温标与摄氏温标的换算关系为:t()=0=32 oF100=212oF郎肯温标:是盎格鲁撒克逊民族(欧洲)用的温标
14、。采用符号T,单位用r。T(r)=9/5 T(K),2023年5月13日1时28分,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,37.8,100,0,32,-459.67,0,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,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。,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pb之差,叫做表压力pe或真空度pv,分子运动学说认为压力
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