华北电力大学 工程热力学课件第一章.ppt

多媒体教学课件华北电力大学能源与动力工程学院工程热力学 1-5功和热量第1章基本概念1-1工质和热力系统1-2状态参数1-3平衡状态1-4热力过程1-6热力循环2 1-5功和热量第1章基本概念1-1工质和热力系统1-2状态参数1-3平衡状态1-4热力过程1-6热力循环3 什么是工质？定义：实现能量转化的媒介物质制冷工程中又称为制冷剂对工质的要求:1）膨胀性2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取物质三态中气态最适宜作为工质4 工质的举例火力发电、核电等水蒸气太阳能、地热发电、制冷设备等低沸点物质：氨、氟里昂内燃机、燃气轮机燃气和空气5 什么是热力系统？被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面6 系统、外界和边界7 边界特性固定、活动真实、虚构8 1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-水泵a）以锅炉为热力系统；b）以汽轮机为热力系统；c）以整个蒸汽动力装置为热力系统划分热力系统举例9 热力系统分类以系统与外界关系划分：有无有无质量传递开口系闭口系有无热量传递非绝热系绝热系有无能量、物质传递非孤立系孤立系10 热力系统其他分类热力系统物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相11 关于热力系统重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。12 简单可压缩系统工程热力学中最常见、最重要的热力系统因为热能动力装置常用工质都是可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等）系统与外界只交换热量和一种准静态的体积变化功（膨胀功和压缩功）体积变化功只与工质的压力和体积的变化量有关工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统13 1-5功和热量第1章基本概念1-1工质和热力系统1-2状态参数1-3平衡状态1-4热力过程1-6热力循环14 定义状态：某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量工程热力学中常用状态参数？基本状态参数：温度T、压力p、体积V、热力学能U、焓H、熵S涉及化学反应：化学势μ、亥姆赫兹自由能F、吉布斯自由能G15 状态参数的特征状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关状态参数的微分特征：全微分16 状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关，如温度、压力12ab17 状态参数的微分特征设dz是全微分18 基本状态参数：温度热力学定义：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为温度热平衡：热力系相互接触时，相互间无宏观热量传递，称它们处于热平衡状态宏观：表示物体的冷热程度微观：标志物质分子热运动的激烈程度，是衡量分子平均动能的量度19 热力学第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。1930年由福勒（R.H.Fowler）正式提出温度测量的理论基础20 温度单位开氏（绝对）温标：T(K)摄氏温标：t(℃)华氏温标：t(F)温标换算关系21 基本状态参数：压力单位面积上承受的垂直作用力物理中压强，单位Pa，N/m2常用单位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105Pa（标准大气压）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa（工程大气压）22 绝对压力与相对压力绝对压力p真实压力相对压力绝对压力p与环境压力pb之差是否高于环境压力：表压力pg、真空度pv注意：只有绝对压力p才是状态参数23 p>pb表压力pgp>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平衡过程41 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，而不留下任何改变，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可逆过程42 准平衡过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，磁阻，非弹性变性等）不平衡势差不可逆根源耗散效应耗散效应可逆过程的实现43 不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程（阀门）p1p2p1>p2典型的不可逆过程44 混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••典型的不可逆过程45 关于可逆过程可逆过程必然是准平衡过程，同时过程中不存在任何耗散效应可逆过程可用状态参数图上的连续实线表示实际过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减少不可逆因素，使其尽可能接近可逆过程可逆过程完全理想化，对于工程热力学的研究范围内用可逆过程的概念，而准平衡过程很少用除典型不可逆(如节流、自由膨胀等)外，本书所有热力过程都可看成可逆过程46 1-5功和热量第1章基本概念1-1工质和热力系统1-2状态参数1-3平衡状态1-4热力过程1-6热力循环47 功的定义力学定义:力乘以在力方向上的位移热力学定义：功是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。功的单位：J、kJ；功率的单位：W、kW规定系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负48 功的一般表达式热力学最常见的功体积变化功其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等功的表达式49 示功图（p-V图）mkg工质：1kg工质：50 可逆过程体积变化功的说明可在p-V图（示功图）上用面积表示功是过程量，功的大小与路径有关体积变化功包括膨胀功和压缩功dV>0膨胀对外作功（正）dV<0压缩外内作功（负）适用于可逆过程下的任何工质（理想气体、水蒸气等）工程热力学中的功多指体积变化功51 热量定义：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，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。国际单位：J，kJ，和功的单位相同非法定单位：cal，kcal热功当量：1cal=4.1868J规定系统吸热取为正，系统放热取为负52 热量如何表达？热量是否可以用类似于功的形式表示？引入“熵”W=pdV53 熵的定义Reversible:可逆的熵的简单引入比熵[J/(kg·K)]ds：可逆过程qrev除以传热时的T所得的商广延量[J/K]54 熵的说明熵是状态参数符号规定系统吸热时为正Q>0dS>0系统放热时为负Q<0dS<0熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量55 示热图（T-s图）56 1-5功和热量第1章基本概念1-1工质和热力系统1-2状态参数1-3平衡状态1-4热力过程1-6热力循环57 热力循环定义：工质从某一初始状态出发，经过一系列中间过程又回到初始状态，称工质经历了一个热力循环要实现工质的连续作功，必须构成热力循环特点：状态参数坐标图上为一闭合曲线分类：可逆循环和不可逆循环可逆循环：全部由可逆过程组成的循环不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆的循环根据循环效果的不同，分为正向循环和逆向循环58 正向循环净效应：对外作功净效应：吸热热能转化为机械能的循环，顺时针方向pv21Ts12wnetq1-q2=wnet59 逆向循环净效应：对内作功净效应：放热机械能转化为热能的循环，逆时针方向Ts12q1-q2=wnetwnetpv2160 热力循环的评价指标正循环：对外作功，吸热热效率WQ1Q2T2T161 热力循环的评价指标逆循环：对内作功，放热WQ1Q2T2T11.制冷循环：制冷系数2.热泵循环：热泵系数62 例题某发电厂平均生产1度电需消耗350克标准煤，已知标准煤的热值为29308kJ/kg，试求这个电厂的平均热效率是多少？解：收益：1度电=1kW·h=1kJ/s*3600s=3600kJ代价：350克标准煤发热=0.35kg*29308kJ/kg=10257.8kJ效率：63 课后思考题对于开口系统一定是非绝热系吗？有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？“工质吸热温度升高，放热温度降低”，这种说法对吗？“高温物体所含热量多；低温物体所含热量少。”这种说法对吗？为什么？经过一个不可逆循环后，工质又回复到起始状态，那么，它的不可逆性表现在什么地方？64