熱力學完整ppt課件

復習內容 第一章基本概念及定義 1 1熱能和機械能相互轉換過程 1 2熱力系統(tǒng) 1 3工質的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數 1 4平衡狀態(tài) 1 5工質的狀態(tài)變化過程 1 6功和熱量 1 7熱力循環(huán) 3 一 熱能動力裝置 定義 從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備 分類 燃氣動力裝置內燃機燃氣輪機裝置噴氣發(fā)動機 蒸汽動力裝置電廠蒸汽動力裝置 1 1熱能和機械能相互轉換的過程 熱能動力裝置的共性 能量轉換的媒介 工質 燃氣 蒸汽 膨脹 作功 壓縮 耗功 雙熱源 吸熱 放熱 熱能動力裝置的共性 動力裝置?；呻p熱源示意圖 共性可總結為 工作介質經歷吸熱 膨脹作功 排熱過程 6 1 2熱力系統(tǒng) 熱力系 系統(tǒng) 體系 外界和邊界 系統(tǒng) 人為分割出來 作為熱力學研究對象的有限物質系統(tǒng) 外界 與體系發(fā)生質 能交換的物系 邊界 系統(tǒng)與外界的分界面 線 一 定義 7 閉口系 控制質量CM 沒有質量越過邊界 開口系 控制體積CV 通過邊界與外界有質量交換 按系統(tǒng)與外界質量交換 三 熱力系分類 8 簡單可壓縮系 由可壓縮物質組成 無化學反應 與外界有交換容積變化功的有限物質系統(tǒng) 絕熱系 與外界無熱量交換 孤立系 與外界無任何形式的質能交換 按能量交換 以系統(tǒng)與外界關系劃分 有無是否傳質開口系閉口系 是否傳熱非絕熱系絕熱系 是否傳熱 功 質非孤立系孤立系 區(qū)分 10 1 3工質的熱力學狀態(tài)和基本狀態(tài)參數 熱力學狀態(tài) 系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合狀態(tài)參數 描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量 1 狀態(tài)參數是宏觀量 是大量粒子的統(tǒng)計平均效應 只有平衡態(tài)才有狀參 系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數 如 一 熱力學狀態(tài)和狀態(tài)參數 二 狀態(tài)參數的特性和分類 11 四 溫度和溫標 溫度的定義 測溫的基礎 熱力學零定律如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡 則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡 熱力學溫標和國際攝氏溫標 12 五 壓力 絕對壓力p 表壓力pe pg 真空度pv 當地大氣壓pb 壓力 常用單位 1kPa 103Pa1bar 105Pa1MPa 106Pa1atm 760mmHg 1 013 105Pa1mmHg 133 3Pa1at 1kgf cm2 9 80665 104Pa 14 1 4平衡狀態(tài) 狀態(tài)方程式 坐標圖 平衡狀態(tài) 一個熱力系統(tǒng) 如果在不受外界影響的條件下 系統(tǒng)的狀態(tài)能始終保持不變 則系統(tǒng)的這種狀態(tài)叫做平衡狀態(tài) 15 平衡狀態(tài) 溫差 熱不平衡勢壓差 力不平衡勢相變 相不平衡勢化學反應 化學不平衡勢 不存在不平衡勢差 即同時處于熱平衡 力平衡 相平衡和化學平衡 平衡的本質 勢差 平衡狀態(tài) 不平衡狀態(tài) 16 平衡與穩(wěn)定 穩(wěn)定 參數不隨時間變化 穩(wěn)定但存在不平衡勢差 去掉外界影響 則狀態(tài)變化 穩(wěn)定不一定平衡 但平衡一定穩(wěn)定 17 平衡與均勻 平衡 時間上均勻 空間上 平衡不一定均勻 單相平衡態(tài)則一定是均勻的 且物系中各處的狀態(tài)參數相同 18 準平衡過程的定義 若過程進行得相對緩慢 工質在平衡被破壞后自動恢復平衡所需的時間 即所謂弛豫時間又很短 工質有足夠的時間來恢復平衡 隨時都不致顯著偏離平衡狀態(tài) 那么這樣的過程就叫做準平衡過程 破壞平衡所需時間 外部作用時間 恢復平衡所需時間 馳豫時間 有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程 1 5工質的狀態(tài)變化過程 19 準平衡過程的實質 壓差作用下的準平衡 溫差作用下的準平衡 工質與外界的壓差和溫差均為無限小 平衡點1 平衡點2 平衡點3 壓差 不平衡 不平衡 溫差 壓差 溫差 20 可逆過程定義 二 可逆過程和不可逆過程 當工質完成某一熱力過程之后 若能沿原來路徑逆向進行 能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡 反之 為不可逆過程 可逆過程只是指可能性 并不是指必須要回到初態(tài)的過程 21 可逆過程的實現 準平衡過程 無耗散效應 可逆過程 不平衡勢差無限小 不平衡勢差耗散效應 耗散效應 不可逆根源 22 準靜態(tài)過程與可逆過程區(qū)別 準靜態(tài)過程 工質內部平衡過程 外部可以不平衡 可逆過程 工質內部 工質與外界處于平衡狀態(tài) 且無摩擦 可逆過程必然是準靜態(tài)過程 而準靜態(tài)過程卻不一定是可逆過程 23 功的熱力學定義 功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式 在力的推動下 通過有序運動方式傳遞的能量 且全部效果可表現為舉起重物 1 6過程功和熱量 24 功的符號約定系統(tǒng)對外界做功為正 外界對系統(tǒng)做功為負 有用功及功的符號約定 功不是狀態(tài)參數 而是過程函數 容積功 只與壓力和體積變化有關 既適用于封閉熱力系也適用于開口熱力系 功的特性 25 可逆過程的功 V p 1 2 dv dx 功的量不但同初終狀態(tài)有關 而且同過程經過的路徑有關 是過程量 而不是狀態(tài)參數 26 過程熱量 熱量定義 熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式 在溫差的推動下 以微觀無序運動方式通過邊界傳遞的能量 符號約定 系統(tǒng)吸熱 放熱 27 過程熱量計算 28 循環(huán)和過程 循環(huán)由過程組成 過程分 可逆 不可逆 循環(huán)定義 工質經過一系列的過程后又回到初始狀態(tài) 則稱工質經歷了一個循環(huán) 29 正向循環(huán) 順時針 wnet q1 q2 wnet 輸出功 吸熱 30 逆向循環(huán) 輸入功 輸出熱 逆時針方向 wnet q1 q2 wnet 六 循環(huán)經濟性指標 動力循環(huán) 熱效率 逆向循環(huán) 制冷系數 供暖系數 第二章熱力學第一定律 2 1第一定律實質2 2熱力學能和總能2 3能量傳遞和轉化2 4焓2 5基本能量方程式2 6開口系統(tǒng)能量方程式2 7能量方程式應用 熱是能的一種 機械能變熱能 或熱能變機械能時 它們間的比值是一定的 或 熱可以變成功 功也可以變成熱 一定量的熱消失時必產生相應量的功 消耗一定量的功時必出現與之對應的一定量的熱 熱力學第一定律的描述 在能量的轉換過程中能量的總量保持不變 34 熱力學能 內動能 f T 內位能 f v T 氣體的熱力學能既然決定于它的溫度和比體積 也就決定于它的狀態(tài) 因此 熱力學能也是氣體的狀態(tài)參數 考慮到氣體的內動能決定于氣體的溫度 內位能決定于氣體的溫度和比體積 所以氣體的熱力學能是溫度和比體積的函數 即 2 2熱力學能和總能 內能是狀態(tài)量 35 內能 U 宏觀 動能Ek 勢能Ep 微觀 內部 總能 E 宏觀 外部 總能 36 2 3能量的傳遞與轉換 1功和熱 能量傳遞的兩種方式 做功和傳熱功量與熱量都是系統(tǒng)與外界所傳遞的能量 而不是系統(tǒng)本身的能量 其值并不由系統(tǒng)的狀態(tài)確定 而是與傳遞時所經歷的具體過程有關 功量和熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數 而是與過程特征有關的過程量 37 推動功和流動功 推動功 工質在開口系中流動而傳遞的功 Wpush pAdl pV 流動功 系統(tǒng)為維持工質流動所需的功 注 推動功只有在工質移動位置時才起作用 38 2 4 焓 在開口系中由于有工質流動 熱力學能u與推動功pv必然同時出現 所以焓可以理解為由于工質流動而攜帶的 并取決于熱力狀態(tài)參數的能量 焓對于開口系有上述物理意義 對閉口系不再具有上述物理意義 焓是狀態(tài)參數 39 H U pV kJ h u pv kJ kg 2 4 焓 因熱工計算中時常出現U pV 所以把它定義為焓H 40 2 5熱力學第一定律基本能力方程式 適用于任何系統(tǒng) 任何過程 進入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 系統(tǒng)中儲存能量的增加 熱力學第一定律基本表達式 E E dE 熱力系 41 U U U 閉口系 閉口系 閉口系統(tǒng)能量方程 閉口系中工質從外界吸熱Q 從狀態(tài) 變化到狀態(tài) 并對外界作功W 忽略工質宏觀動能和宏觀位能 則工質儲存能的增量全部為熱力學能增量 U 可得 或 任何工質 包括理想氣體 實際氣體 甚至液體 任何過程 可逆過程或不可逆過程 應用閉口系統(tǒng)能量方程時 注意Q W的符號 閉口系統(tǒng)能量方程總結 mkg工質經過有限過程 mkg工質經過微元過程 1kg工質經過有限過程 1kg工質經過微元過程 閉口系統(tǒng)能量方程 43 當流動系統(tǒng)中 包括進 出口截面上 各點的熱力學狀態(tài)及流動情況 流速 流向 不隨時間變化時 稱系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流 1 系統(tǒng)各截面狀態(tài)參數不隨時間變化 2 系統(tǒng)與外界的能量交換不隨時間變化 3 系統(tǒng)自身能量貯存與質量貯存不隨時間變化 穩(wěn)定流動能量方程 44 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡 任何流動的工質 任何穩(wěn)定流動過程 單位質量工質 微元過程 45 技術功的圖表表示 技術功 膨脹功 流動功 46 閉口系統(tǒng)和穩(wěn)定開口系的方程 膨脹功w 技術功wt 閉口系 穩(wěn)定流動系 等價 軸功ws 流動功 pv 47 熱力學問題經常可忽略動 位能變化 2 7能量方程式的應用 48 動力機 1 忽略動能差2 位能差3 絕熱軸功是由焓的變化轉變而來的 q 0ws h h1 h2 0 49 換熱器 沒有做功的部分 高溫工質 低溫工質 h2 h1 h2 焓的變化 高溫工質 低溫工質 忽略動能差 位能差 h1 50 噴管 擴壓管 噴嘴 減小壓力 增大速度 擴壓器 減小速度 增大壓力 51 絕熱節(jié)流 h1 h2 忽略動能差 位能差 52 3 1理想氣體的概念3 2理想氣體的比熱容3 3理想氣體的熱力學能 焓和熵3 4水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖3 5水的汽化過程和臨界點3 6水和水蒸氣的狀態(tài)參數3 7水蒸氣表和圖 第三章氣體和蒸汽的性質 53 一 理想氣體模型 1 理想氣體 理想假設 分子是彈性的 無體積質點 分子間無作用力 U u T 沒有內位能 氣體分子的運動規(guī)律極大地簡化了 分子兩次碰撞之間為直線運動 且彈性碰撞無動能損失 3 1理想氣體的概念 54 壓力比較低 體積大 常溫 高溫 遠離液態(tài)的稀薄氣體 理想氣體的條件 T 常溫 p 7MPa雙原子分子 理想氣體 O2 N2 Air CO H2 理想氣體是不存在的 什么樣的氣體可以簡化成理想氣體 55 2 實際氣體 不符合理想氣體假設 水蒸氣 制冷工質是實際氣體 因為 這類物質臨界溫度較高 蒸氣在通常的工作溫度和壓力下離液態(tài)不遠 56 氣體常數 Rg 理想氣體狀態(tài)方程 科拉貝隆方程 波爾茲曼常數 Rg 與氣體種類有關 與氣體狀態(tài)無關 單位 變量 P v T 57 摩爾氣體常數 摩爾氣體常數 通用氣體常數 既與氣體狀態(tài)無關也與氣體性質無關的普適恒量 58 比熱容C可用于計算熱力學能U 焓H 熱量Q 熵S等 定義C 1kg物質溫度升高1K或1oC所需的熱量 3 2理想氣體的比熱容 一 比熱容的定義 59 1 cv cp 確定的過程可看作是狀參 cV 定容過程單位質量增加1度時的熱力學能增量 cp 定壓過程單位質量工質增加1度時焓的增量 60 2 Rg 3 對理想氣體 cp cv 1 cp f T cV f T cp cV Rg 61 3 3理想氣體的熱力學能 焓和熵 對于理想氣體 任何一個過程的熱力學能變化量都和溫度變化相同的定容過程的熱力學能變化量相等 任何一個過程的焓變化量都和溫度變化相同的定壓過程的焓變化量相等 62 3 3理想氣體的熱力學能 焓和熵 理想氣體的等溫線即等熱力學能線 等焓線 63 1 2 對于理想氣體的任何一種過程cv 熱力學能 熱力學第一定律解析式 定壓過程 如果 則 64 1 2 cp 定值 3 cp 平均值 理想氣體焓 65 狀態(tài)參數熵 1 定義 ds是此微元可逆過程中1kg工質的熵變 稱為比熵變 66 3 5水的汽化過程和臨界點 工業(yè)上所用的水蒸氣都是在定壓加熱設備中產生的 一般經過三個階段 預熱階段 未飽和水 飽和水 汽化階段 飽和水 干飽和蒸汽 過熱階段 干飽和蒸汽 過熱蒸汽 水蒸氣定壓生成過程 二 水定壓加熱汽化過程的p v圖及T s圖 一點臨界點 兩線 飽和液線飽和蒸汽線 三區(qū) 液 汽液共存 汽 五態(tài) 未飽和水 飽和水 濕蒸汽 干飽和蒸汽 過熱蒸汽 68 4 1理想氣體的可逆多變過程4 2定容過程4 3定壓過程4 4定溫過程4 5絕熱過程4 6理想氣體熱力過程綜合分析4 7水蒸氣的基本過程 第4章氣體和蒸汽的基本熱力過程 4 2定容過程 1 過程方程v 定值 2 狀態(tài)參數關系式 3 定容過程的過程曲線 可知定容過程線在T s圖上為一指數曲線 曲線的斜率是 3 定容過程的過程曲線 p v T s 1 2 1 2 4 2定容過程 4 功和熱量 內能變化量 焓的變化量 容積功 熱量 定容過程的功和熱量的計算 4 2定容過程 技術功 1 過程方程p 定值 2 狀態(tài)參數關系式 3 定壓過程的過程曲線 可知定壓過程線在T s圖上為一指數曲線 定壓過程曲線的斜率是 定容過程曲線的斜率是 4 3定壓過程 定壓過程的p v圖和T s圖 p v T s 2 1 2 v 4 3定壓過程 4 功和熱量 內能變化量 焓的變化量 容積功 熱量 技術功 4 3定壓過程 定壓過程VS定容過程的p v圖和T s圖 p v T s 2 1 2 v 定壓過程VS定容過程 1 v 定溫過程的p v圖和T s圖 p v T s 1 2 1 2 4 4定溫過程 理想氣體的熱力學能 焓都是溫度的單值函數 故定溫過程也是定熱力學能過程和定焓過程 4 功和熱量 內能變化量 焓的變化量 容積功 熱量 技術功 因 可知定溫過程的比熱容 所以不能用定溫過程的比熱容來計算熱量 定溫過程的功和熱量的計算 4 4定溫過程 定值 流動功為0 適用于理想氣體 定熵過程的p v圖和T s圖 p v T s 1 2 1 2 T 4 5絕熱過程 4 功和熱量 內能變化量 焓的變化量 容積功 熱量 技術功 4 5絕熱過程 可逆絕熱過程是定熵過程 5 1熱力學第二定律5 2卡諾循環(huán)5 3卡諾定理5 4熵 熱力學第二定律表達式5 5熵方程5 6孤立系統(tǒng)的熵增原理5 7火用參數的基本概念和熱量火用5 8工質火用及火用平衡方程 第五章熱力學第二定律 不可能從單一熱源取熱 并使之完全轉變?yōu)橛杏霉Χ划a生其它影響 熱機不可能將從熱源吸收的熱量全部轉變?yōu)橛杏霉?而必須將某一部分傳給冷源 開爾文 普朗克表述 熱力學第二定律的開爾文說法 不可能制造出從單一熱源吸熱 使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機 克勞修斯表述 熱量不可能自發(fā)地 不付代價地從低溫物體傳至高溫物體 空調 制冷 代價 耗功 熱力學第二定律的實質 1 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是工作于溫度分別為T1和T2的兩個熱源之間的正向循環(huán) 由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成 v p T TH TL a b d c s1 s2 d b a c q1 q2 q1 q2 s s TL TH T T s 1 卡諾循環(huán) 1 t c只取決于恒溫熱源T1和T2 而與工質的性質無關 卡諾循環(huán)效率小結 2 T1 t c T2 t c 溫差越大 t c越高 4 當T1 T2時 t c 0 單熱源熱機 第二類永動機 不可能 3 T1 K T2 0K t c 100 熱二律 恒溫熱源 5 實際循環(huán)不可能實現卡諾循環(huán) 原因 a 一切過程不可逆 b 氣體實施等溫吸熱 等溫放熱困難 c 氣體卡諾循環(huán)wnet太小 若考慮摩擦 輸出凈功極微 卡諾循環(huán)效率小結 6 卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的方向 恒溫熱源 2 概括性卡諾循環(huán) T h d b a c q1 q2 TL TH n g m s 回熱 提供了一個提高熱效率的途徑 如燃氣輪機裝置 大中型蒸汽動力裝置 如果吸熱和放熱的多變指數相同 4 多熱源的可逆循環(huán) T D C m A B n s Th Tl h a b c d g e 工作于兩個熱源間的一切可逆循環(huán)的熱效率高于相同溫限間多熱源的可逆循環(huán) l s 循環(huán)熱效率歸納 適用于一切循環(huán) 任意工質 多熱源可逆循環(huán) 任意工質 卡諾循環(huán) 概括性卡諾循環(huán) 任意工質 卡諾定理1 在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的一切可逆循環(huán) 其熱效率都相等 與可逆循環(huán)的種類無關 與采用哪一種工質無關 5 3卡諾定理 定理2 在溫度同為T1的熱源和同為T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán) 其熱效率必小于可逆循環(huán) 卡諾提出 卡諾循環(huán)效率最高 即在恒溫T1 T2下 5 3卡諾定理 卡諾循環(huán)小結 在兩熱源間工作的一切可逆循環(huán) 它們的熱效率相同 與工質的性質無關 只決定于熱源和冷源的溫度 溫度界限相同 但是有兩個以上熱源 多熱源 的可逆循環(huán) 其 t c 不可逆循環(huán)的 It必定小于同等條件下的可逆循環(huán) t 卡諾定理的意義 從理論上確定了通過熱機循環(huán)實現熱能轉變?yōu)闄C械能的條件 指出了提高熱機熱效率的方向 是研究熱機性能不可缺少的準則 對熱力學第二定律的建立具有重大意義 對于可逆循環(huán) 工質溫度等于熱源溫度 T Tr S 熵 狀態(tài)參數 狀態(tài)參數熵的導出 克勞修斯積分含義 一切可逆循環(huán)的克勞修斯積分等于零 一切不可逆循環(huán)的克勞修斯積分小于零 任何循環(huán)的克勞修斯積分都不會大于零 可以利用來判斷一個循環(huán)是否能進行 是可逆循環(huán) 還是不可逆循環(huán) 熱力學第二定律的數學表達式 可逆 不可逆 熱力學第二定律的數學表達式 判斷微元過程是否可逆的熱力學第二定律的數學表達式 可逆 不可逆 用于判斷熱力過程是否可逆的熱力學第二定律的數學表達式的積分形式 可逆 不可逆 第二定律數學表達式 討論 1 違反上述任一表達式就可導出違反第二定律 2 熱力學第二定律數學表達式給出了熱過程的方向判據 熵增大原因 主要是由于耗散作用 使損失的機械功轉化為熱能 耗散熱 被工質吸收 內部存在的不可逆耗散是絕熱閉口系統(tǒng)熵增大的唯一原因 其熵變量等于熵產 不可逆絕熱過程分析 閉口系 控制質量 熵方程 由熱流引起的那部分熵變稱為熱熵流 簡稱熵流 為熵產 為熵流 表明孤立系統(tǒng)內部進行的過程是可逆過程 表明孤立系統(tǒng)內部進行的過程是不可逆過程 使孤立系統(tǒng)的熵減小的過程是不可能發(fā)生的 或 孤立系熵增原理 孤立系統(tǒng)必為絕熱系統(tǒng) 孤立系統(tǒng)熵增原理 孤立系統(tǒng)的熵只能增大 或者不變 絕不能減小 第七章氣體和蒸汽的流動 1 沿流動方向上的一維問題 取同一截面上某參數的平均值作為該截面上各點該參數的值 2 可逆絕熱過程 流體流過管道的時間很短 與外界換熱很小 可視為絕熱 另外 不計管道摩擦 穩(wěn)定流動 流體在流經空間任何一點時 其全部參數都不隨時間而變化的流動過程 簡化假設 7 1穩(wěn)定流動的基本方程式 Ma0 截面擴張 1 噴管 dcf 0 的截面形狀與流速間的關系 縮放噴管 拉伐爾噴管 縮放噴管可實現氣流從亞聲速變?yōu)槌曀?在噴管最小截面 喉部截面或臨界截面 處Ma 1 在臨界截面處的參數稱為臨界參數 以下標cr表示 如 Ma 1 超聲速流動 dA0 截面擴張 2 擴壓管 dcf 0 的截面形狀與流速間的關系 第八章壓氣機的熱力過程 V 1 2 a b p V V2 p2 0 a 1 氣體引入氣缸 1 2 氣體在氣缸內進行壓縮 2 b 氣體流出氣缸 輸向儲氣筒 不是熱力過程 只是氣體的