熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)-第1章ppt課件

1、2021/1/30,第一篇 工 程 熱 力 學(xué),2021/1/30,工程熱力學(xué)是從工程應(yīng)用的角度研究熱能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律,工程熱力學(xué)是各種動力裝置、制冷裝置、熱泵空調(diào)機 組、鍋爐及各種熱交換器進(jìn)行分析和計算的理論基礎(chǔ)。 本篇主要講述：熱力學(xué)的基本概念及基本定律（熱力 學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律）；理想氣體的熱力性質(zhì)和 熱力過程；參與能量轉(zhuǎn)換與傳遞的工作介質(zhì)（水蒸氣、混 合氣體、濕空氣等）的熱力性質(zhì)；蒸汽動力循環(huán)；氣體和 蒸汽的流動等工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識,2021/1/30,第一章 熱力學(xué)基本概念,2021/1/30,學(xué)習(xí)導(dǎo)引,本章介紹了許多重要的概念，對于后續(xù)內(nèi) 容的學(xué)習(xí)非常重要。在學(xué)

2、習(xí)過程中，應(yīng)注意把 相關(guān)的概念串接起來，既對單個概念的物理意 義有較深刻的理解，又能從整體上將這些概念 有機的聯(lián)系起來,2021/1/30,學(xué)習(xí)要求,理解工質(zhì)、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。 理解熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的定義；掌握狀態(tài)參數(shù)的特征、分 類，基本狀態(tài)參數(shù)的物理意義和單位；掌握絕對壓力、表壓 力和真空度的關(guān)系。 掌握平衡狀態(tài)的物理意義及實現(xiàn)條件。 了解狀態(tài)方程式及參數(shù)坐標(biāo)圖的物理意義及作用。 理解熱力過程、準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的物理意義與聯(lián)系， 能正確判定準(zhǔn)平衡過程和可逆過程,2021/1/30,本章難點,本章的許多概念比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)將抽 象的概念與具體的物理量或圖形聯(lián)系

3、起來。 在工程熱力學(xué)中普遍采用抽象和簡化的方法，為此， 應(yīng)對研究方法的實用性和科學(xué)依據(jù)有比較深刻的理解,2021/1/30,第一節(jié) 工質(zhì)和熱力系,一、工質(zhì) 實現(xiàn)能量傳遞與轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì),2021/1/30,蒸汽動力循環(huán)示意圖,2021/1/30,常用工質(zhì): 熱機循環(huán)中: 水蒸氣、空氣 、燃?xì)?、 制冷循環(huán) 、熱泵循環(huán)中: 氨 、氟里昂,2021/1/30,二、 熱力系、 邊界與外界,1. 熱力系 熱力學(xué)研究時，根據(jù)研究問題的需要人為選取一定的工質(zhì)或空間作為研通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。 可為真實的物質(zhì)、設(shè)備或假想的熱力學(xué)模型 如:泵中的水、汽輪機 、卡

4、諾熱機,2021/1/30,2. 外界 與熱力系相互作用的周圍物體。 3. 邊界 熱力系與外界之間的分界面。 可實際存在,亦可假想;可固定不動,亦可移動或變形,2021/1/30,邊界特性,真實、虛構(gòu),固定、活動,2021/1/30,三、 熱力系的分類,1）封閉熱力系,與外界有能量傳遞,無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量恒定不變,2021/1/30,2）開口熱力系 與外界有能量、 物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持變。 （3）絕熱熱力系 與外界沒有熱量交換的系統(tǒng),2021/1/30,4）孤立熱力系 與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng),2021/1/30,1 開口熱力系,熱力系,非孤立系

5、相關(guān)外界 孤立系,1+2 閉口熱力系,1+3 絕熱熱力系,1+2+3+4 孤立熱力系,2021/1/30,特殊熱力系,如:熱源 本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學(xué)參數(shù)沒有明顯變化的物體。 提供熱量的熱源稱為高溫?zé)嵩?；吸收熱量的熱源稱為低溫?zé)嵩?2021/1/30,第二節(jié) 工質(zhì)的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù),工質(zhì)在進(jìn)行熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換的過程中,其狀態(tài)不斷發(fā)生變化,低溫液態(tài),過熱蒸汽,2021/1/30,一、 熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),熱力狀態(tài) 工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。 狀態(tài)參數(shù) 描述工質(zhì)熱力狀態(tài)的宏觀的物理量。 狀態(tài)參數(shù)與狀態(tài)是一一對應(yīng)關(guān)

6、系，工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化其狀態(tài)參數(shù)也相應(yīng)變化。對應(yīng)于某個給定的熱力狀態(tài)，工質(zhì)的所有狀態(tài)參數(shù)都有各自確定的數(shù)值；反之，一組數(shù)值確定的狀態(tài)參數(shù)可以確定一個熱力狀態(tài),2021/1/30,狀態(tài)參數(shù)特征： 狀態(tài)參數(shù)的變化量只與初、終態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)歷的路徑無關(guān)。 經(jīng)歷一個循環(huán)，狀態(tài)參數(shù)的變化量必為零,2021/1/30,常用狀態(tài)參數(shù),基本狀態(tài)參數(shù) 溫度（T）、壓力（p）、比體積（v） 導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù) 熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S,可直接或間接測量,2021/1/30,二、 基本狀態(tài)參數(shù),溫度 用來標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。 溫度概念的建立以及溫度的測定都是以熱平衡為依據(jù)的 。 溫度的測量: 溫度計 溫度的

7、數(shù)值標(biāo)尺: 溫標(biāo),溫度相等,熱平衡,2021/1/30,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點溫度為0 ，純水的沸點溫度為100 ，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01,瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立,選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認(rèn)為其隨溫度線性變化，并將0 100 溫度下的體積差均分成100份，每份對應(yīng)1,攝氏溫標(biāo),2021/1/30,用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度,英國物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱絕對溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(冰、液體水和水蒸氣三相共存的平衡狀態(tài)）為基準(zhǔn)點，并定義其溫度為273.16 K。

8、溫差1K相當(dāng)于水的三相點溫度的1/273.16,熱力學(xué)溫標(biāo),基本狀態(tài)參數(shù),2021/1/30,溫差: 1 K = 1,T = t + 273.15 或 T = t + 273,熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系,273.15K是水的冰點的熱力學(xué)溫度，與水三相點的熱力學(xué)溫度相差0.01K,2021/1/30,基本狀態(tài)參數(shù),2. 壓力 指單位面積上承受的垂直作用力(即物理學(xué)中的壓強) . 氣體壓力的實質(zhì):大量分子向容器壁面撞擊的平均結(jié)果. 壓力的符號: p 壓力的單位: Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 1 MPa = 103 kPa =106 Pa,2021/1/30,工程上常用非SI壓力單位,

9、1 bar（巴） = 105 Pa,1 atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） = 1.01325105 Pa,1 at （工程大氣壓） = 9.80665104 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.80665 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.322 Pa,壓 力,2021/1/30,壓 力,壓力的測量: 測壓計,2021/1/30,壓 力,三種壓力 絕對壓力 p 表壓力 pg p pg + pb ( pb :當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?) 真空度 pv p pb pv,只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù),2021/1/30,p、pg、pv與pb間的關(guān)系,壓 力,p,pg,pb,p,pv,p=0,pb,2021/1

10、/30,例1-1 某蒸汽鍋爐壓力表讀數(shù)為12.5MPa，凝汽器的真空表讀數(shù)為95KPa。若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，試求鍋爐及凝汽器的絕對壓力為多少,解：由題意知，大氣壓力為pb1.01325105Pa。 鍋爐中蒸汽的絕對壓力為 ppg+pb12.5106+1.01325105 12.601325106（Pa） 12.601325（MPa） 凝汽器內(nèi)蒸汽的絕對壓力為 ppbpv1.0132510595103 6.325103（Pa） 6.325（KPa,2021/1/30,若題中沒有給出當(dāng)?shù)卮髿鈮海瑒t對高壓容器取pb0.1MPa，此時鍋爐內(nèi)的蒸汽絕對壓力為 ppg+pb12.5+0.112.6

11、（MPa） 計算誤差很小，可以忽略。但對凝汽器內(nèi)的蒸汽，其絕對壓力為 ppbpv0.1106951035103（Pa）5（KPa）由此引起的相對誤差20.9,可見，對于低壓或負(fù)壓空間，近似取值會引起很 大的誤差，計算應(yīng)用時必須采用真實大氣壓力,2021/1/30,基本狀態(tài)參數(shù),3. 比體積 指單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積, 用符號 v 表示，單位為 m3/kg 。 比體積是表示工質(zhì)內(nèi)部分子疏密程度的狀態(tài)參數(shù)，比體積越大，工質(zhì)內(nèi)部分子之間的距離越大，工質(zhì)內(nèi)部分子越稀疏。 比體積與密度,2021/1/30,第三節(jié) 平衡狀態(tài)和熱力過程,一、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式及狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 1. 平衡狀態(tài) 指在沒有

12、外界作用（重力場除外）的情況下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài);否則為非平衡狀態(tài)。 條件：力平衡、熱平衡 用狀態(tài)參數(shù)描述熱力系狀態(tài)特性，只有在平衡狀態(tài)下才有可能。 平衡狀態(tài)為理想狀態(tài),2021/1/30,一個熱力系，當(dāng)其內(nèi)部無不平衡的力，且作用在邊界上的力和外力平衡，則該熱力系處于力平衡；當(dāng)熱力系內(nèi)各點溫度均勻一致且等于外界溫度時，則該熱力系處于熱平衡。熱力系要達(dá)到平衡狀態(tài)，必須滿足力平衡和熱平衡這兩個條件。如熱力系內(nèi)還存在化學(xué)反應(yīng)，則尚應(yīng)包括化學(xué)平衡?？梢姡幱谄胶鉅顟B(tài)的熱力系其內(nèi)部各處都是相同的狀態(tài)，并且不會發(fā)生變化，因而可用確定的狀態(tài)參數(shù)加以描述,2021/1/30,2. 狀態(tài)方程式

13、,表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式 。 描述熱力狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)往往互有聯(lián)系，可用狀態(tài)方程式來表示。 對于氣態(tài)工質(zhì)組成的簡單熱力系，只需兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)就可確定其平衡狀態(tài)。 p f1（v，T） v f2（p，T） T f3（p，v,2021/1/30,3. 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,由任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成的平面坐標(biāo)圖 。 在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上， 每一點都代表一個平衡狀態(tài)。 如: p-v圖,2021/1/30,二、 熱力過程,熱力系從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程，簡稱過程。 熱力系的平衡狀態(tài)是不會自發(fā)地發(fā)生變化的，只有在外界條件改變的情況

14、下才會隨著改變。一切實際熱力過程都是熱力系與外界之間不平衡勢差（如溫度差、壓力差等）作用的結(jié)果。 對于實際的熱力過程，在過程中熱力系內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)由于各種因素的影響并不是統(tǒng)一改變的。 在實際的熱力過程中熱力系與外界交換功量時，不可避免地存在耗散效應(yīng)（通過摩擦、電阻、磁阻等使功變成熱的效應(yīng)）。 對于這些問題如果不作簡化處理，熱力過程的分析計算勢必非常困難。因此就有了準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的概念,2021/1/30,1. 準(zhǔn)平衡過程,過程中熱力系所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的熱力過程稱為準(zhǔn)平衡過程，或準(zhǔn)靜態(tài)過程。 準(zhǔn)平衡過程是一種理想過程。 在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進(jìn)行得足夠緩慢的情況下，可以將實際過程近似地看作準(zhǔn)平衡過程。 準(zhǔn)平衡過程可在參數(shù)坐標(biāo)圖上近似地用連續(xù)的實線表示。 熱力學(xué)中所研究的熱力過程，一般都指準(zhǔn)平衡過程,2021/1/30,2.