蒸汽動力系統(tǒng)：1.1工程熱力學基礎知識

1、1,第1章,工程熱力學基礎知識,2,工程熱力學,熱力學的一個分支，它主要研究熱能轉變?yōu)闄C械能的規(guī)律以及提高轉變效率的途徑。 主要相關設備：蒸汽發(fā)生器、汽輪機、凝汽器、凝結水泵、給水泵 二回路生產(chǎn)流程的基本原理,3,熱能轉變?yōu)闄C械能的基本路徑,吸熱 膨脹 做功,4,工程熱力學的知識體系,1個循環(huán)：朗肯循環(huán)。目標 兩類（4種）熱力過程。組成 兩個定律：熱力學第一、二定律 五個參數(shù)：溫度、壓力、比容、焓、熵 1種工質：水。熱力性質,5,工程熱力學的重要知識點,工質及其狀態(tài)參數(shù) 功和P-V圖，熱量和T-S圖 穩(wěn)定流動能量方程與焓 水蒸汽在定壓下的形成過程 熱力學第二定律 朗肯循環(huán),6,1.1 基本概念

2、,1.1.1 工質和與熱力學系統(tǒng),工質：,實現(xiàn)熱能和機械能之間轉換的媒介物質。 例如空氣、燃氣、水蒸氣等。,7,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參數(shù)沒有明顯變化的物體。,例如鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。,提供熱量的熱源稱為高溫熱源；吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。,8,熱力學系統(tǒng)：,在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，稱之為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。選取熱力系統(tǒng)必須具有足夠大的尺寸（物質的微觀尺度）。系統(tǒng)以外的物體稱為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。,9,（1）閉口系統(tǒng),與外界無物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質量始終保持恒定，也稱為控制質量系統(tǒng)。

3、,邊界,閉口系統(tǒng),外界,10,（2）開口系統(tǒng),與外界有物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統(tǒng)。,11,（3）絕熱系統(tǒng),與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。,（4）孤立系統(tǒng),與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質交換的系統(tǒng)。,注意：絕熱和孤立系統(tǒng)是相對概念。,12,1.1.2 平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1. 平衡狀態(tài),（1）狀態(tài)（熱力狀態(tài)）,系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。,13,（2）平衡狀態(tài),系統(tǒng)內部各處的宏觀性質均勻一致,不隨時間而變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。 達到平衡狀態(tài)的條件： 1、力平衡（內：壓力均勻，外：無壓差） 2、熱平衡（內：溫度均勻，外：無

4、溫差） 意義：系統(tǒng)簡化為點,14,（3）非平衡狀態(tài),系統(tǒng)內部存在不平衡勢（溫差或壓差），因此存在能量或質量傳遞的宏觀物理狀況。 非平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)不確定，不能用狀態(tài)參數(shù)來描寫。,15,狀態(tài)參數(shù)的特點：,（4）狀態(tài)參數(shù),用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、比體積等。,具有點函數(shù)性質，只是狀態(tài)的函數(shù)，與如何達到該狀態(tài)的過程/路徑無關。狀態(tài)確定，狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也確定，反之亦然。,16,2. 基本狀態(tài)參數(shù),工程熱力學中常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。,（1）壓力,單位面積上所受到的垂直

5、作用力（即壓強）,單位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 ，,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,17,常用非SI壓力單位：,1 bar（巴） = 105 Pa,1 atm（標準大氣壓） = 1.013105 Pa,1 at （工程大氣壓） = 0.981105 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa,18,壓力測量：,絕對壓力 p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv,只有絕對壓力 p 才是狀態(tài)參數(shù)。,19,（2）溫度,溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內部微觀粒子熱運動的強弱。,當兩個溫

6、度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù) 。,1）溫度的物理意義,20,2）熱力學第零定律：,如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。,熱力學第零定律是溫度測量的理論依據(jù) 。,3）溫標：,溫度的數(shù)值表示法。,建立溫標的三個要素：,a . 選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；b. 確定溫度標尺的分度方法和單位；c. 選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的 依據(jù)。,21,攝氏溫標:,在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0 ，純水的沸點溫度為100 ，純

7、水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01 。,瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t 表示，單位為 。,選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認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1 。,22,用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T 表示，單位為 K（開）。,熱力學溫標（絕對溫標）:,英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。,熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16 K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。,

8、熱力學溫標與攝氏溫標的關系：,溫差:1 K = 1 ,t = T 273.15 K,23,國際單位制（SI）采用熱力學溫度T作為基本狀態(tài)參數(shù)。,4) 溫度的測量,a. 接觸式,水銀溫度計、酒精溫度計,熱電偶、電阻溫度計等。,b. 非接觸式,光學輻射高溫計,激光全息干涉儀,CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法,24,（3）比體積,定義：,單位質量的工質所占有的體積，用符號v表示，單位為 m3/kg 。,密度：,單位體積工質的質量，用符號 表示，單位為 kg/ m3 。,比體積和密度二者相關，通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù) 。,25,1.1.3 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖,（1）狀態(tài)公理 對于和外界只有熱

9、量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）的簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個獨立的參數(shù)（如p、v，p、T 或v、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。,26,（2）狀態(tài)方程式,表示狀態(tài)參數(shù)之間關系的方程式稱為狀態(tài)方程式 。如：,27,（3）狀態(tài)參數(shù)坐標圖,在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)。,以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的坐標圖。,28,1.1.4 準平衡過程和可逆過程,（1）熱力過程,系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的變化過程，也簡稱過程 。 實際過程一定是不平衡的。,29,（2）準平衡過程（準靜態(tài)過程）,所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。,在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準平衡過程可以近似地用連續(xù)的

10、實線表示。,在系統(tǒng)內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行較慢、弛豫時間（在無外界作用時，從非平衡態(tài)趨近平衡態(tài)所需時間）非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作準平衡過程。,30,（3）可逆過程,如果系統(tǒng)完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復到原來的狀態(tài)，并且不給外界留下任何變化，這樣的過程為可逆過程。,實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等 。,可逆過程是一個理想過程?？赡孢^程的條件：準平衡過程無耗散效應（無摩擦、粘性擾動、溫差傳熱等，即無功的損失）。,31,1.1.5 示功圖與示熱圖,熱力系統(tǒng)與外界之間的2種能量交換形式： 1、功W： W0系統(tǒng)對外界

11、做功, W0 系統(tǒng)吸收外界的熱量, Q 0 系統(tǒng)對外界放熱量, 用熱力過程線，記載功：示功圖，P-V圖 用熱力過程線，記載熱：示熱圖，T-S圖,32,1. 功量與示功圖,(1) 膨脹功,工質在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。,符號：W,單位：J 或 kJ,對于微元可逆過程，,對于可逆過程12：,33,單位質量工質所作的膨脹功用符號w 表示，單位為J/kg 或 kJ/kg。,膨脹：dv 0 , w 0,壓縮：dv 0 , w 0,34,(2) 示功圖（p-v圖）,w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示 。 功是過程量而不是狀態(tài)量。,35,2. 熱量與示熱圖,（1）熱量,系統(tǒng)與外界之間依靠

12、溫差傳遞的能量稱為熱量，符號為Q ，單位為J 或kJ。,單位質量工質所傳遞的熱量用q 表示，單位為 J/kg 或 kJ/kg。,熱量正負的規(guī)定：,系統(tǒng)吸熱：q 0 ;,系統(tǒng)放熱：q 0 。,熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量。,36,在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。,功量：,熱量：,s 稱為比熵。比熵同比體積 v 一樣是工質的狀態(tài)參數(shù)。,比熵的定義式：,（可逆過程）,比熵的單位為J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。,37,對于質量為 m 的工質，,S為質量為 m 的工質的熵，單位是 J/K。,根據(jù)熵的變化判斷

13、一個可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：,38,（2）示熱圖（T-s圖）,在可逆過程中單位質量工質與外界交換的熱量可以用T-s 圖（溫熵圖）上過程曲線下的面積來表示。,溫熵圖也稱示熱圖,39,P-V圖與T-S圖的對比,理解S的來歷：,40,1. 功量與示功圖,功與膨脹功 功與壓容圖：示功圖,41,功與膨脹功,功被定義為力及沿力方向所產(chǎn)生位移的乘積。,膨脹功是氣體體積變化而與外界交換的功。,壓縮：dv 0 , w 0（水泵、壓氣機）,膨脹：dv 0 , w 0（汽輪機、燃機）,42,設氣缸中盛有1kg氣體，缸內裝有一個無摩擦可移動的活塞，其截面積為f，若缸內氣體壓力為P，作用于活塞外測的力為

14、Fout，且作用于活塞里側的力Pf稍大于外側的力Fout，則氣體將發(fā)生膨脹而使活塞向右移動dx的距離。則缸內氣體對活塞所作的功為： 當此1kg氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時，所作的膨脹功為： （J/kg）,43,功與壓容圖,功在p-v圖上可用過程線與v軸包圍的面積表示。,45,2. 熱量與示熱圖,46,功 與 熱量,作功 與 傳熱 是能量傳遞的兩種基本方式 “功”是由壓力差的作用而傳遞的能量； “熱量”是由溫差的作用而傳遞的能量。 二者都是能量在傳遞過程中的度量，且可相互轉換。,47,示功對示熱的示范,功：,熱量：,比熵的定義式：,比熵的單位為J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。,熱量與溫熵圖,熱量是由溫度差的作用而產(chǎn)生的能量?？赡孢^程中過程中的傳熱量可表示如下： 由此得到熵的定義式：,p-v圖和T-s圖,功可用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示；熱量可用T-s圖上過程線與s軸包圍的面積表示，所以p-v圖和T-