工程熱力學-CHEP1-2013

1、3一、熱能動力裝置一、熱能動力裝置(Thermal power plant) 定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備的整套設備。分分類類共同本質：共同本質：由媒介物通過吸熱由媒介物通過吸熱膨脹作功膨脹作功排熱排熱 氣體動力裝置氣體動力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機內(nèi)燃機(internal combustion gas engine) 燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置(gas turbine power plant) 噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機(jet power plant) 蒸氣動力裝置蒸氣動力裝置 (ste

2、am power plant)熱能和機械能相互轉換的過程熱能和機械能相互轉換的過程 內(nèi)內(nèi) 燃燃 機機小型燃氣輪機裝置小型燃氣輪機裝置渦扇噴氣發(fā)動機示意圖渦扇噴氣發(fā)動機示意圖電廠汽輪機車間電廠汽輪機車間8二、工質二、工質(working substance; working medium)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質。定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質。對工質的要求對工質的要求:物質三態(tài)中物質三態(tài)中氣態(tài)氣態(tài)最適宜最適宜。 1）膨脹性）膨脹性 2）流動性）流動性 3）熱容量）熱容量 4）穩(wěn)定性，安全性）穩(wěn)定性，安全性 5）對環(huán)境友善）對環(huán)境友善 6）價廉，易大量獲?。﹥r廉，易大量

3、獲取9三、熱源三、熱源(heat source; heat reservoir) 定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統(tǒng)。定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統(tǒng)。 高溫熱源高溫熱源熱源熱源 （ heat source ） 低溫熱源低溫熱源冷源（冷源（heat sink） 恒溫熱源恒溫熱源(constant heat reservoir) 變溫熱源變溫熱源熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)( (熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng)) )：用界面分離出的研究對象。：用界面分離出的研究對象。外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質：系統(tǒng)以外的所有物質1 1、系統(tǒng)與邊界、系統(tǒng)與邊界邊界邊界( (界面界面) )：系統(tǒng)與外界的分界：系統(tǒng)與

4、外界的分界面（真實的，虛構的）面（真實的，虛構的）系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界外界的作用都通過的作用都通過邊界邊界11二、系統(tǒng)及邊界示例二、系統(tǒng)及邊界示例 汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機12 汽缸汽缸- -活塞裝置（閉口系例）活塞裝置（閉口系例） 13 移動和虛構邊界移動和虛構邊界14 1）系統(tǒng)與外界的人為性）系統(tǒng)與外界的人為性 2）外界與環(huán)境介質）外界與環(huán)境介質 3）邊界可以是：）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的實際的或虛擬的注意：注意：以系統(tǒng)與外界關系劃分：以系統(tǒng)與外界關系劃分： 有有 無無是否傳質是否傳質 開口系開

5、口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質是否傳熱、功、質 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系加熱器加熱器冷空氣冷空氣熱空氣熱空氣控制界面控制界面開口系統(tǒng)開口系統(tǒng)熱源熱源系統(tǒng)系統(tǒng)外界外界孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)邊界孤立系統(tǒng)邊界1234mQW1 開口系開口系非孤立系相關外界非孤立系相關外界孤立系孤立系1+2 閉口系閉口系1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系孤立系 其它分類方式其它分類方式 物理化學性質物理化學性質 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系工質種類工質種類多元系多元系單元系單元系相態(tài)相態(tài)多相

6、多相單相單相狀態(tài)：狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)參數(shù)的特征特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無關，只與初終態(tài)有關與路徑無關，只與初終態(tài)有關3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分：全微分 狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。初終態(tài)有關。數(shù)學上：數(shù)學上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)點函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz212,

7、12, 112abzzdzdzdz例：溫度變化例：溫度變化山高度變化山高度變化設設 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要條件：充要條件：22zzx yy x 可判斷是否可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù)22系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件 系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有所有狀態(tài)參數(shù)一一對應相等狀態(tài)參數(shù)一一對應相等 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩個獨立的兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應相等狀態(tài)參數(shù)對應相等壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比容、比容 v （容易測量）（容易測

8、量）1 1、壓力壓力 p 物理中物理中壓強壓強，單位單位: Pa , N/m2常用單位：常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665 104 Pa一般是一般是工質工質絕對壓力絕對壓力與與環(huán)境壓力環(huán)境壓力的的相對值相對值 相對壓力相對壓力注意：注意：只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才才是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)當當 p pb表壓力表壓力 peebppp當當 p 有足夠時間恢復新平衡有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 系統(tǒng)經(jīng)

9、歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系系統(tǒng)統(tǒng)與與外界外界同時同時恢復到初始狀態(tài)，而不留恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為下任何痕跡，則此過程為可逆過程可逆過程。注意：注意：可逆過程只是指可能性，并不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。是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程與準靜態(tài)過程的關系可逆過程與準靜態(tài)過程的關系非準靜態(tài)非準靜態(tài)不可逆不可逆準靜態(tài)準靜態(tài)可逆可逆單純傳熱過程單純傳熱過程54非準靜態(tài)過程非準靜態(tài)過程 (nonequilibrium process)準靜態(tài)過程，不可逆準靜態(tài)過程，不可逆準靜態(tài)過程，可逆準靜態(tài)過程，可逆bcospAFfp Abco

10、spAFfp Abcos(0)pAFp Af作功過程作功過程pFfpb準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 + 無耗散效應無耗散效應 = 可逆過程可逆過程無不平衡勢差無不平衡勢差通過摩擦使功通過摩擦使功變熱的效應變熱的效應(摩阻，電阻，摩阻，電阻，非彈性變性，非彈性變性，磁阻等）磁阻等） 不平衡勢差不平衡勢差不可逆根源不可逆根源 耗散效應耗散效應 耗散效應耗散效應不等溫傳熱不等溫傳熱T1T2T1T2Q自由膨脹自由膨脹真空真空節(jié)流過程節(jié)流過程 ( (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程 準靜態(tài)過程是實際過程的準靜態(tài)過程是實際過程的理想化理想化過程，過程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過程，可逆過程是過程，可逆過

11、程是最優(yōu)最優(yōu)過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質工質 的的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界表達，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復雜關系，易分析。的復雜關系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。1 1、力學力學定義定義: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、熱力學熱力學定義定義(外文參考書外文參考書） a a、當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞

12、當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的時，如果對外界的唯一效果可歸結為唯一效果可歸結為取起重物取起重物，此即為熱力系對外作功。，此即為熱力系對外作功。 b b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在種方式，在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運運動方式傳遞的能量動方式傳遞的能量。功功的一般表達式的一般表達式Fdxw Fdxw熱力學最常見的功熱力學最常見的功 容積變化功容積變化功 pdvwpdvw其他準靜態(tài)功：其他準靜態(tài)功：拉伸功拉伸功，表面張力功表面張力功，電功電功等等鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器623可逆過程功的計算可

13、逆過程功的計算212211ddWWpA xp V功是過程量功是過程量功可以用功可以用p- -v圖上過程圖上過程線線與與v軸包圍的面積表示軸包圍的面積表示pV. .12. .pp外外21mkg工質：工質： W =pdV21WpdV1kg工質：工質： w =pdv21wpdvW64 系統(tǒng)對外作功為系統(tǒng)對外作功為“+ +”外界對系統(tǒng)作功為外界對系統(tǒng)作功為“- -”5功和功率的單位：功和功率的單位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ4功的符號約定：功的符號約定：656討論討論有用功有用功(useful work)概念概念pluWWWW其中其中:W膨脹功膨脹功(compr

14、ession/expansion work)； Wl摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大氣功。排斥大氣功。pbf66用外部參數(shù)計算不可逆過程的功用外部參數(shù)計算不可逆過程的功21dWpVVpAHpW00?67二、廣義功二、廣義功(generalized work)簡介簡介彈性力功彈性力功表面張力功表面張力功 電極化功及磁化功等電極化功及磁化功等1 1、熱量熱量定義：定義： 熱力系通過邊界與外界的交換的熱力系通過邊界與外界的交換的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不確切）（不確切）。 另一定義：另一定義：熱量熱量是熱力系與外界是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在相互作用的另一種方式，在溫度溫

15、度的推的推動下，以微觀動下，以微觀無序無序運動方式傳遞的運動方式傳遞的能能量量。熱量是否可以用類似于功的式子熱量是否可以用類似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量性質性質 過程量過程量 過程量過程量推動力推動力 壓力壓力 p 溫度溫度 T標志標志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq條件條件 準靜態(tài)或可逆準靜態(tài)或可逆 可逆可逆revQdSTreversible熵的簡單引入熵的簡單引入revqdsT比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg.Kds: 可逆過程可逆過程 qrev除以傳熱時的除以傳熱時的T所得的所得的

16、商商 清華大學清華大學劉仙洲劉仙洲教授命名為教授命名為“熵熵”廣延量廣延量 kJ/K1 1、熵熵是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 3、熵熵的物理意義：的物理意義：熵熵體現(xiàn)了體現(xiàn)了可逆過程可逆過程 傳熱的傳熱的大小大小與與方向方向2、符號符號規(guī)定規(guī)定系統(tǒng)系統(tǒng)吸熱吸熱時時為為正正 Q 0 dS 0系統(tǒng)系統(tǒng)放熱放熱時時為為負負 Q 0 dS 04、用途：用途：判斷熱量方向判斷熱量方向 計算可逆過程的傳熱量計算可逆過程的傳熱量pVWTSQ 示功圖示功圖溫熵溫熵(示熱示熱)圖圖pdVWTdSQ74熱量與功的異同：熱量與功的異同： 1.均為通過邊界傳遞的能量；均為通過邊界傳遞的能量； 3.功傳遞由壓力差推動，比體積變

17、化是作功標志；功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志； 4.功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；的能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。用而傳遞的能量。功功2.均為過程量；均為過程量；熱是無條件的；熱是無條件的；熱熱功是有條件、限度的。功是有條件、限度的。要實現(xiàn)要實現(xiàn)連續(xù)連續(xù)作功，必須構成作功，必須構成循環(huán)循環(huán)定義：定義： 熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)不可逆循環(huán)分類：分類：可逆可逆過程過程不可逆不可逆循環(huán)循環(huán)可逆循環(huán)可逆循環(huán)pVTS凈效應：對外作功凈效應：對外作功凈效應：吸熱凈效應：吸熱正循環(huán)：順時針方向正循環(huán)：順時針方向2112pVTS凈效應：對內(nèi)作功凈效應：對內(nèi)作功凈效應：放熱凈效應：放熱逆循環(huán)：逆時針方向逆循環(huán)：逆時針方向2112正循環(huán)：凈效應（對外作功，吸熱）正循環(huán)：凈效應（對外作功，吸熱）1WQ收 益代 價凈 功吸 熱WT1Q1Q