工熱基本概念

1、l熱能動(dòng)力裝置：從燃料燃燒中得到熱能，利用熱能熱能動(dòng)力裝置：從燃料燃燒中得到熱能，利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備（包括輔助設(shè)備），統(tǒng)稱熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備（包括輔助設(shè)備），統(tǒng)稱熱能動(dòng)力裝置。動(dòng)力裝置。l熱能動(dòng)力裝置分：蒸汽動(dòng)力裝置、燃?xì)鈩?dòng)力裝置兩熱能動(dòng)力裝置分：蒸汽動(dòng)力裝置、燃?xì)鈩?dòng)力裝置兩大類。大類。內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)蒸汽動(dòng)力裝置蒸汽動(dòng)力裝置制冷機(jī)制冷機(jī)1-2 1-2 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對(duì)象人為地研究對(duì)象外界：外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)1、系統(tǒng)與邊界、系統(tǒng)與邊界邊界邊界(界面界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)系統(tǒng)與與外

2、界外界的作用都通過(guò)的作用都通過(guò)邊界邊界鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器過(guò)熱器過(guò)熱器只交換功只交換功只交換熱只交換熱既交換功既交換功也交換熱也交換熱真實(shí)、虛構(gòu)真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)固定、活動(dòng)以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無(wú)無(wú)是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開(kāi)口系開(kāi)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(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 開(kāi)口系開(kāi)口系非孤立系相關(guān)外界非孤立系相關(guān)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+

3、2+3+4 孤立系孤立系熱力系示例熱力系示例 1剛性絕熱氣缸剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲側(cè)設(shè)有電熱絲 紅線內(nèi)紅線內(nèi)閉口絕熱系閉口絕熱系黃線內(nèi)黃線內(nèi)不包含電熱絲不包含電熱絲閉口系閉口系黃線內(nèi)黃線內(nèi)包含電熱絲包含電熱絲閉口絕熱系閉口絕熱系蘭線內(nèi)蘭線內(nèi)孤立系孤立系 其它分類方式其它分類方式物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系工質(zhì)種類工質(zhì)種類多元系多元系單元系單元系相態(tài)相態(tài)多相多相單相單相1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)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

4、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(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)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(wú)關(guān)，只與狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：例：1.溫度變化溫度變化 2.山的高度變化山的高度變化強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物

5、質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如如壓力壓力 p、溫度溫度T廣延參數(shù)：廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性可加性 如如 質(zhì)量質(zhì)量m、容積容積 V、內(nèi)能內(nèi)能 U、焓焓 H、熵熵S比參數(shù)：比參數(shù)：比比容容VvmUum比比內(nèi)能內(nèi)能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵單位：?jiǎn)挝唬?kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比容、比容 v （容易測(cè)量）（容易測(cè)量）1 1、壓力、壓力 p 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)，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 mmH

6、g = 1.013 105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665 104 Pa示意圖一般是工質(zhì)一般是工質(zhì)絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力與與環(huán)境壓力環(huán)境壓力的相對(duì)的相對(duì)值值 相對(duì)壓力相對(duì)壓力注意：注意：只有只有絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 p 才是才是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 peebppp當(dāng)當(dāng) p 有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程例：例：活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.15米米/沖程沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度活塞運(yùn)動(dòng)速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速

7、度（聲速）壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時(shí)間破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）（馳豫時(shí)間）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程具體工程問(wèn)題具體分析。具體工程問(wèn)題具體分析。 系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系系統(tǒng)統(tǒng)與與外界外界同時(shí)同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程可逆過(guò)程。注意：注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不可逆過(guò)程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)

8、程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 + 無(wú)耗散效應(yīng)無(wú)耗散效應(yīng) = 可逆過(guò)程可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)摩擦使功通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)變熱的效應(yīng)(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(shì)差不平衡勢(shì)差不可逆根源不可逆根源 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng) 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng)不等溫傳熱不等溫傳熱T1T2T1T2Q節(jié)流過(guò)程節(jié)流過(guò)程 ( (閥門(mén)）閥門(mén)）p1p2p1p2混合過(guò)程混合過(guò)程自由膨脹自由膨脹真空真空 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化理想化過(guò)程，過(guò)程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程。過(guò)程。 可逆過(guò)程的功與熱可逆過(guò)程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)

9、內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)工質(zhì) 的的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過(guò)程可逆過(guò)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.可逆可逆=準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)沒(méi)有耗散效應(yīng) 2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 3.一切實(shí)際過(guò)程不可逆一切實(shí)際過(guò)

10、程不可逆 4.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示 5 .內(nèi)部可逆過(guò)程的概念內(nèi)部可逆過(guò)程的概念討論：討論：1-6 過(guò)程功和熱量過(guò)程功和熱量1 1、力學(xué)力學(xué)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(xué)熱力學(xué)定義定義(外文參考書(shū)外文參考書(shū)） a a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為唯一效果可歸結(jié)為取起重物取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。，此即為熱力系對(duì)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(dòng)下，通過(guò)的推動(dòng)下，通過(guò)有序有序運(yùn)運(yùn)

11、動(dòng)方式傳遞的能量動(dòng)方式傳遞的能量。功功的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式Fdxw Fdxw熱力學(xué)最常見(jiàn)的功熱力學(xué)最常見(jiàn)的功 容積變化功容積變化功 pdvwpdvw其他準(zhǔn)靜態(tài)功：其他準(zhǔn)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pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可視為可視為可逆過(guò)程可逆過(guò)程dl以汽缸中以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功化對(duì)外界作的功 W = p A dl =pdV1kg工質(zhì)工質(zhì) w =pdvdl 很小很小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 p 不變不變pp外外2mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV1kg

12、工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意： 上式僅適用于上式僅適用于可逆過(guò)程可逆過(guò)程pV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvWpV. .12. .2） p-V 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功的大小與路徑有關(guān)， 功是過(guò)程量功是過(guò)程量4）統(tǒng)一規(guī)定：統(tǒng)一規(guī)定：dV0，膨脹，膨脹 對(duì)外作功（對(duì)外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 外內(nèi)作功（外內(nèi)作功（負(fù)負(fù)）5）適于可逆過(guò)程的適于可逆過(guò)程的任何任何工質(zhì)（一般為流體）工質(zhì)（一般為流體）6）外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無(wú)有無(wú)f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為單位為 kJ 或或 kJ/kgWw若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統(tǒng)對(duì)外作功系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界將得到的功若外界將得到的功W 再返還給系統(tǒng)，系再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功統(tǒng)得到的功W 0 dS 0系統(tǒng)系統(tǒng)放熱放熱時(shí)為時(shí)為負(fù)負(fù) Q 0 dS pBAB非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，