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工程熱力學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院汽車(chē)工程系1緒論工程熱力學(xué)是技術(shù)基礎(chǔ)課工程熱力學(xué)是有關(guān)能量的科學(xué)23氫、酒精等二次能源
燃料電池
電能
機(jī)械能
輻射能熱能風(fēng)能、水能、海洋能
機(jī)械
機(jī)械能直接利用發(fā)電機(jī)
煤、石油、天然氣
熱能熱機(jī)直接利用核能核反應(yīng)
太陽(yáng)能光合作用生物質(zhì)能燃燒食物利用集熱器光電池90%燃燒456目前通過(guò)熱能形式利用的能源在我國(guó)占總能源利用的90%以上,世界其它各國(guó)平均也超過(guò)85%。由此可見(jiàn),在能量轉(zhuǎn)換與利用過(guò)程中,熱能不僅是最常見(jiàn)的形式,而且具有特殊重要的作用。主要研究?jī)?nèi)容:熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)性的途徑和技術(shù)措施。78高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩村仩t汽輪機(jī)冷凝器水泵冷卻水過(guò)熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)9第一章基本概念1-1
熱機(jī)、工質(zhì)、熱源與熱力系統(tǒng)熱機(jī):
能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。如蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。
1011工質(zhì):
實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。
熱源:
本身熱容量很大,且在放出或吸收有限量熱量時(shí)自身溫度及其它熱力學(xué)參數(shù)沒(méi)有明顯變化的物體。
例如空氣、燃?xì)?、水蒸氣等?/p>
例如鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。
提供熱量的熱源稱(chēng)為高溫?zé)嵩?;吸收熱量的熱源稱(chēng)為低溫?zé)嵩础?2熱力系統(tǒng):
在工程熱力學(xué)中,通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對(duì)象,稱(chēng)之為熱力系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的物體稱(chēng)為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱(chēng)為邊界。
邊界閉口系統(tǒng)(1)閉口系統(tǒng)
與外界無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定,也稱(chēng)為控制質(zhì)量系統(tǒng)。
外界13(2)開(kāi)口系統(tǒng)
與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變,也稱(chēng)為控制容積系統(tǒng)。
進(jìn)口出口(3)絕熱系統(tǒng)
與外界沒(méi)有熱量交換的系統(tǒng)。(4)孤立系統(tǒng)
與外界既無(wú)能量(功、熱量)交換又無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。141-2
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(guān)物理狀況稱(chēng)為系統(tǒng)的熱力狀態(tài),簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)。
(2)平衡狀態(tài)
系統(tǒng)內(nèi)部各處的宏觀(guān)性質(zhì)均勻一致、不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)稱(chēng)為平衡狀態(tài)。
系統(tǒng)內(nèi)部不存在熱量傳遞,即各處的溫度均勻一致的狀態(tài)稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)。15(4)非平衡狀態(tài)
系統(tǒng)內(nèi)部存在不平衡勢(shì)(溫差或壓差),因此存在能量或質(zhì)量傳遞的宏觀(guān)物理狀況。非平衡狀態(tài)不能用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描寫(xiě)。
狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn):(3)狀態(tài)參數(shù)
用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱(chēng)為狀態(tài)參數(shù),如溫度、壓力、比體積等。
狀態(tài)確定,狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也確定,反之亦然;點(diǎn)函數(shù),只取決于初始與最終狀態(tài)。162.基本狀態(tài)參數(shù)
工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、比熱力學(xué)能、比焓、比熵等,其中可以直接測(cè)量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積,稱(chēng)為基本狀態(tài)參數(shù)。
(1)壓力單位面積上所受到的垂直作用力(即壓強(qiáng))單位:Pa
(帕),1Pa=1N/m2
,
1MPa=103
kPa=106
Pa
17常用非SI壓力單位:
1bar(巴)=105
Pa
1atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)
=1.013105
Pa
1at
(工程大氣壓)
=0.981105
Pa
1mmH2O(毫米水柱)
=9.81Pa1mmHg
(毫米汞柱)
=133.3Pa
18壓力測(cè)量:絕對(duì)壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv
只有絕對(duì)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(nèi)部微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。
當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí),它們之間將發(fā)生熱量傳遞,如果沒(méi)有其它物體影響,這兩個(gè)物體的溫度將逐漸趨于一致,最終將達(dá)到熱平衡(即溫度相等)。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。1)溫度的物理意義溫度相等熱平衡202)熱力學(xué)第零定律:
如果兩個(gè)物體中的每一個(gè)都分別與第三個(gè)物體處于熱平衡,則這兩個(gè)物體彼此也必處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測(cè)量的理論依據(jù)。ABC3)溫標(biāo):溫度的數(shù)值表示法。
建立溫標(biāo)的三個(gè)要素:
a.選擇溫度的固定點(diǎn),規(guī)定其數(shù)值;b.確定溫度標(biāo)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(cè)量的依據(jù)。21攝氏溫標(biāo):
在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,純水的冰點(diǎn)溫度為0℃
,純水的沸點(diǎn)溫度為100℃,純水的三相點(diǎn)(固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn))溫度為0.01℃
。
瑞典天文學(xué)家攝爾修斯(Celsius)于1742年建立。用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱(chēng)為攝氏溫度,用符號(hào)t表示,單位為℃。
選擇水銀的體積作為溫度測(cè)量的物性,認(rèn)為其隨溫度線(xiàn)性變化,并將0~100℃溫度下的體積差均分成100份,每份對(duì)應(yīng)1℃。
22
用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱(chēng)為熱力學(xué)溫度,用符號(hào)T
表示,單位為K(開(kāi))。熱力學(xué)溫標(biāo)(絕對(duì)溫標(biāo)):
英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文(Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立,也稱(chēng)開(kāi)爾文溫標(biāo)。
熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。
熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系:溫差:1K=1℃t=T
–273.15K23
國(guó)際單位制(SI)采用熱力學(xué)溫度T作為基本狀態(tài)參數(shù)。4)
溫度的測(cè)量a.
接觸式水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)熱電偶、電阻溫度計(jì)等。b.
非接觸式光學(xué)輻射高溫計(jì)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:?jiǎn)挝毁|(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積,用符號(hào)v表示,單位為m3/kg
。密度:?jiǎn)挝惑w積工質(zhì)的質(zhì)量,用符號(hào)表示,單位為kg/m3
。
比體積和密度二者相關(guān),通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。251-3
狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖(1)狀態(tài)公理
對(duì)于和外界只有熱量和體積變化功(膨脹功或壓縮功)的簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),只需兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)(如p、v,p、T
或v、T)便可確定它的平衡狀態(tài)。
(2)狀態(tài)方程式
表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱(chēng)為狀態(tài)方程式。如:26(3)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖
在以?xún)蓚€(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上,每一點(diǎn)都代表一個(gè)平衡狀態(tài)。
以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的坐標(biāo)圖。271-4
準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程
(1)熱力過(guò)程
系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的變化過(guò)程。
28(2)準(zhǔn)平衡過(guò)程(準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程)
所經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都無(wú)限地接近平衡狀態(tài)的過(guò)程。
在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上,準(zhǔn)平衡過(guò)程可以近似地用連續(xù)的實(shí)線(xiàn)表示。
在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢(shì)(如壓力差、溫度差等)較小、過(guò)程進(jìn)行較慢、弛豫時(shí)間非常短的情況下,可以將實(shí)際過(guò)程近似地看作準(zhǔn)平衡過(guò)程。pv1229(3)可逆過(guò)程
如果系統(tǒng)完成了某一過(guò)程之后可以沿原路逆行回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài),并且不給外界留下任何變化,這樣的過(guò)程為可逆過(guò)程。
實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程,如傳熱、混合、擴(kuò)散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。
可逆過(guò)程是一個(gè)理想過(guò)程??赡孢^(guò)程的條件:準(zhǔn)平衡過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)。301-5
功量與熱量
1.
功量與示功圖
(1)
膨脹功
工質(zhì)在體積膨脹時(shí)所作的功稱(chēng)為膨脹功。
符號(hào):W
單位:J
或kJ
對(duì)于微元可逆過(guò)程,對(duì)于可逆過(guò)程1~2:31
單位質(zhì)量工質(zhì)所作的膨脹功用符號(hào)w
表示,單位為J/kg
或kJ/kg。(2)
示功圖(p-v圖)
功是過(guò)程量而不是狀態(tài)量。膨脹:dv>0,w>0壓縮:dv<
0,w<0
w的大小可以p-v圖上的過(guò)程曲線(xiàn)下面的面積來(lái)表示。322.
熱量與示熱圖
(1)熱量
系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱(chēng)為熱量,符號(hào)為Q
,單位為J
或kJ。
單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q
表示,單位為J/kg
或kJ/kg。
熱量正負(fù)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(guò)程中所傳遞的能量,都是過(guò)程量而不是狀態(tài)量
33
在可逆過(guò)程中,系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計(jì)算公式具有相同的形式。
功量:熱量:
s
稱(chēng)為比熵。比熵同比體積v
一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。
比熵的定義式:
(可逆過(guò)程)比熵的單位為J/(kg·K)
或
kJ/(kg·K)
。
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