工程熱力學(xué)-教案-第一講

｛導(dǎo)入新課｝工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)的作用：主要研究熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律、方法及提高轉(zhuǎn)化率的途徑，比擬集中地表現(xiàn)為能量方程。工程熱力學(xué)局部的主要內(nèi)容〔1〕根本概念與根本定律，如工質(zhì)、熱力系、熱力狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)及熱力過程、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律等等，這些根本概念和根本定律是全部工程熱力學(xué)的根底。〔2〕常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)。其主要內(nèi)容是理想氣體、水蒸氣、濕空氣等常用工質(zhì)的根本熱力性質(zhì)。工質(zhì)熱力性質(zhì)的研究是具體分析計算能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程的前提。〔3〕各種熱工設(shè)備的熱力過程。其主要內(nèi)容有理想氣體的熱力過程、氣體和蒸汽在噴管和擴(kuò)壓管中流動過程及蒸汽動力循環(huán)等熱力過程的分析計算。這些典型熱工設(shè)備熱力過程的分析計算，是工程熱力學(xué)應(yīng)用根本定律結(jié)合工質(zhì)特性和過程特性分析計算具體能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程完善性的方法例如。｛授課內(nèi)容｝工質(zhì)及氣態(tài)方程第一節(jié)工質(zhì)熱力系統(tǒng)第二節(jié)工質(zhì)的熱力狀態(tài)根本狀態(tài)參數(shù)第三節(jié)平衡狀態(tài)狀態(tài)方程第四節(jié)理想氣體狀態(tài)方程本章的主要內(nèi)容1、討論能量轉(zhuǎn)換過程中所涉及的各種根本概念；2、在以氣體為重要工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換過程中，介紹其狀態(tài)方程。本章的學(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，根本狀態(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。第一節(jié)工質(zhì)及狀態(tài)方程本節(jié)重點掌握熱力系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)這一概念之前先認(rèn)識一個概念：【工質(zhì)】1.什么是工質(zhì)?實現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換或熱能轉(zhuǎn)移的媒介物質(zhì)。2.工質(zhì)特性:可壓縮、易膨脹、易流動3.常用工質(zhì):熱機(jī)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。舉例從能量轉(zhuǎn)換方面：汽輪中的水蒸氣首先要知道汽輪機(jī)的工作過程，如圖示〔蒸汽動力循環(huán)示意圖〕該工作過程實現(xiàn)了熱能——>機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，水蒸氣作為該能量轉(zhuǎn)換過程中的媒介物質(zhì)，就是工質(zhì)。從能量轉(zhuǎn)移方面：制冷機(jī)中的制冷劑大家來看單機(jī)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖被制冷壓縮機(jī)壓縮后的低溫液態(tài)制冷劑流入蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器管壁吸收周圍介質(zhì)的熱量而沸騰氣化，使周圍介質(zhì)降低溫度或保持低溫狀態(tài)。這個過程實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)移，而不是轉(zhuǎn)換，制冷劑作為能量轉(zhuǎn)移的媒介物質(zhì)，就是工質(zhì)。【熱力系統(tǒng)】即“系統(tǒng)〞引入“熱力系統(tǒng)〞這個名詞的原因：做任何研究分析，首先必須明確研究對象，選定了熱力系統(tǒng)就明確了研究對象所包含的范圍和內(nèi)容，同時也清楚地顯示出它與周圍事物的相互關(guān)系，便于針對熱力系統(tǒng)建立定性和定量的關(guān)系。概念〔1〕熱力系統(tǒng)〔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象，并將之人為地劃分出來,稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)?？蔀檎鎸嵉奈镔|(zhì)、設(shè)備或假想的熱力學(xué)模型，如:泵中的水、汽輪機(jī)、卡諾熱機(jī)。如:對小球進(jìn)行受力分析〔2〕邊界：分割系統(tǒng)與外界的分界面?？蓪嶋H存在,亦可假想;可固定不動,亦可移動或變形。〔3〕外界：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，成為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的作用總是通過分界面進(jìn)行的，通常有三種形式：功交換，熱交換，物質(zhì)交換。分類根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質(zhì)或能量交換的特點，分為常見的以下幾種類型。〔1〕閉口系統(tǒng)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。如課本圖1-1a氣缸內(nèi)的氣體〔2〕開口系統(tǒng)與外界有能量、物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變?！?〕絕熱系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。事實上，自然界不存在完全隔熱的材料，因此絕熱系統(tǒng)只是當(dāng)系統(tǒng)與外界傳遞的熱量小到可以忽略不計時的一種簡化模式。例如汽輪機(jī)可以當(dāng)做絕熱系統(tǒng)來分析。〔4〕孤立系統(tǒng)與外界既無能量〔功、熱量〕交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。〔5〕特殊熱力系統(tǒng)：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)嵩矗晃諢崃康臒嵩捶Q為低溫?zé)嵩?。在工程熱力學(xué)中，最常見的熱力系統(tǒng)是簡單可壓縮系統(tǒng)，特點是系統(tǒng)與外界之間功量的交換只有體積變化功〔膨脹功或壓縮功〕一種形式。第二節(jié)工質(zhì)的熱力狀態(tài)及根本狀態(tài)參數(shù)系統(tǒng)與外界之間能夠進(jìn)行能量交換〔傳熱或做功〕的根本原因，在于兩者之間的熱力狀態(tài)存在差異。例如：鍋爐中的熱量傳遞是由于燃料燃燒生成的高溫?zé)煔馀c汽鍋內(nèi)汽水之間存在著溫度差。這種溫度上或者壓力上的差異標(biāo)志著工質(zhì)物理特性數(shù)值的不同。因此我們引入一下概念———【熱力狀態(tài)】一、熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)１．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)。反映了工質(zhì)大量分子熱運(yùn)動的平均特性。２．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)特征：〔1〕狀態(tài)參數(shù)的變化量只與初、終態(tài)有關(guān)，與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。〔2〕經(jīng)歷一個循環(huán)，狀態(tài)參數(shù)的變化量必為零?！?〕狀態(tài)參數(shù)與狀態(tài)一一對應(yīng)。常見的有：根本狀態(tài)參數(shù)——可直接或間接測量溫度〔T〕、壓力〔p〕、比體積〔v〕導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)——必須由根本狀態(tài)參數(shù)導(dǎo)出熱力學(xué)能〔U〕、焓〔H〕、熵〔S〕二、根本狀態(tài)參數(shù)１．溫度——用來標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。溫度是熱平衡的判據(jù)。溫度的測量:溫度計溫度的數(shù)值表示:溫標(biāo)溫標(biāo)溫度及符號單位攝氏溫標(biāo)攝氏溫度t℃熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫度TKT=t+273.15或T=t+2731K=1〔了解〕攝氏溫標(biāo)瑞典天文學(xué)家攝爾修斯〔Celsius〕于1742年建立。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熱力學(xué)溫標(biāo)英國物理學(xué)家開爾文〔Kelvin)在熱力學(xué)第二定律根底上建立，也稱絕對溫標(biāo)。用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點為基準(zhǔn)點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點溫度的1/273.16。2.壓力——指單位面積上承受的垂直作用力(即壓強(qiáng)).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〕，1Pa=1N/m1MPa=10kPa=10Pa看課本表1-1壓力單位換算表工程上常用彈簧管式壓力表和U型管壓力表測量氣體的壓力。三種壓力1、絕對壓力p2、表壓力pgppg+pb(pb:當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?3、真空度pvppbpv只有絕對壓力才是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，表壓力和真空度的數(shù)值都與當(dāng)?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)。〔看課本圖1-4p、pg、pv與pb間的關(guān)系〕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。假設(shè)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+1.0132510512.601325106〔Pa〕12.601325〔MPa〕凝汽器內(nèi)蒸汽的絕對壓力為ppbpv1.01325105951036.325103〔Pa〕6.325〔KPa〕假設(shè)題中沒有給出當(dāng)?shù)卮髿鈮海敲磳Ω邏喝萜魅b0.1MPa，此時鍋爐內(nèi)的蒸汽絕對壓力為ppg+pb12.5+0.112.6〔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