熱力學第一章

1、工程熱力學工程熱力學是重要的是重要的專業(yè)基礎課專業(yè)基礎課工程熱力學工程熱力學 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉換規(guī)律轉換規(guī)律 的科學的科學0-1 0-1 熱能及其利用熱能及其利用0-2 0-2 熱能轉換裝置的工作過程熱能轉換裝置的工作過程0-3 0-3 工程熱力學的研究對象及工程熱力學的研究對象及 其主要內容其主要內容l一次能源一次能源：自然界中以原有形式存在的、未經加工轉換的能量資源。l二次能源二次能源：由一次能源經過加工轉換以后得到的能源燒煤爐做飯？煤氣？水能？水電？熱熱 能能電電 能能機機 械械 能能 風風能能水水力力能能化化學學能

2、能核核能能地地熱熱能能太太陽陽能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光電轉換光電轉換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變燃燒燃燒水車水車水輪機水輪機風車風車熱機熱機電動機電動機發(fā)電機發(fā)電機90%轉轉換換直接利用直接利用供暖供暖0-2 0-2 熱能轉換裝置的工作過程熱能轉換裝置的工作過程一、蒸汽動力裝置的工作原理一、蒸汽動力裝置的工作原理 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 1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質（水，蒸工質（水，蒸 汽）汽）3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放

3、熱) )二、燃氣輪機裝置二、燃氣輪機裝置的工作原理的工作原理 l壓氣機壓氣機 從大氣環(huán)境吸從大氣環(huán)境吸氣，并將其壓縮，使得其壓氣，并將其壓縮，使得其壓力和溫度得以提高。力和溫度得以提高。l燃燒室燃燒室 空氣和燃料在空氣和燃料在其中混合并燃燒，得到高溫其中混合并燃燒，得到高溫高壓的燃氣。高壓的燃氣。l渦輪機渦輪機 高溫高壓的燃高溫高壓的燃氣推動渦輪機葉輪旋轉對外氣推動渦輪機葉輪旋轉對外輸出機械功。輸出機械功。l工質（空氣、燃氣）在裝置內周而復始地循環(huán)，進工質（空氣、燃氣）在裝置內周而復始地循環(huán)，進而實現將熱能轉換為機械能的任務。而實現將熱能轉換為機械能的任務。 1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質（

4、燃氣）工質（燃氣） 3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )壓壓氣氣機機燃燃氣氣輪輪機機燃燒室燃燒室空空氣氣廢廢氣氣燃燃料料三、內燃機的工作原理三、內燃機的工作原理 l進氣過程進氣過程 ：進氣閥開，排氣閥關，活：進氣閥開，排氣閥關，活塞下行，將空氣吸入氣塞下行，將空氣吸入氣 缸。缸。l壓縮過程壓縮過程 ：進、排氣門關，活塞上行：進、排氣門關，活塞上行壓縮空氣，使其溫度和壓縮空氣，使其溫度和 壓力得以升高。壓力得以升高。l燃燒過程燃燒過程 ：噴油嘴噴油，燃料燃燒，：噴油嘴噴油，燃料燃燒，氣體壓力和溫度急劇升高氣體壓力和溫度急劇升高 （燃料

5、的化學能轉換為熱能）。（燃料的化學能轉換為熱能）。l膨脹過程膨脹過程 ：高溫高壓氣體推動活塞下：高溫高壓氣體推動活塞下行，曲軸向外輸出機械功。行，曲軸向外輸出機械功。l排氣過程排氣過程 ：活塞接近下死點時，排氣：活塞接近下死點時，排氣門開，在壓差的作用下廢氣門開，在壓差的作用下廢氣 流出氣缸。流出氣缸。隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣缸。缸。l重復上述過程，將熱能轉換為機械能。重復上述過程，將熱能轉換為機械能。空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣壓縮壓縮點火點火膨脹膨脹排氣排氣內燃機內燃機裝置裝置基本特點基本特點1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質（燃氣）工質（燃氣）3

6、、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、加熱、加壓、加熱、 膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱)氣體膨脹做功氣體膨脹做功？四、蒸汽壓縮制冷裝置四、蒸汽壓縮制冷裝置 l壓氣機壓氣機 吸入來自蒸發(fā)器吸入來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽，將其壓縮的低壓蒸汽，將其壓縮 ( 耗耗功功 ) 產生高溫高壓的蒸汽。產生高溫高壓的蒸汽。l冷凝器冷凝器 使氣體冷凝，得使氣體冷凝，得到常溫高壓的液體。到常溫高壓的液體。l節(jié)流閥節(jié)流閥 使液體降壓，產使液體降壓，產生低壓低溫的液體。生低壓低溫的液體。l蒸發(fā)器蒸發(fā)器 工質吸收冷藏庫工質吸收冷藏庫內的熱量，汽化為低壓氣內的熱量，汽化為低壓氣體，使冷體，使冷 庫降溫。庫降溫。 制冷空調制冷空

7、調裝置裝置基本特點基本特點1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質（制冷劑）工質（制冷劑）3、得到容積變化功得到容積變化功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、放熱、加壓、放熱、 膨脹、吸熱膨脹、吸熱)熱力熱力裝置裝置共同基本特點共同基本特點 1、熱源，冷源熱源，冷源 2、工質工質 （實現能量轉換時所需要的工作物質）（實現能量轉換時所需要的工作物質） 3、容積變化功容積變化功 4、循環(huán)循環(huán) 1、能量轉換的基本定律能量轉換的基本定律 2、工質的基本性質與熱力過程工質的基本性質與熱力過程 3、簡單熱功轉換及其工作原理簡單熱功轉換及其工作原理l 抓住主線抓住主線l 理論聯系實際理論聯系實際l 重視基本技能訓練重視基本技能訓

8、練 分析計算能力、實驗技能分析計算能力、實驗技能 認真完成作業(yè)認真完成作業(yè)1-1 熱力系統熱力系統1-2 狀態(tài)狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)1-3 熱力狀態(tài)參數熱力狀態(tài)參數1-4 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數坐標圖狀態(tài)方程、狀態(tài)參數坐標圖1-5 準靜態(tài)過程和可逆過程準靜態(tài)過程和可逆過程1-6 功和熱量功和熱量1-7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)1-1 熱力系統熱力系統 一、系統、外界與邊界一、系統、外界與邊界熱力系統熱力系統(熱力系、系統熱力系、系統)：人為地研究對象：人為地研究對象外界外界：系統以外的所有物質：系統以外的所有物質邊界邊界(界面界面)：系統與外界的分界面：系統與外界的分界面真實、虛構真實、虛構固定、活動固定

9、、活動封閉熱力系（閉口系）封閉熱力系（閉口系） 只與外界有能量交換而無物質交換只與外界有能量交換而無物質交換開口熱力系開口熱力系( (開口系開口系) ) 與外界既有能量交換又有物質交換與外界既有能量交換又有物質交換孤立系孤立系 與外界既無能量交換又無物質交換與外界既無能量交換又無物質交換二、熱力系的分類二、熱力系的分類以系統與外界關系劃分：以系統與外界關系劃分： 有有 無無是否傳質是否傳質 開口系開口系 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 孤立系孤立系歸納：歸納： 其它分

10、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)多相多相單相單相最重要的最重要的系統系統 簡單可壓縮系統簡單可壓縮系統只交換只交換熱量熱量和和一種一種準靜態(tài)的準靜態(tài)的容積變化功容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹功膨脹功1-2 狀態(tài)狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數一、狀態(tài)與狀態(tài)參數 狀態(tài)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況 狀態(tài)參數狀態(tài)參數：描述系統所處狀態(tài)的宏觀物理量。：描述系統所處狀態(tài)的宏觀物理量。二、平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)二、平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)：熱

11、力系宏觀性質不隨時間變化。：熱力系宏觀性質不隨時間變化。 非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)：熱力系宏觀性質隨時間變化。：熱力系宏觀性質隨時間變化。三、平衡狀態(tài)的判據三、平衡狀態(tài)的判據1、力平衡、力平衡 2、熱平衡、熱平衡 3、相平衡、相平衡 4、化學平衡、化學平衡1-3 熱力狀態(tài)參數熱力狀態(tài)參數一、定義：用于描述熱力系狀態(tài)的宏觀特性量。一、定義：用于描述熱力系狀態(tài)的宏觀特性量。二、特點二、特點1、與狀態(tài)一一對應，完全取決于狀態(tài)。、與狀態(tài)一一對應，完全取決于狀態(tài)。2、狀態(tài)變化時，狀態(tài)參數只取決于、狀態(tài)變化時，狀態(tài)參數只取決于初、終初、終兩態(tài)，兩態(tài)，與變化路徑無關。與變化路徑無關。三、分類三、分類1、強度參數

12、強度參數：與質量無關，且不可相加的狀態(tài)：與質量無關，且不可相加的狀態(tài)參數。如壓力參數。如壓力P、溫度、溫度T、密度、密度、比焓、比焓h、比熵、比熵s、比容、比容、比內能、比內能u2、廣延參數廣延參數：與質量成正比且可以相加的狀態(tài)：與質量成正比且可以相加的狀態(tài)參數。如容積參數。如容積V、內能、內能U、熵、熵S四、基本狀態(tài)參數四、基本狀態(tài)參數（一）壓力（一）壓力1、定義：單位面積上承受的垂直作用力。即、定義：單位面積上承受的垂直作用力。即該公式計算的是工質的真正壓力，也稱絕對壓力。該公式計算的是工質的真正壓力，也稱絕對壓力。微觀上看：工質的壓力是物質微觀粒子對器壁撞擊的微觀上看：工質的壓力是物質微

13、觀粒子對器壁撞擊的 總效果?？傂Ч?。 2、單位：、單位：1Pa=1N/m21kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa（？估算水銀密度？）（？估算水銀密度？）標準大氣壓標準大氣壓1atm=760mmHg=1.01325 105 Pa工程大氣壓工程大氣壓1at=1kgf/cm2= 9.80665104 PaAFPn注意：注意：只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才是才是狀態(tài)參數狀態(tài)參數當當 p pb表壓力表壓力 pg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)過程例：例：活塞式內燃機活塞式

14、內燃機 2000轉轉/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉，轉，0.15米米/沖程沖程活塞運動速度活塞運動速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）壓力波恢復平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復平衡所需時間恢復平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。具體工程問題具體分析。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 可視為可視為準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程dx以汽缸中以汽缸中mkg工質為系統工質

15、為系統mkg工質發(fā)生容積變工質發(fā)生容積變化對外界作的功化對外界作的功 W = p A dx =pdV1kg工質工質 w =pdvdx 很小很小，近似認為近似認為 p 不變不變pp外外2mkg工質：工質： W =pdV1kg工質：工質： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式僅適用于上式僅適用于準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程pV. .12. .pp外外21mkg工質：工質： W =pdV21WpdV1kg工質：工質： 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，功的大小與路徑有關， 過程量過程量4）統一規(guī)定：統一規(guī)定：dV

16、0，膨脹，膨脹 對外作功（對外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 對對內作功（內作功（負負）5）適于適于準靜態(tài)下準靜態(tài)下的的任何任何工質（一般為流體）工質（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統內部參數外力無限制，功的表達式只是系統內部參數7）有無有無f，只影響系統功與外界功的大小差別，只影響系統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系統對外作功系統對外作功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，系再返還給系統，系統得到的功統得到的功WT2Q節(jié)流過程節(jié)流過程 (

17、 (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程 自由膨脹自由膨脹真空真空 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內系統內工質工質 的的狀態(tài)參數狀態(tài)參數表達，可不考慮系統與外界表達，可不考慮系統與外界 的復雜關系，易分析。的復雜關系，易分析。（為什么？）（為什么？） 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， 用系統參數加以分析，然后考慮不可逆

18、用系統參數加以分析，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 在在力力方向上的位移方向上的位移2、熱力學熱力學定義定義I：當熱力系與外界發(fā)生能量當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結為舉起唯一效果可歸結為舉起重物重物，此即為熱力系對外作功。，此即為熱力系對外作功。 熱力學熱力學定義定義II：功是系統與外界相互作用功是系統與外界相互作用的一種方式，在的一種方式，在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運動方運動方式傳遞的能量式傳遞的能量。一、功一、功3、功的計算式、功的計算式 物理上為物理上為: W=Fx 若系統內外力平衡若系統內外力平衡FdxW pAdxpdVxp二、熱量二、熱量 1、定義：、定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作用的另是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在一種方式，在溫度溫度的推動下，以微觀的推動下，以微觀無序無序運動運動方式傳遞的方式傳遞的能量。能量。 2、熱量的表達式、熱量的表達式 考慮：考慮： W=pdV 式中：式中：p為壓差是作功的驅動力為壓差是作功的驅動力, dV表示表示熱力系是否作功熱力系是否作功 對于熱量對于熱量Q： 熱傳遞的