熱工基礎(chǔ)第一章

1、第一章第一章 基本概念基本概念系統(tǒng)系統(tǒng)1、熱機(jī)、熱機(jī)能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱熱 能能電電 能能機(jī)機(jī) 械械 能能風(fēng)風(fēng)能能水水能能化化學(xué)學(xué)能能核核能能地地?zé)釤崮苣芴栮柲苣芄怆娹D(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變?nèi)紵紵囁囁啓C(jī)水輪機(jī)風(fēng)車風(fēng)車熱機(jī)熱機(jī)電動機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 熱熱 機(jī)機(jī) 種種 類類 發(fā)電（火力、核能）發(fā)電（火力、核能） 40% 車輛發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）車輛發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)） 2535% 輪船發(fā)動機(jī)輪船發(fā)動機(jī) 2535% 航空發(fā)動機(jī)航空發(fā)動機(jī) 2030%能量利用率能量利用率火電廠系統(tǒng)圖火電廠系統(tǒng)圖火力發(fā)電裝置火力發(fā)電裝置鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪

2、機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 給水泵給水泵 凝凝汽汽器器過熱器過熱器 基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)工質(zhì)（水，蒸汽）（水，蒸汽）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、放熱) )航空發(fā)動機(jī)（燃?xì)庋h(huán)）航空發(fā)動機(jī)（燃?xì)庋h(huán)）活塞活塞燃?xì)獍l(fā)電裝置燃?xì)獍l(fā)電裝置活塞活塞燃?xì)庋b置燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓┕べ|(zhì)（燃?xì)猓?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(jī)機(jī)燃燃?xì)鈿廨嗇啓C(jī)機(jī)燃燒室燃燒室空空氣氣廢廢氣氣單缸汽油發(fā)動機(jī)構(gòu)造（內(nèi)燃機(jī)）單缸汽油

3、發(fā)動機(jī)構(gòu)造（內(nèi)燃機(jī)） 圖6-15 單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖-火花塞 2-氣缸蓋 3-出水口 4-氣缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞銷 9-進(jìn)水口 10-連桿 11-飛輪 12-曲軸 13-機(jī)油管 14-曲軸箱 15-機(jī)油泵 16-曲軸正時(shí)齒輪 17-凸輪正時(shí)齒輪 18-凸輪軸 19-排氣管20-進(jìn)氣管 21-進(jìn)氣門 22排氣門 23-化油器內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)裝置裝置空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣點(diǎn)火點(diǎn)火膨脹膨脹排氣排氣內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)裝置裝置基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：1、熱源，冷源、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、工質(zhì)（燃?xì)猓?、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

4、膨脹做功、放熱)制冷空調(diào)制冷空調(diào)裝置裝置基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：1、熱源，冷源、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）、工質(zhì)（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)動力動力裝置裝置共同基本特點(diǎn)：共同基本特點(diǎn)： 1、熱源，冷源熱源，冷源 2、工質(zhì)工質(zhì) 3、容積變化功容積變化功 4、循環(huán)循環(huán) 1-1 1-1 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))：人為選取：人為選取的研究對象的研究對象外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、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)

5、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熱力系統(tǒng)選取的人為性熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋鍋爐爐汽輪機(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熱器過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邊界特性邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動固定、活動熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 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(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 開口系開口系系統(tǒng)系統(tǒng)非

6、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+2+3+4 孤立系孤立系熱力系統(tǒng)其它分類方式熱力系統(tǒng)其它分類方式 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)多相多相單相單相簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)只交換只交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)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)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：狀態(tài)：某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的

7、宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)描述工質(zhì)平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)的物理量的物理量狀態(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(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)與路徑無關(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：全微分強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無關(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

8、、熱力學(xué)能熱力學(xué)能 U、焓焓 H、熵熵S比參數(shù)：比參數(shù)：比比體積體積VvmUum比比熱力學(xué)能熱力學(xué)能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵單位：單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)1-3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比體積、比體積 v （容易測量）（容易測量）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 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.8066

9、5 104 Pa 1 psi=0.006895MPa壓力壓力p測量測量一般是一般是工質(zhì)工質(zhì)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)絕對壓力與相對壓力絕對壓力與相對壓力當(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)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：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)動速度活塞運(yùn)動速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)

10、平衡速度（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）一般的工程過程都可認(rèn)為是一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)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。“突然突然”“”“緩慢緩慢”準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功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(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程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)生容積變化對外界作的功化對外界作的功 W = p A

11、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 不變不變準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外外2mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意： 上式僅適用于上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖示功圖pV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvW準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明pV. .12. .2） p-V 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的功的大小與路徑有關(guān)大小與路徑有關(guān)， 功是功是過程量過程量4）統(tǒng)

12、一規(guī)定：統(tǒng)一規(guī)定：dV0，膨脹，膨脹 對外作功（對外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 外內(nèi)作功（外內(nèi)作功（負(fù)負(fù)）5）適于適于準(zhǔn)靜態(tài)下準(zhǔn)靜態(tài)下的的任何任何工質(zhì)（一般為流體）工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無有無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摩擦損失的影響摩擦損失的影響若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統(tǒng)對外作功系統(tǒng)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(tǒng)，系再返還給系統(tǒng)，

13、系統(tǒng)得到的功統(tǒng)得到的功W T2Q自由膨脹自由膨脹真空真空典型的不可逆過程典型的不可逆過程節(jié)流過程節(jié)流過程 ( (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)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(tǒng)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)際過程不是可逆過程，但為了研究方實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按便

14、，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。完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 內(nèi)部可逆，外部不可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆 外部可逆，內(nèi)部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆 常見常見90 0 例：例：內(nèi)可逆內(nèi)可逆外不可逆外不可逆1-7 功功 量量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(外文參考書外文參考書） 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)，如果對外界的時(shí)，如果對外界

15、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(yùn)運(yùn)動方式傳遞的能量動方式傳遞的能量。例：火力發(fā)電裝置例：火力發(fā)電裝置鍋鍋爐爐汽輪機(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熱器過熱器功的表達(dá)式功的表達(dá)式功功的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式dwF xdwF x熱力學(xué)最常見的功熱力學(xué)最常見的功 容積變化功容積變化功 dwp vdwp v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1-8 熱熱 量量 與

16、與 熵熵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相是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在互作用的另一種方式，在溫度溫度的推動下，的推動下，以微觀以微觀無序無序運(yùn)動方式傳遞的運(yùn)動方式傳遞的能量能量。熱熱 量量 如如 何何 表表 達(dá)達(dá) ？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”熱量與容積變化功熱量與容積變化功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(zhì)性質(zhì) 過程量過程量 過程量過程量推動

17、力推動力 壓力壓力 p 溫度溫度 T標(biāo)志標(biāo)志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆熵（熵（ Entropy）的定義的定義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(shí)的除以傳熱時(shí)的T所得的所得的商商 廣延量廣延量 kJ/K熵的說明熵的說明1 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、正負(fù)號正負(fù)號規(guī)定規(guī)定系統(tǒng)系統(tǒng)吸熱吸熱時(shí)時(shí)為為正正 Q 0 dS 0系統(tǒng)系統(tǒng)放熱放熱時(shí)時(shí)為為負(fù)負(fù) Q 0 dS pBAB非準(zhǔn)靜態(tài)過程，非可逆過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程，非可逆過程取取A或或B中