工程热力学和传热学和流体力学初级.pptx
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1、1第一篇第一篇工程热力学工程热力学EngineeringThermodynamics1.熟悉热力学基本概念:热力系统、热力平衡状态及工质状态参数等2.掌握理想气体和实际气体的性质、混合气体的性质及相关参数的计算3.掌握气体热力过程的能量交换及参数变化4.掌握热力学第一定律的实质及应用、理想气体模型及其状态方程5.掌握热力学第二定律的实质及表达、卡诺循环和卡诺定理6.熟悉朗肯循环、再热循环、回热循环、热电循环2第一节第一节 热力系统热力系统Thermodynamicsystem一、一、一、一、系统、边界与外界系统、边界与外界系统、边界与外界系统、边界与外界系统:热设备中分离出来作为热力学研究对象
2、的物体系统:热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体系统:热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体系统:热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体外界:外界:外界:外界:surroundingsurrounding系统之外与系统有关的物体系统之外与系统有关的物体系统之外与系统有关的物体系统之外与系统有关的物体边界:边界:边界:边界:boundaryboundary系统与外界的分界面系统与外界的分界面系统与外界的分界面系统与外界的分界面边界可以是假想的,也可以是实际存在的,可以是固定的,也可以是边界可以是假想的,也可以是实际存在的,可以是固定的,也可以是边界可以是假想的,也可以是实际存在的,可以是
3、固定的,也可以是边界可以是假想的,也可以是实际存在的,可以是固定的,也可以是移动的。通常用虚线标出。移动的。通常用虚线标出。移动的。通常用虚线标出。移动的。通常用虚线标出。QW 膨胀中的燃气膨胀中的燃气系统的边界系统的边界 流动中的工质流动中的工质系统的边界系统的边界34二、系统的类型二、系统的类型1.1.1.1.按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式系统与外界有三种相互作用形式:质、功、热质、功、热(1 1)开口系统:开口系统:开口系统:开口系统:opensystemopensystem系统与外界有
4、系统与外界有系统与外界有系统与外界有物质交换物质交换物质交换物质交换工质流入工质流入工质流出工质流出QW系统边界系统边界 稳定流动开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统不稳定流动开口系统56(2 2 2 2)闭口系统:)闭口系统:)闭口系统:)闭口系统:closedsystemclosedsystem系统与外界无系统与外界无系统与外界无系统与外界无物质交换物质交换物质交换物质交换()闭口系统的质闭口系统的质量保持恒定,保持质量量保持恒定,保持质量恒定的系统是闭口系统。恒定的系统是闭口系统。QW 膨胀中的燃气膨胀中的燃气系统的边界系统的边界闭口系统具有恒定质量,但具有恒定质量闭口系统具有恒定
5、质量,但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统的系统不一定都是闭口系统。78(3 3 3 3)绝热系统:)绝热系统:)绝热系统:)绝热系统:adiabaticsystemadiabaticsystem系统与外系统与外系统与外系统与外界没有热量交换界没有热量交换界没有热量交换界没有热量交换.冷源QW 把冷源包括在内的绝热系统把冷源包括在内的绝热系统自然界不存在理想的绝热系统,只有当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时,可以看做是绝热系统。汽轮机、喷管一般都看做绝热系统。9(4 4 4 4)孤立系统:)孤立系统:)孤立系统:)孤立系统:isolatedsystemisolatedsystem系统与
6、外界既系统与外界既系统与外界既系统与外界既没有物质交换,也没有热和功的交换。没有物质交换,也没有热和功的交换。没有物质交换,也没有热和功的交换。没有物质交换,也没有热和功的交换。自然界中绝对的孤立系统是不存在的,有时候把研究对象连同与它直接相关的外界用一个新的边界包围起来,可以共同看做是一个孤立系统。()一切热力系统连同与之相互作用的外界可以抽象为孤立系统。10一、工质一、工质一、工质一、工质(working substance;working medium)(working substance;working medium)(working substance;working medium)
7、(working substance;working medium)1.定义:实现热能和机械能相互转化,或传定义:实现热能和机械能相互转化,或传递热能的媒介物质递热能的媒介物质例如:例如:电站锅炉的水蒸气电站锅炉的水蒸气燃烧形成的烟气燃烧形成的烟气气缸中的燃气气缸中的燃气工质种类有:气态、液态和固态工质种类有:气态、液态和固态第二节第二节工质及基本状态参数工质及基本状态参数物质三态物质三态中气态最中气态最适宜适宜112.对工质的要求对工质的要求:1 1)膨胀性)膨胀性 2 2)流动性)流动性 3 3)热容量)热容量 4 4)稳定性,安全性)稳定性,安全性 5 5)对环境友善)对环境友善 6 6
8、)价廉,易大量获取)价廉,易大量获取12二、工质的基本状态参数二、工质的基本状态参数系统中某一瞬时表现的工质热力性质的总状系统中某一瞬时表现的工质热力性质的总状态称为工质的热力状态,简称状态态称为工质的热力状态,简称状态热力状态反映的是工质大量分子热运动的平热力状态反映的是工质大量分子热运动的平均特性。均特性。热力系统中工质的状态可以用描述各种宏观热力系统中工质的状态可以用描述各种宏观状态特性的物理量来表示,这些物理量被称状态特性的物理量来表示,这些物理量被称为状态参数为状态参数凡是能从任何一方面说明工质所处状态的物凡是能从任何一方面说明工质所处状态的物理量均为状态参数理量均为状态参数131.
9、1.1.1.常用状态参数:常用状态参数:常用状态参数:常用状态参数:压力、温度、比容、密度、内能、焓和熵压力、温度、比容、密度、内能、焓和熵压力、温度、比容、密度、内能、焓和熵压力、温度、比容、密度、内能、焓和熵重要特征:重要特征:重要特征:重要特征:1 1 1 1)状态参数的数值由系统的状态唯一)状态参数的数值由系统的状态唯一)状态参数的数值由系统的状态唯一)状态参数的数值由系统的状态唯一性确定;性确定;性确定;性确定;2 2 2 2)当系统从初态变为终态时)当系统从初态变为终态时)当系统从初态变为终态时)当系统从初态变为终态时,状态参数的状态参数的状态参数的状态参数的变化量变化量变化量变化
10、量,只与系统的初、终状态有关只与系统的初、终状态有关只与系统的初、终状态有关只与系统的初、终状态有关,而与变化的途而与变化的途而与变化的途而与变化的途径无关。径无关。径无关。径无关。状态参数是系统状态的单值函数或点函数状态参数是系统状态的单值函数或点函数状态参数是系统状态的单值函数或点函数状态参数是系统状态的单值函数或点函数,状态状态状态状态参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数是否为状态参数的是否为状态参数的是否为状态参数的是否为状态参数的充分和必要条件充分和必要条件充分
11、和必要条件充分和必要条件。功和热量是过程量功和热量是过程量,不仅与初、终状态参数有关,不仅与初、终状态参数有关,还与过程有关。还与过程有关。142.状态参数分类状态参数分类强度量强度量尺度量尺度量压力、温度压力、温度比容、热力学能(内能)、焓、熵比容、热力学能(内能)、焓、熵基本参数基本参数导出参数导出参数压力、温度、比容压力、温度、比容热力学能热力学能(内能)(内能)、焓、熵、焓、熵()状态参数的变化只与系统的初、终状态有关,而与变化途径无关。()功也是状态参数,其变化只与系统的初、终状态有关。()热量是状态参数,其变化只与系统的初、终状态有关。153.基本状态参数基本状态参数a.a.a.a
12、.压力:压力:压力:压力:系统表面单位面积上的垂直作用力。系统表面单位面积上的垂直作用力。系统表面单位面积上的垂直作用力。系统表面单位面积上的垂直作用力。(1)(1)压力的单位:压力的单位:压力的单位:压力的单位:1N/m1N/m1N/m1N/m2 2 2 2=1Pa(=1Pa(=1Pa(=1Pa(帕)帕)帕)帕)1MPa=101MPa=101MPa=101MPa=106 6 6 6Pa Pa Pa Pa;1bar=101bar=101bar=101bar=105 5 5 5PaPaPaPa(2)(2)(2)(2)大气压力大气压力大气压力大气压力B B B B(mmHgmmHgmmHgmmHg
13、):):):):1mmHg1mmHg1mmHg1mmHg133.3Pa133.3Pa133.3Pa133.3Pa 标准大气压(标准大气压(标准大气压(标准大气压(atm)atm)atm)atm):1atm=0.101325MPa1atm=0.101325MPa1atm=0.101325MPa1atm=0.101325MPa(3)(3)(3)(3)绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力P P P P、表压力、表压力、表压力、表压力PgPgPgPg、真空度、真空度、真空度、真空度H H H H相对压力相对压力绝对压力绝对压力系统真实压力(是状态参数)系统真实压力(是状态参数)表压力表压力表压力表压力Pg
14、PgPgPg真空度真空度真空度真空度H H H H系统相对与大气压力的系统相对与大气压力的数值(不是状态参数)数值(不是状态参数)16U U形管式压力计示意图形管式压力计示意图真空度U U形管式压力计示意图形管式压力计示意图17()压力表显示的压力是状态参数18b.b.b.b.温度:温度:温度:温度:表征物体冷热程度的物理量。表征物体冷热程度的物理量。表征物体冷热程度的物理量。表征物体冷热程度的物理量。(1)(1)(1)(1)热平衡定律热平衡定律热平衡定律热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律)两个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系统处于热平衡两
15、个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系这两个系这两个系这两个系统彼此之间必定处于热平衡。统彼此之间必定处于热平衡。统彼此之间必定处于热平衡。统彼此之间必定处于热平衡。(2)(2)(2)(2)温标温标温标温标 :温度的数值表示法温度的数值表示法实用温标实用温标t摄氏温标摄氏温标国际单位制规定,单位:开(国际单位制规定,单位:开(K)热力学温标热力学温标Tt(C)=T(K)-273.15温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量19热平衡定律(热力学第零定律)热平衡定律(热力学第零定律):分别与第三分别与第三个系统处于热平衡(
16、相互之间没有热量传递)的两个个系统处于热平衡(相互之间没有热量传递)的两个系统,它们彼此也必定处于热平衡。(这是由实验、系统,它们彼此也必定处于热平衡。(这是由实验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。)经验中得到的。不可以由其它定律推出。)既然两个(或多个)独立的系统各自处于一定状既然两个(或多个)独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的,那么,这两个(或多个)系统具有态时是热平衡的,那么,这两个(或多个)系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描述。一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描述。温度的定义:标志系统热平衡性质的物理量温度的定义:标志系统热平衡性质的物理量为温度。一切处于热
17、平衡的物体,其温度相等。上述为温度。一切处于热平衡的物体,其温度相等。上述第三个系统,可作为测量温度的仪器,叫温度计。第三个系统,可作为测量温度的仪器,叫温度计。温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。它是描述热力学平衡系统的一个状态参数,是强度量。它是描述热力学平衡系统的一个状态参数,是强度量。20体积体积体积体积V V V V:工质所占有的空间:工质所占有的空间:工质所占有的空间:工质所占有的空间 mm3 3比容比容比容比容(比体积比体积比体积比体积):单位质量工质所占有的体积:单位质量工质所占有的体积:单位质量工质所占有的体积:单位质量工质所占有的
18、体积 m m m m3 3 3 3/kg/kg/kg/kg密度密度密度密度:单位体积工质所具有的质量:单位体积工质所具有的质量:单位体积工质所具有的质量:单位体积工质所具有的质量kgkgkgkg/m/m/m/m3 3 3 3c.c.比容和密度比容和密度比容和密度不是两个独立的状态参数,一个已知,另一比容和密度不是两个独立的状态参数,一个已知,另一个也就确定了。个也就确定了。21第第三三节节理想气体定律理想气体定律一、理想气体与实际气体一、理想气体与实际气体1.理想气体理想气体是一种实际上不存在的假想气体,这是一种实际上不存在的假想气体,这种气体分子本身不占有体积,分子之间完全没有引种气体分子本
19、身不占有体积,分子之间完全没有引力。力。2.实际气体实际气体是气体的状态处于很高的压力或很低是气体的状态处于很高的压力或很低的温度,气体有很高的密度,以至于分子本身的体的温度,气体有很高的密度,以至于分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略的气体。积及分子间的相互作用力不能忽略的气体。理想气体实质上就是实际气体的压力理想气体实质上就是实际气体的压力p0或或比容比容v0时的极限状态的气体时的极限状态的气体22(1)当气体分子本身的体积与整个气体的容积相比微不足道,)当气体分子本身的体积与整个气体的容积相比微不足道,而且由于气体分子的平均距离相当大以至于分子间的引力可而且由于气体分子的平均距离相
20、当大以至于分子间的引力可以忽略到不计时,实际气体可以看作是理想气体以忽略到不计时,实际气体可以看作是理想气体(2)实际应用时,气体温度不太低,压力不很高,比容比较)实际应用时,气体温度不太低,压力不很高,比容比较大,且距离液态比较远时,可以看成是理想气体大,且距离液态比较远时,可以看成是理想气体理想气体氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳空气、烟气空气、烟气实际气体锅炉产生的水蒸气、制冷剂蒸气、石油气锅炉产生的水蒸气、制冷剂蒸气、石油气23为什么要讨论不存在的理想气体为什么要讨论不存在的理想气体?在工程中具有很重要的实用价值和理论意义。在工程中具有很重要的实用价值和理论
21、意义。1、在通常的工作参数范围内,按理想气体、在通常的工作参数范围内,按理想气体性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确度,其误差在工程上往往是允许的。对于一般的度,其误差在工程上往往是允许的。对于一般的气体热力发动机和热工设备中的气体工质,在无气体热力发动机和热工设备中的气体工质,在无特殊精确度要求的情况下,多可按理想气体性质特殊精确度要求的情况下,多可按理想气体性质进行热力计算。进行热力计算。2、理想气体性质是研究工质热力性质的基、理想气体性质是研究工质热力性质的基础。理想气体性质反映了气态工质的基本特性,础。理想气体性质反映了气态工质的基本特性
22、,更精确的气体、蒸气的热力性质表达式,往往可更精确的气体、蒸气的热力性质表达式,往往可以在理想气体性质的基础上引入各种修正得出。以在理想气体性质的基础上引入各种修正得出。24二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程ideal-gasequation;Clapeyronsequation(克拉贝隆方程)25举例例1容积为2m3的压缩空气罐上的压力表指针指示为1.5MPa,此时的温度为20,试计算罐中空气质量,已知空气气体常数R为287J/(kgK)。解:pVmRT 绝对压力:p1.50.11.6MPa1.6106Pa气体体积:V2m3绝对温度:T20273293K那么,26二、理想气体状态方程的
23、应用二、理想气体状态方程的应用1.波义耳马略特定律波义耳马略特定律对于一定量的理想气体,当温度不变时,压力与比容对于一定量的理想气体,当温度不变时,压力与比容(或容积)成反比。(或容积)成反比。2.查理斯定律查理斯定律对于一定量的理想气体,当比容(或容积)不变时,压对于一定量的理想气体,当比容(或容积)不变时,压力与绝对温度成反比。力与绝对温度成反比。3.给给 吕萨克定律吕萨克定律对于一定量的理想气体,当比容(或容积)不变时,压对于一定量的理想气体,当比容(或容积)不变时,压力与绝对温度成反比。力与绝对温度成反比。274.理想气体状态方程的另外一种表示28例例2:某燃气加热炉每小时耗气量为:某
24、燃气加热炉每小时耗气量为200m3,燃气供气压力为燃气供气压力为30KPa(表压)(表压),温度为温度为15,当地大气压为,当地大气压为95KPa,请核算一,请核算一下,燃气加热炉每小时实际消耗燃气多少标准立方米?(标准下,燃气加热炉每小时实际消耗燃气多少标准立方米?(标准状态大气压按状态大气压按105Pa,温度按,温度按273K计。)计。)29例3:某燃气用气设备,燃气供气压力为1000103Pa(表压),温度为20,当地大气压为95103Pa。试问:当燃气流量计显示的实际用气量为5000m3时,经温度压力校正后,燃气用气量应为多少标准立方米?(标准状态大气压按105Pa,温度按273K计。
25、)30三、摩尔、摩尔容积及气体常数三、摩尔、摩尔容积及气体常数1.摩尔摩尔物质的量的单位。物质的量的单位。热力学中是以气体中所包含的分子数目与热力学中是以气体中所包含的分子数目与0.012kg碳碳-12的原子数目相等时气体的质量,称为的原子数目相等时气体的质量,称为1mol。热力学中常以热力学中常以n表示千摩尔表示千摩尔kmol为单位。为单位。1kmol就等于该物质的分子量对应的千克数。就等于该物质的分子量对应的千克数。1kmol氧气氧气32kg各种气体的千摩尔数等于该气体的质量各种气体的千摩尔数等于该气体的质量m除以除以该气体的分子量该气体的分子量M312.摩尔容积摩尔容积对于任何理想气体,
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