热力学全册配套完整课件3.ppt
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1、热力学全册配套完整课件热力学全册配套完整课件31 热力学基本概念1.1.1 热力学系统的定义系 统 (System): 作为热力学研究对象的物质或空间被称为热力学系统,简称热力系。边 界 (Boundary):将系统从其周围环境中分离出来的,真实的或是假想的表面称为边界。环境 (Surrounding):又称为外界,热力系边界以外的任何物质与空间均称为环境。1.1 热力学系统热力学系统热力系的边界可以是真实的也可以是假想的;可以是固定的也热力系的边界可以是真实的也可以是假想的;可以是固定的也可以是可变的可以是可变的封闭热力系封闭热力系 (Closed system ) : 1.1.2 热力系的
2、分类热力系的分类与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系,也称与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系,也称为闭口系。为闭口系。 ( 因热力系内部质量不变又被称为控制因热力系内部质量不变又被称为控制质量质量 Control Mass )开口热力系开口热力系(Opened system ): 和外界既有能量交换又有物质交换的热力系和外界既有能量交换又有物质交换的热力系 (也称为也称为控制体积控制体积control volume )孤立热力系孤立热力系 : 与外界既无能量交换也无物质交换的热力系与外界既无能量交换也无物质交换的热力系 宇宙宇宙1.2 状态与平衡状态与平衡1.2.1 状态状态 某一时刻热
3、力系所有宏观特性量的集合叫做状态1.2.2 状态的分类状态的分类: 平衡态平衡态: 系统中任何一部份的特性完全相同。系统中任何一部份的特性完全相同。 系统中任何一部份的特性不随时间变化。系统中任何一部份的特性不随时间变化。非平衡态非平衡态:1.2.3 平衡的条件平衡的条件热平衡热平衡力平衡力平衡化学平衡化学平衡相平衡相平衡1.3 系统的状态参数系统的状态参数1.3.1 定义定义从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为状态参数状态参数1.3.2 状态参数的特征状态参数的特征只与状态一一对应,而与状态变化时所经历的中间只与状态一一对应,而与状态变化时
4、所经历的中间过程无关过程无关用数学描述,即为:用数学描述,即为:dx = 01.3.3 状态参数的分类状态参数的分类强度参数:强度参数: 与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数,如:与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数,如:温度温度(T)、压力(强)、压力(强)(P)等等广延参数:广延参数: 与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数,如:与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数,如:质量质量(m)、体积体积(V)、焓、焓(H)、熵、熵(S)等等比参数:比参数: 单位化(质量或摩尔)的广延参数,如:单位化(质量或摩尔)的广延参数,如: 比容比容(v=V/m)、比焓、比焓(h=H/m)、比熵
5、、比熵(s=S/m)等等比参数具有强度参数的性质比参数具有强度参数的性质1.4 基本状态参数基本状态参数1.4.1.1 压力的定义物理中压强AFP 单位单位: SI: Pa-N/m2 English: psi-bf/in2压力、温度、比容易于测量1.4.1 压力(Pressure) 1bar=105 Pa = 0.1 MPa 1 kgf/cm21atm=101,325 Pa 1 bar =14.696 psi常用压力单位有:MPa,bar,kgf/cm21.4.2 表压力和真空度 绝对压力绝对压力: 某一给定点的实际压力“实际”二字指由公式 P=F/A计算所得值压力表表压力表压力:绝对压力高于
6、大气压(Pb)的部分,以 Pg 表达bPPPg真空度真空度:绝对压力低于大气压的部分,以 Pv表示 PPPbvpbpgppvp绝对压力?表压力? 真空度? woooooooo!哪一个是状态参数? 1.4.2.1 热力学第零定律热力学第零定律 如果两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡,那么这两个热力系之间必然互相处于热平衡。1.4.2 温度(Temperature)我认为应该是指物体冷热的程度。 对么?什么是温度?首先由 R. H. Fowler于1931年提出If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they ar
7、e also in thermal equilibrium with each other.处于同一热平衡状态的各个热力系,必定有某一宏观处于同一热平衡状态的各个热力系,必定有某一宏观特征彼此相同,用于描述此宏观特征的物理量特征彼此相同,用于描述此宏观特征的物理量 温度温度。1.4.2.2 温度的热力学定义温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量1.4.2.3 温标温标的三要素 : 0点点 两个基准点两个基准点 ( 易于重现易于重现 ) 标度标度温标温度的标度历史上的温标SI: 摄氏温标(Celesuis scale) English: 华氏温标(Fahrenheit scale)F
8、ormerly called the centigrade scale, in 1948 it was renamed after the Swedish astronomer A.Celsuis (1701-1744)named after the German instrument maker G.Fahrenheit (1686-1736)SI: 开氏温标(Kelvin scale)English: 朗肯温标(Rankine scale)热力学温标:温标间关系:15.273)C()K(。TT67.459)F()R(。TT)K(8 . 1)R(TT32)C(8 . 1)F(。TT约定:今后
9、用摄氏温标表示的温度用字母 t 指代,用开氏温标表示的温度用 T 指代。1.4.2.4 常用温度测量仪表日常:水银温度计日常:水银温度计,酒精温度计,酒精温度计, thermometer工业:热电偶工业:热电偶 Thermocouple 热电阻热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计辐射温度计Radiation thermometer计量:铂电阻温度计计量:铂电阻温度计 Platinum1.4.3 比容( specific volume )mVv m3/kg1.5 状态公理状态公理热力系的状态是由状态参数描述的。热力系的状态是由状态参数描述的。但是需要
10、已知多少个状态参数就可以确定一个但是需要已知多少个状态参数就可以确定一个状态呢?需要穷举法么?状态呢?需要穷举法么?状态公理状态公理 对于可压缩纯物质体系,只要对于可压缩纯物质体系,只要“两个两个” 独立的强度独立的强度参数就可以确定其状态参数就可以确定其状态这里的“纯”,主要指相态纯,并非指单质1 . 6 热力学状态参数图由于两个独立状态参数决定一个状态,那么用二维的坐标图显示状态就顺理成章 pv平衡态非平衡态常用的状态参数坐标图有: p-v 图, T-s 图, h-s 图1 . 7 过程与循环过程与循环1.7.1过程过程 热力系从一个平衡态变化到另一个平衡态所经历所有状态的集合 古典热力学
11、只研究平衡态,既然平衡还怎么变化呢?准静态过程准静态过程:如果一个热力过程进行得无限缓慢使得过程进行时热力系内部随时都无限逼近于平衡态,则此过程为准静态过程可逆过程可逆过程:如果一个过程能够逆向发生,并且逆向进行时不会出现任何因耗散效应产生的痕迹,则此过程为可逆过程可逆过程成立的条件比准静态过程更强,如果它成立要求过程进行时:热力系内部无限趋近于平衡;热力系内部无限趋近于平衡;热力系与外界无限趋近平衡;热力系与外界无限趋近平衡;路径封闭的过程即为循环 Pv可逆循环不可逆循环1.7.2 循环循环1.8 功(Work)1.8.1 功的力学定义力 在力方向上的位移1.8.2 功的热力学定义A:当热力
12、系与外界发生能量传递时,如果对外界的唯一效果可归结为取起重物,此即为热力系对外作功。以字母W表示,单位J或kJ。单位化的功用w表示,单位kJ/kg。B:功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。1.8.3 机械形式功本节不讨论诸如热电堆、太阳电池板等直接将热转化的电功1.8.3.1 膨胀功 FdsW21PAds21AdVPA21PdV21Pdvw21单位化:P-v 图Pdvw or因为功的大小与做功过程相关,即数学上与路径相关,因此不能写成全微分形式Pdvw21(1)公式成立的条件是:系统经历一可逆过程。系统经历一可逆过程。讨论:(2)热力系对外做功,
13、功为正;外界对热力系做功,功为负。热力系对外做功,功为正;外界对热力系做功,功为负。FdsW21mgdz21dzmg21)(12zzmg1.8.3.2 重力功 maF ) 1 (dtdmVdtdsV)2(dtdsV1.8.3.3 加速功 FdsW21dtdtdmVV21)(212122VV m1.9 1.9 热量与熵热量与熵热量是在温度的推动下,热力系与外界以微观无序运动方式相互传递的能量。用字母Q表示,单位为J或KJ。q为单位化热量,单位kJ/kg。1.9.1 热量的热力学定义1.9.2 热量的热力学计算式TCq上式计算热量需要依据工质的性质,普适性不佳考虑膨胀功的计算式:pdvw 微元功做
14、功动力做功标志pdvw q由于传热的驱动力来自温度,那么热量也应类似有:TdxTqdxdx的含义应当是在可逆条件下,热力系和外界交换热量与否的标志。显然,dx的表达式数学上具有商的形式,又与热量有关,因此清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,用字母S表示,单位为kJ/K ;单位化熵为s,单位为kJ/kg.K 。这样上式可写为:Tqds热量的普适表达式为:Tdsq TdSQ 成立条件依然是可逆1.9.3 热量的正负热力学规定热力系吸热为正,热力系对外放热为负因此:系统吸热时热量为正 Q 0 dS 0,系统熵增加;系统放热时热量为负 Q 0 dS , = or 1 6-3-3 卡诺定律 在两个相同热库之
15、间,可逆热机的效率最高 两个相同热库之间,所有可逆热机的效率相同6-4 克劳修斯不等式6-4-1 克劳修斯积分式 对于单一卡诺循环121211TTqq 1212TTqq 即:1122TqTq 考虑 q1、 q2 符号,有:02211 TqTq 对于普通循环: 可按照如下图的办法将它分解为无数个卡诺循环1121112111TTqq11211121TTqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq那么:)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn将上述方程叠加起来0Tq0 Tq 6-4-2 克劳修斯不等式 若不可逆1121112111TTqq11211121T
16、Tqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn累加式子 (1).(n):0Tq0 Tq 这就是克劳修斯不等式,请注意克劳修斯不等式只适用于循环0Tq对于任意循环(包括可逆和不可逆循环)它在热力学里被称为热温商。可见循环的热温商是小于等于零的6-5 熵6-5-1 可逆过程的熵0ds1221badsds2121badsds2121bass6-5-1. 不可逆过程的熵变化对于不可逆过程 1-b-2.添加一段可逆过程1-a-2形成循环0Tq01221abTqTq1221abTqTq因为过程 1-a-2 是可逆过程所以:
17、2121abTqTq2121sTdqb显然这时熵的变化大于 ,即热温商的变化。Tq6-5-3 熵流和熵产Sg 是由于不可逆效应产生的因此被称为熵产Tdqs因此,存在一数值大于零的熵Sg ,使得:gsTdqsTdq 热温商积分的这一项的变化是由于传热引起的,被称为熵流 Sf 熵流可以大于、等于或小于零熵产只能大于或等于零 上述讨论表明熵有二重特性:一方面熵通过熵流体现热力系的传热特性;另一方面熵通过熵产展现出热力系不逆效应的大小;6-5-4 可逆定温过程的熵变化0isothermalTdqsdqT010Tq6-6 孤立系熵增原理6-6-1. 熵增原理 对于孤立系: Sf = 0所以: Sisol
18、ated= Sg = 0 6-6-2. 温差传热过程的熵增 系统环境边界TsysTsurrQsurrsurrsyssysTdQTdQsisolateddQTdQTsurrsys11syssurrTTQ116-6-3. 做功能力的损失TsT1T2122绝热过程ss损失)(0ssTloss 6-6-4. 宇宙的熵与热寂假说Hawking Stephen6-7 熵的本质6-7-1. 波尔兹曼关系式 )ln(pkS kJ/kmol.K103086. 1 23波尔兹曼常数k热力学或然率p6-7-2. 熵的定义 熵: 衡量热力系混乱或自由程度大小的物理量 热是一种无序的能量,因此热力系的吸热或放热就增加或
19、减少了系统的无序性,这种效应可以通过熵流来计算;热力系内部发生的耗散效应引起了混乱程度的增加,这种效应的大小体现在熵产; 6-8 (exergy)6-8-1. 的定义 在某状态下,系统由该状态可逆地变化到与环境平衡的状态时,理论上可转化为净有序能的那部分能量,称为 ,用E 表示(e单位化)6-8-2. 热量 ExQ对于具有某一温度T的热量Q,若此时环境温度为Tsur,根据卡诺定律能够转化为功的部分为:TTQWsur1QTTWsurxQ1EQTTQsurTsur这就是热量QTTQsurxQETQTQsurdssurTQssurTQ6-8-3. 冷量 ExQ0QQT-sEsurxQ06-8-3.
20、焓 ex) 1 (wzg2c)(s20whhq根据热力学第一定律:0)(00sss根据熵平衡方程,因可逆没有熵产,则进、出热力系的总熵等于零,即:sss00现:00sTq)(00ssT将上列各式代入(1)式:) 1 (wzg2c)(s20whhq) 1 (wzg2c)(s20whhqs2000wzg2cwhhssT-)()(xeswwzg2chhss-T2000)()(zg2cs-sThh2000)()(忽略动能、势能的变化:)()(000 xs-sThhe6-8-3.内能 Exu)()(1WWUUQe0根据热力学第一定律:0SS(S00 )根据熵平衡方程,因可逆没有熵产,则进、出热力系的总熵
21、等于零,即:SSS00现:00STQ)(00ssT将上列各式代入(1)式:)()(1WWUUQe0)()(1WWUUQe0WWUUSSTe000)()()()(000eSSTU-UWW对于功W,其中必定包括克服环境压力的部分,因此人类可资利用的最大有用能,即内能 为:)(VVp-WWE00exu)()()(00000SSTVVpU-U本章结束谢谢第5章 压缩机和汽轮机5-1 压缩机的分类 压缩机容积式涡轮式往复式回转式离心式轴流式 该种压缩机是本课程重点研究的对象5-2 压缩功5-2-1 往复式压缩机循环pvW Vdpvdpwvdpw21nnpdpvpw1121dppvpwnn12112111
22、111npvpwnn2111nnpvw211nnpvw)(112TTnRnw) 1(1121TTRTnnw5-2-2 压缩功) 1(1121TTRTnnw)1 (1121TTRTnnw)1 (11211TTvpnnwcomp)1(111211nncompppvpnnw 若定温压缩 21lnppRTwcomp若绝热压缩 )1 (11211TTvpkkwcomp若多变过程压缩 )1 (11211TTvpnnwcomppv定温多变绝热5-3 实际压缩机5-3-1 余隙容积5-3-2 余隙容积对理论压缩循环的影响pv5-4 多级压缩中间冷却pvp1p2pmBABAcompwww)1 (1)1 (112
23、1111nnmmmnnmcompppvpnnppvpnnw因 p1v1=pmvm)2(1121111nnmnnmcompppppvpnnw0mcomppw为获得最小功耗:则:21PPPm5-5 汽轮机5-5-1 汽轮机原理5-6 压缩机和涡轮机的内效率5-6-1 压缩机 若绝热压缩:)1(11211TTvpkkwcomp )1(1121TTRTkkwcomp )(121TTRkkwcomp 21hhwcomp 12将上述过程画在h-s图上,获得过程1-2。此时压缩功为w但如果压缩工程不可逆,则过程变为1-2,压缩功增加为whsP2P1w2w我们定义压缩机内效率可按照下式计算: wwcoi 这个
24、公式也适用于风机、泵5-6-2 涡轮机 若为可逆绝热涡轮机:21hsP1P2ww因此我们定义涡轮机的内效率按照下式计算: wwiturb 2这个公式也适用于喷管若不可逆:本章结束第6章 气体动力循环 6-1 对循环的分析 6-1-1 过程的平均温度1221ssTdsT 我们定义:即: 2112)(TdsssT12Tss1s2T6-1-2 对循环的分析12Tss1s2对于一个循环:ab 2121bacycleTdsTdsw)()(122122ssTssTwcycle )()()(122121122ssTssTssTcycle T2T1212TTTcycle 211TT 显然提高循环效率的方法就是
25、:设法提高循环吸热段平均段的温度;降低循环放热段的平均温度6-2 奥拓( Otto )循环6-2-1 N. A. Otto 的生平Nicolaus August Otto 四冲程内燃机的发明人,1831年6月14日德国。1862年 他首先进行了四冲程发动机的实验(如图),该发动机和今天的汽油内燃机非常近似. 他逝世于1891年1月26日。6-2-2 循环的四个冲程(Four Strokes)吸气冲程:活塞沿着气缸向下运动 ,气缸内的压力持续下降最终形成负压 ,接着吸气阀打开。空气和汽油蒸汽的混合物被吸入气缸压缩冲程:在活塞的下死点( Bottom Dead Center (BDC) 气缸达到最
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