《工程热力学》电子讲稿-all.docx

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1、一、相关知识1 .能源与能量的利用能量一切物质都具有能量。能源：提供各种有效能量的物质资源。暖气-热能：风-风能：太阳-太阳能；原子-原子能，汽、柴油-化学能。能量的利用过程实质是能量的传递和转换过程，参看课本图本1。大多数的能量以热能的形式被利用。热能的直接应用一一供热、采暖热能的动力应用转化为机械能或电能2 .热力学热力学：一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。工程热力学：研究热能与其他形式能量（丰攀为机帙熊）之间的转换规律及其工程应用，是热力学的工程分支。3 .常见的能量转换装置（1）蒸汽动力装置锅炉内燃机汽油机/柴油机（3）燃气轮机航空发动机、机车（4

2、）蒸汽压缩制冷装置冷库、空调四种装置都是热能与机械能的相互转换。二、课程内容1.基本概念及定律（基础）热力系统、状态参数、平衡态、热力学第一定律、第二定律等等。U（热力学能）、”（始）、S（埼Entropy）、ErH月EXergy）、AnIfAnergy）热力学第0定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。热力学第1定律：热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。热力学第2定律：一切自发实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。热力学第3定律：当趋于绝对零度时，各种物质的熠都趋于零。2 .能量转换过程和循环的分析研究及计算方法（方法）热能6

3、9机械能提高热效率大气中的热能能否利用？抽掉中间挡板是否做功？3 .能量转换过程常用工质的热力性质（工具）水、氧气、空气、氨（制冷剂）4 .化学热力学（第十三章，自学）（补充）燃料的燃烧基础+方法工具+（补充）三、研究方法热力学按研究方法分1 .宏观热力学（经典）宏观热力学：以热力学第第二定律为基础，简化模型，推导公式得出结论，结果可靠。不足：未考虑分析原子结构，无法说明热现象本质及其内在原因。2 .微观热力学（统计）微观热力学：从物质分子运动角度，利用统计学和概率论来找出规律，得出结论，可解释热现象本质。不足：分析复杂，结论不够精确。本课:宏观人力学为主-少数微观力学的方法四、学习方法本课程

4、较为抽象，不易理解。1 .课前预习，难点标出：2 .上课认真听讲，做好笔记：3 .下课复习，结合实例来理解概念，独立完成作业。五、教材使用教材：工程热力学（4版）童钧耕.高教。参考教材：工程热力学（第3版）沈维道、蒋智敏、童钧耕.高教；工程热力学（第3版）华自强、张忠进.高教；工程热力学（第3版）曾丹苓等.高教。答疑考勤：作业：实验=4：4：2平时：期末=3：71-1热能和机械能相互转换的过程热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备）。分为蒸汽动力装置及燃气动力装置，主要介绍内燃机、燃气轮机、蒸汽机。一、内燃机图0-3柴油机示意图燃料在内部燃烧，分汽油机/

5、柴油机。汪克尔转子发动机进气今压缩分作功分排气（四冲程柴油机）应用：汽车、柴油机车、船舶、备用发电机、割草机、弥雾机:（油、气）燃料化学能令热能少机械能二、燃气轮机与内燃机同属燃气动力装置压缩空气+燃料一顾今高温燃气T燃气轮机H作机械功废气应用：航空器、船舶、机车、电厂发电画：（煤、油、核反应）燃料化学能/核能分热能令机械能三、蒸汽动力装置水一幽炉加热B蒸汽一辰丽S过热蒸汽一盛机卜机械功发电一因）蒸汽（乏气）一脸凝器I今水一S蒜I画四分锅炉瓦特1784年改进蒸汽机，第一次工业革命。应用：蒸汽机车、蒸汽船一一蒸汽动力发电（电厂、热电厂）:（煤、油）燃料化学能分热能分机械能（少电能）核电蒸汽动力装

6、置只不过用核反应堆取代蒸汽锅炉，其余一致。四、制冷和热泵装置简单介绍蒸汽压缩制冷装置:3冷藏库蒸气压缩制冷装置小意图（致冷剂）高压常温液体T节流阀降压I今低温液体书匣邈低压蒸汽一叵网）高压蒸汽一瓯噩高压液体应用：冷库、空调陋：消耗机械功（或其他能量）使热量从低温物体流向高温物体。总结：四种装置都是用某种媒介物质从某个能源获取热能，从而具备做功能力并对机器做功，最后又把余下的热能排向环境介质，即吸热一膨胀做功一排热，也即热能与机械能的相互转换。工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源：工质从中吸取热能的物系。冷源：接受工质排除热能的物系。热源和冷源可以恒温也可以变温。1-2热力系统一、热力

7、系统1 .（热力）系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统，简称系统或体系。2 .外界：与系统发生.质能交换的物体。3 .边界：系统和外界之间的分界面。边界可实可虚，可定可动。系统：教室内；外界：教室外；边界：墙、门、窗。酗切实可虚：教室开关门：可定可动：膨胀的气球二、系统的分类根据系统和外界之间物质、能量的交换情况分：1 .闭口系统（控制质量）物质交换和外界只有能量交换没有物质交换。图11闭口系统示意图2 .开口系统（控制容积、控制体）物质交换和外界既有能量交换又有物质交换。此变化是在某一固定空间范围内。3 .I绝热系统I能量交换和外界间没有砂罩交换。例如：密闭容器内放一蜡烛；不加

8、热的爆米花机。4 .孤立系统能量交换和外界既无能量交换又无物质交换。孤立系统：宇宙？把研究对象和与之发生质能交换的物系放在一起就是孤立系。画1 .闭Il系统内质量恒定，系统内质量恒定则一定是闭口系统。2 .开口系统中与外界有物质交换，物质与睡不可分割，所以开口系不可能是绝热系统。三、系统的选取取决于分析问题需要及分析方法的方便，同一物体在不同问题下会选为不同的系统。内燃机整个内燃机（开口系统）；热功转化（闭口系统）四、简单可压缩系工质为可压缩流体，且系统与外界可逆的功交换?有侍秋变化切（膨胀功或压缩功）一种形式，该系统称为简单可压缩系。常见热力系由可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等）构成；不可压

9、缩流体：水等液体。1-3工质的热力学状态及基本状态参数一、热力学状态：1 .定义：宏观物理状况，称为热力学状态，简称状态。工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的2 .状态参数：描述工质所处热力学状态的宏观物理量。状态参数反映了工质大量分子运动的宏观平均效果。基本状态参数P、匕了可用仪器直接测量得到。常用状态参数：p、V.T、U.H、S状态参数是热力系统的状态的单值函数，其值取决于给定状态，与到达此状态的途径无关，所以状态参数的全微分积分为0,即“伙=0。P、7与系统质量无关，为强度量。匕U.H、S与系统质量成正比，为广延量，具有可加性。广延参数用大写字母，其比参数用小写字母。二、基本状态参数1

10、.温度TK物体冷热程度的标志。标志物质分子热运动的激烈程度。定义基础热力学第。定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。经验温标：由选定的任意一种测量物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标。热力学温标：把水的三相点的温度，即水的固相、液相、气相平衡共存的温度作为单一基准点，规定为273.16Ko摄氏温度Z=7273.15T-273摄氏温度/与热力学温度T只是零点取值与单位不同。2 .压力pPa、MPa（压强）单位面积上的垂直作用力。表压力p,真空度p“环境压力必。我压、真空发利绝对东力的关系示意图P=Pb+pc=Pb-PV压力用压力计（真空计）来

11、测量，真实压力（绝对压力）与环境介质压力（PQ的差。大气压力会随纬度、高度、气候、天气变化而变，即使绝对压力不变，表压力或真空度也会变。常用单位：巴Ibar=IooOOOPa:标准大气压Iatm=101325Pa；工程大气压1at=98066.5Pa；10米水柱的压力受米汞柱1mmHg=1333224Pa；亳米水柱1mmH2O=9.80665Pa。当绝对压力很大时，可视大气压力为常数。3 .比体积及密度V=V7m=1/Pm3kg、，、P不互相独立。网P321-11-1华氏温标规定，在标准大气压（101325Pa）下纯水的冰点是32F,汽点是212F（F为华氏温电温度单位的符号）。试推导华式温度

12、与摄氏温度的换算关系。解：（通常温度级的感应原件的某种物理量是温度的线性函数0）t=atc+b代入（0,32）和（100,212）解得a=1.8,b=32（t）=1.8tr+32网类似P331-7使用原理测量锅炉烟道中真空度时常用斜管压力计。如图所示，若角为30,液柱长度/=200mm,且压力计中所用液体为煤油，其密度为800kg,试求烟道中烟气的真空度为多少mmH2（4C）。斜管压力计I：作示意图解：真空度可以表示为V=心，即有PV=。油gAh曲=水8水得：4.=-it,=-sina=-200sin30o水夕水XlQ水I（XM）=80mmH2O(4C)画某烟囱高30m,其中烟气的平均密度为0

13、.735kgm3o若地面大气压力为0.1MPa,温度为20,现假设空气密度在烟囱高度范围内为常数，试求烟囱底部的真空度。解：设地面大气压力为，烟囱底部的烟气压力为p,则在烟囱顶部处有P-夕烟=Pl-P及gh烟囱内底部真空度pv=Pb-P=-。烟)gh=yy-Pw(100OOO八IEOD=0.7359.8130=133.5PaV287.1-293)作业：12,L9课后自做，下节讲解1-4平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态1 .平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态。热力平衡热的平衡：没有热量的传递；力的平衡：各部分之间没有

14、相对位移：化学平衡。2 .平衡状态的特点：(1)在不受外界影响下，平衡不会自发的破坏;(2)处于不平衡的系统,在不受外界影响时，会自发的趋于平衡;(3)单相工质处于平衡状态时,在忽略重力的影响下，其内部性质均匀一致。对于气液两相并存的热力平衡系统,气相和液相密度不同，所以整个系统不是均匀的。均匀非平衡状态之必要条件。酗当热力学系统的状态不随时间而改变时，称为系统处于稳定状态,试分析稳定状态和平衡状态是否相同？否稳定状态状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。稳定导热：热量通过金属杆传递，对于金属杆组成的系统，经过一定时间后金属杆任意一点的温度将是定值，可认为达到稳定状态，但金属杆不处于平衡状态。酗当热力学系统内的温度和压力等状态参数均匀一致时，称为系统处于均匀状态,试分析均匀状态和平衡状态是否相同？否气液并存的平衡水和水蒸气组成的系统，不受外界的影响，系统的宏观性质不随时间变化，处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。所以系统平衡不一定均匀。平衡必稳定，稳定未必平衡：平衡不一定均匀，均匀一定平衡。简单可压缩系只要有两个独立的状态参数即可确定一个状态。两个系统状态若相同，则其所有状态参数都一一对应。二、状态方程式1.状态方程式对