高等工程热力学研究生学习.ppt
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1、高等工程热力学,能源为人类提供能量和动力的物质资源。,常见能源有:化石能、水力能、太阳能、风能、地热能、海洋能、核能等绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务,但我们需要的却主要是动力。人类利用热能目前主要有两种形式:(1)热能的直接利用能的形式不发生变化;如:取暖、烘烤、冶炼、蒸煮等。(2)热能的间接利用能的形式发生变化,转变为机械能、电能等;如:热力发电厂、内燃机等,主要用于交通运输、机械制造等。,热能利用的历史就是一部人类的发展史:,第一章:热能转变的基本概念,1.热力系、状态和状态参数1.1.热力系与工质 热力系人为地选取一定范围的物质作为研究对象,这个对象称为热力系统(system)。
2、外界热力系以外的物质(也称为环境)。边界热力系与外界的交界面(界面)。,边界可以是假设的,也可以是真实的;可以是固定的,也可以是运动的。,闭口系与外界没有物质交换的热力系(但可以有能量交换,如加热)。,开口系与外界有物质或能量交换的热力系 绝热系热力系与外界无热量交换(但有其它能量交换,如功)孤立系热力系与外界无任何能量和物质交换。简单可压缩系由可压缩的流体构成,与外界只有容积变化功交换.热源(冷源)能为热力系提供无限热能(冷量),而自身温度不会发生变化。(高温热源、低温热源)。单元系、均相系、多元系、均匀系、非均匀系、复相系等。工质用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。,1.2热力系的状态
3、及状态参数,热力系的状态热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状况。平衡状态在没有外界影响条件下,系统各部分长时间内不发生任何变化的状态。状态参数用于描述系统平衡状态的物理量。状态参数可分为两类:尺度量(广延量)与系统所包含的物质量有关的量称为尺度量。强度量与所含物质量无关,热力系中任一点都具有相同的数。,1.3.基本状态参数,常用的状态参数:压力p,比容v,温度,内能U,焓,熵。基本的热力学参数:比容v,压力p,温度.()比容 比容是单位质量的物质所占有的容积。若m(kg)物质占有的容积为(m3),则比容为:密度是单位容积内所含物质的量。,()压力p(a),压力是指单位面积上所承受的垂直作用力。p=
4、F/A(N/m2)常用单位有:kPa;Mpa;mmHg;atm;托通常用压力表或真空表测量流体压力.绝对压力(p)物质的真实压力。大气压力(pb)大气环境的真实压力。表压力(pg)压力表上读到的压力。真空度(pv)真空计上的读数。表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差,所以当ppb时,ppgpb 当ppb时,ppbpv,()温度,温度是物体冷热程度的标志温度概念的建立以热力学第零定律为依据。第零定律:与处于热平衡;与处于热平衡,则与必然处于热平衡。温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量。,温度的意义,温度的热力学定义:决定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质。处于热平衡的各系统温度相同
5、。温度的热力学定义提供了温度测量的依据,即被测物体与温度计处于热平衡时,就可以从温度计的读数确定被测物体的温度值。,温度测量和温度计,温度计测温原理:当一个物体的温度改变时,物体的其它性质也将随之发生变化,可根据这些变化性质中的某些参数测量物体的温度,指明温度的数值。,温度与热力学第零定律,温 标,为了给温度的测量赋予一定数值,必须科学地建立起一套规则,把不同的温度指定不同的数值,这就是所谓的温标。华氏温标:(氯化铵)盐水混合物的冰点温度为0,人体温度为100;摄氏温标:将1个标准大气压下水的冰点和蒸气点之间的温度等分为100,并以冰点作为0。,温度与热力学第零定律,经验温标的问题:什么叫做均
6、分?即假定了一种物质的某一性质与温度成线性关系。如果这样,其他物质的这一性质,或者同一物质的其他性质就不一定也和温度成线性关系。使用不同的物质作为测温的工质得到不同的结果;热力学温标:从热力学第二定律出发得到的绝对温标,与任何工质无关,是一种理论温标;,温度与热力学第零定律,热力学温标,热力学温标与其它温标,温度与热力学第零定律,热力学温标只需要定义一个温度的量值,其它温度值就全部确定了。1854年,开尔文提议将水的三相点温度定义为273.16 K,1954年第十届国际计量大会正式采纳。,利用某些气体在低压下,压力或容积随温度的变化是确定温标的最佳选择;理想气体温标其定义与热力学温标一致,是其
7、一级近似,不过是一种经验温标;定容式温度计的测量原理:,温度与热力学第零定律,理想气体温标,理想气体温标应用,温度与热力学第零定律,气体A,温度与热力学第零定律,我们身边的温度,1.4.状态方程,两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态。三个基本状态参数之间的关系,称为状态方程。常见的状态方程有:理想气体方程:范德瓦尔斯方程:平衡状态下,可用二维平面坐标图描述系统状态:,热力过程、功和热量2.1.热力过程 要实现热能与机械能的相互转化,必须通过工质的状态变化才能实现:,准平衡态,由此引进准平衡态的概念!准静态就是无限接近于平衡态的状态。,考查一个渐变的过程:,可逆过程如果系统完成某一热力过程后
8、,再沿原路经逆向返回,能使系统和外界都恢复原来状态而不留下任何变化的过程。(要包括系统及外界都不发生任何变化)特征:()可逆过程必然是准平衡过程。()可逆过程不应有摩擦、电阻、磁阻等耗散效应存在。可逆过程是理想过程(充要条件):只有准平衡且无任何耗散效应的过程才是可逆过程。实际过程都是不可逆的。,2.2.功和热量,功在力的作用下,通过宏观有序运动而传递的能量,在传递中才有意义,一旦越过边界,就成为外界的能量。是过程量,与初终态有关,还与过程有关。系统对外做功为正,外界对系统做功为负。功的单位:(焦耳)功率单位(瓦特)热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的,称容积变化功.,在准静态可逆过程时,
9、对外做功由系统内部参数决定的,不用考虑外界因素。,在p图上表示:,线下的面积即为功,所以p图叫示功图。,()热量是在温差作用下,通过微观粒子无序运动传递的能量。,热量是过程量。系统吸热取正号,放热取负号。热量为:热容与其变化温差的乘积。,2.3.热力循环系统由某一初态出发,经历一系列中间状态,最后又回到初态的过程称为热力循环。(封闭过程),特征:()它是一个封闭的过程。,(2)目的:是实现连续的能量转换(、是过程量,使之可能)(3)分类:可逆与不可逆循环;动力循环;制冷循环;热泵循环。,正向循环膨胀功大于零,顺时针。逆向逆向膨胀功小于零,逆时针。,正向循环效率(热效率):逆向循环制冷系数:热泵
10、循环系数:,本章小结:,第二章:热力学基本定律,热力学第一定律的本质,热力学第一定律说明了功热变换的数量关系.热力学第一定律表达了能量在传递和转化过程中的守恒性,是自然界必须遵循的普遍规律之一。,热力学第二定律的意义,第二定律说明了能量不但有数量关系还有品质关系.第二定律表达了能量在传递和转化过程中的不可逆性,能量可以相互转化,但不同能量的转换能力是不同的。,能量与能量守恒的发现,18世纪,意大利外科医生高瓦尼(Luigi Galvani,1737-1798)发现,带电金属块可使死青蛙的腿抽动电创造了生命?物理学家伏达(Alessandro Volta,1745-1827)认识到这不过是由于电
11、流的通过引起的,1800年发明了“伏达电极”,世界上第一个“化学电池”:电流从化学反应中产生;,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,19世纪30年代,法拉第(Michael Faraday,1791-1867)发现了其逆效应,即电流可以驱动化学反应,电流也可以产生光和热;,能量与能量守恒的发现,1819年丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian rsted,1777-1851)发现电流还可以产生磁场;1822年,德国科学家塞贝克(Thomas Seebeck,1770-1831)发现了“热电效应”,由热效应可产生电流;,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1831年,法拉第发现变化
12、的磁场可以产生电流;所有这些发现将热、电、磁、化学反应交织在一起,也使人们认识到在这些变化中有一种不可消灭的“能量”在传递。,能量与能量守恒的发现,1787年,拉瓦锡(A.L.Lavoisier)提出热质(Caloric)一词,后来进一步发展为热质说焦耳(James Prescott Joule,1818-1889),生于曼彻斯特市郊酿酒厂老板家庭,没有受过正规教育;他20岁研制磁电机,试图代替父母酿酒厂中的蒸气机但没有成功,但发现了电流可以作机械功,也产生热。,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1840年,焦耳开始研究电流热效应,1844年要求在英国皇家学会宣读论文但遭拒,1847年在牛
13、津的科学技术促进协会上介绍了实验结果,1849年6月21日作了一个热功当量的总结报告。1850年,实验结果已使科学界公认能量守恒。,做功使系统温度升高,散热使系统平衡,发现在热力过程中,热功总量是不变的,热可以变成功,功可以变为热。,焦耳汤母逊实验,1.1.第一定律的实质,热力学第一定律的实质是能量守恒定律。热力学第一定律是能量守恒和转换定律在具有热现象的能量转换中的具体应用定律。热力学中的能量转换关系主要是考察热力系在与外界进行能量交换时系统总能的变化情况,第一定律就是描述这种转换的量的守恒关系。,1.2.热力学第一定律的一般表达式,能量守恒一般可写成:进入系统的能量 流出系统的能量 系统内
14、部能量的增量对于一个封闭系统闭循环过程 称为系统的内能,也称系统的热力学能。,内能工质微观粒子所具有的能量,包括:内动能,内位能,内动能与温度有关内位能与分子间距有关(d)因此:U=U(T,v)单位:kJ,J内能是状态参数;单位质量工质的内能称比内能(强度量)(kJ/kg)闭系的能量守恒定律表达式:(第一定律的表达式),一个气缸活塞系统是一个典型的闭口系统,如果给气缸供热:dQ活塞移动对外做功:dW活塞内气体增加的内能为:dU由能量守恒定律得:,对于可逆过程dw=p dV dQ=dU+p dV,1.3 系统总能量,在参考坐标系中,热力系作为一个整体,由于宏观运动速度不同,或在重力场中高度变化,
15、而储有外部能量。外部能量包括 宏观动能:重力位能:系统总能量是内部能量与外部能量之和,对单位工质:,一般情况下,只有内能,但在高速(如喷管)和高位情况下要考虑内外能。考虑了外能及内能作为总能之后,第一定律表达式为:,上式对任意系统都成立,是能量守恒定律的具体运用。,1.4 稳定流动系统的能量方程,稳定流动系统是指热力系内各点参数不随时间变化的系统。特征:进出口工质状态不变;进出口工质流量相等;与外界交换能量不变。()推动功、流动功考察如下图的一个稳定流动系统,(外界对系统作功为负),把V1m1的流体压入系统,外界要做功(推动功),同理,系统要将V2m2这段气体推出系统,要做功,进出口推动功(推
16、功流体流动外界所需要的做的功)之和为流动功,是维持流动所需的。,()稳定流动系统的能量方程,设在时间内,系统吸热,外界对系统作功sh。m1流进,m2流出,显然m1=m2=m 由工质进入带入的能量:由工质流出带出的能量:系统除维持工质流动之外,还通过机器的轴向外输出轴功,如蒸汽机的叶轮。,因此系统与外界交换的总功为:,对稳定流动情况,进出系统能量之和为零*:,为方便计算,引进一状态参数pV(称为焓)它是一个状态参数,由状态参数构成;焓是开口系中流入或流出工质所带的基本能量。,于是:,对于一个微小过程:,对单位工质而言:,()技术功,令技术功是技术上可以利用的能量所以:进行变换:,比较闭系的能方程
17、:t(p)技术功与流动功均是膨胀功转化而来 t(p)等于膨胀功减去流动功,对于可逆过程:,1.5 能量方程式的应用,第一定律的能量方程式,是能量守恒定律应用于热力过程的数学描述,是一切过程必须遵守的,但对不同的过程,有不同的形式:下面以几种典型设备为例进行具体分析。,()热力发动机*,主要是叶轮式机械(包括:内燃机、蒸汽机、燃气轮机等)由时间短,进出口的高差不大,速度变化不大,传热散热可忽略,所以基本方程,可简单写为:,这说明,对外轴功来源于工质进出口焓降。,透平机原理图,*,()压气机,对于耗功机械,如压气机,水泵等,有少量放热。(略有散热),所以:,如果不考虑散热 Wsh=-(h2-h1)
18、(应取负值)。,(2)喷管,喷管是使气体加速的设备,主要是一个变截面的流道,对稳流,高速情况,散热可忽略:q,气流流过喷管时无净功输入输出sh高度差,所以,因此有,()热交换器,取间的流体分析,方程变为*:,换热器表面两边的流体各构成一个开系,对34的流体同样可写出:,换热总量相等,代入上面公式,得,所以有:,(5)绝热节流过程,流体流动截面突然缩小,称之为节流(如:阀门,孔板)。这是一个典型的非平衡过程,有摩擦、涡流等。,之间流体组成的热力系时间短:进出口速度一样:进出口无高差:无功输出所以,绝热节流前后焓值不变,热力学第二定律,能量的数量关系,第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来,指
19、出不同形式的能量可以互相转换,而且在转换中数量不变。比如:电能动能、势能、热能;热能机械能、电能等。,能量的品质关系,但在长期的生产实践中,人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现。也就是说,热过程是有方向性的,比如,电可以很方便地转化为热,而热要变成电就困难得多,低温物体的热量不会自动地传至高温物体。揭示热过程方向性的是第二定律。,热力学第二定律揭示:能量不但有数量之分,还有方向之别,品质之别。,电热(100)但热/电(100)1000的热能比100的热能更有用,更有价值。能量的品质不能自动升高,只能自动降低,理想情况是不变。2.1 热力过程的方向性热过程是有方向性的,是不可逆的,下面举例说
20、明并分类。,不等温传热过程是不可逆的,两个物体、,设,那么、接触,就有从中传出,就有流入。第一定律指出:但相反的过程,即放热,吸热,即使满足,也不会发生。即低温物体热量不会自动流入高温物体,否则将会出现很多怪现象。,A TA,B TB,自由膨胀过程是不可逆的,第一定律指出:膨胀前与后必须满足:但相反过程,即使仍满足,也不可能发生,没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。,1,2,功热转换过程是不可逆的,功可以自动地转换为热(注意:自发、自动)焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动,通过摩擦使功自发变为热。相反的过程不可能发生。总之:有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的。混合过
21、程是不可逆的,任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。虽然,实际过程是不可逆的,但减小不可逆因素,过程的不可逆性就会相应减少,减少到可以忽略,过程就趋于可逆过程。,可逆过程的共同特征:,a它必须是准平衡过程。(力、热、化学平衡)b过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。上述不可逆过程,我们强调了不能“自动”发生,不是说不能发生,不然盐、真空、冷饮从何来?如果要发生,外界必须提供能量、某种补偿,制冷过程就必须消耗机械作为补偿。,2.2 第二定律的表述,第二定律是大量观察、无数经验总结、千百次重复没有一次例外总结出来的。它指出:一切实际的宏观热过程都是不可逆的,具有方向性,这是热过程的基本特征。
22、也正是第二定律要揭示的基本事实和基本规律。由于热过程种类很多,它们的不可逆性并不是孤立的,是彼此相关的,等效的。因此,第二定律有多种表述,但它们是等效的,一种表述成立则另一种表述也必然成立。,典型说法:,克劳修斯(1850年):不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。开尔文(1851年):不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。普朗克:不可能制造一部机器,它在循环中把一重物升高而同时使一热源冷却。,它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响。如果这种设想能成立,就可利用环境中无限的热能做功。所以:第二类永动机是造不成的。,历史上还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想
23、(不违反第一定律),热力学不可逆性不是孤立的,一切不可逆过程是相互联系的,各种表述是等效的,它反映的是热力过程的不可逆性。第二定律是经验定律,但没有违反之例,只有同时遵守一、二定律的过程才能发生。,第二定律有多种表述,但是等效的,一种表述成立则另一种表述也必然成立。,历史上,卡诺定理是第二定律的出发点,早在一、二定律建立之前,卡诺就在分析影响蒸汽机的功热转换的各种因素的基础上,于1824年提出了卡诺定理。但他对这个定理的证明是错误的。(依据热质说和第一类永动机不能实现,前者后来被证明是错误的,后者不可能证明卡诺定理)克劳修斯与开尔文正是从卡诺定理得到思路提出热力学第二定律的。,2.3 卡诺定理
24、,定理一:相同热源和冷源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率,与工质无关,均等于,定理二:相同热源和冷源间工作的可逆热机的效率恒高于不可逆热机的效率。,结论:所有可逆热机效率相等,不可逆热机效率恒小于可逆热机效率。于是,所有可逆热机效率只与热源温度有关,与所使用工质无关。,2.4 卡诺循环(Carnot cycle),它是恒温热源间工作的理想可逆循环,它由个定温过程及2个可逆绝热过程构成。原因:为使循环在吸放热过程中可逆,在吸、放热过程中,与冷热源的温差为无限小,只能是等温过程。要组成循环,还需加入其它过程。这些过必须在与之间变温,所以,只能是绝热过程,因此有两条绝热线。,在图T-S图和p-V
25、图上可表示为:,吸热量,放热量,完成功量效率:,对卡诺循环分析可得到如下结论:1)卡诺循环效率仅与热源温度有关,而与工质和热机类型无关。2)提高和降低L,可以提高,但,所以3)当时,c0(单热源热机不可能造成的),2.5 状态参数熵 第二定律有多种表述,各种表述是等效的,最根本是告诉我们,所有热过程都是不可逆的,它们的发展是有方向性的。当然,不同的热过程有不同的可逆性,但不同的可逆性不是孤立的,彼此是相互联系的,它们有共同的本质特征。因此,可用同一物理量描述这一本质特征,这个物理量就是熵。所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数,它是一个状态参数。,熵的概念的简易引入方式:功pd(可
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