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文檔簡介
1、1,一、熱能動(dòng)力裝置(Thermal power plant),定義:從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。,,分類,共同本質(zhì):由媒介物通過吸熱—膨脹作功—排熱,,氣體動(dòng)力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機(jī)(internal combustion gas engine) 燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gas turbine power plant) 噴
2、氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jet power plant) …… 蒸氣動(dòng)力裝置 (steam power plant),1-1 熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過程,,,,,2,二、工質(zhì)(working substance; working medium),定義:實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。,對工質(zhì)的要求:,物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。,1)膨脹性,2)流動(dòng)性,3)熱容量,4)穩(wěn)定性,安全性,5)對環(huán)境友善,
3、6)價(jià)廉,易大量獲取,,,,,,3,三、熱源(heat source; heat reservoir),定義:工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。,? 高溫?zé)嵩础獰嵩?( heat source ) 低溫?zé)嵩础湓矗╤eat sink)? 恒溫?zé)嵩?constant heat reservoir) 變溫?zé)嵩?,,,,4,1-2 熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)、體系) 外界和邊界,? 系統(tǒng)(t
4、hermodynamic system, system),人為分割出來,作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,? 外界(surrounding ):,與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。,? 邊界(boundary):,系統(tǒng)與外界的分界面(線)。,,,,,一、定義,5,二、系統(tǒng)及邊界示例,,,,,? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī),,6,? 汽缸-活塞裝置(閉口系例),,,,,7,? 移動(dòng)和虛構(gòu)邊界,,,,,8,1)系統(tǒng)與外界的人為性
5、 2)外界與環(huán)境介質(zhì) 3)邊界可以是: a)剛性的或可變形的或有彈性的 b)固定的或可移動(dòng)的 c)實(shí)際的或虛擬的,注意:,,,,,9,三、熱力系分類,按組元數(shù) 單元系(one component system;pure substance system) 多元系(mu
6、lticomponent system),按相數(shù) 單相系(homogeneous system) 復(fù)相系(heterogeneous system),注意:1)不計(jì)恒外力場影響; 2)復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽; 單元系未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)。,,,,,1. 按組元和相,10,閉口系(closed system)
7、 (控制質(zhì)量CM) —沒有質(zhì)量越過邊界,開口系(open system) (控制體積CV) —通過邊界與外界有質(zhì)量交換,2. 按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換,,,,,11,1)閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別; 2)開口系與絕熱系的關(guān)系; 3)孤立系與絕熱系的關(guān)系。,注意:,4. 簡單可壓縮系(simple compressible system)
8、 —由可壓縮物質(zhì)組成,無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交 換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,絕熱系(adiabatic system)— 與外界無熱量交換; 孤立系(isolated system)— 與外界無任何形式的質(zhì)能交換。,3. 按能量交換,,,,,12,四、熱力系示例,1.剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng),B側(cè)設(shè)有電熱絲,紅線內(nèi)——閉口絕熱系,黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系,黃線內(nèi)包含
9、電熱絲——閉口絕熱系,蘭線內(nèi)——孤立系,,,,,13,閉口系,2.剛性絕熱噴管,取紅線為系統(tǒng)—,取噴管為系統(tǒng)—,開口系絕熱系?,,,,,14,3.A、B兩部落“雞、犬之聲相聞, 民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng)—孤立系,—閉口系,,,,,15,1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù),熱力學(xué)狀態(tài)(state of thermodynamic system)
10、—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)(state properties) —描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量,1.狀態(tài)參數(shù)是宏觀量,是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效 應(yīng),只有平衡態(tài)才有狀參,系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù),如,一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類,,,,,16,2.狀態(tài)的單值函數(shù)。 物理上—與過程無關(guān); 數(shù)學(xué)上—其微量是全微分。
11、,3.狀態(tài)參數(shù)分類 廣延量(extensive property) 強(qiáng)度量(intensive property ),又:廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性,如比體積,工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。,,,,,17,三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件,系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件: 所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等
12、 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件: 兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等,,,,,18,四、溫度和溫標(biāo)(temperature and temperature scale),溫度的定義: 測溫的基礎(chǔ)—熱力學(xué)零定律 (zeroth law of thermodynamics) 熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo) (thermodynamics scale; Kelvin scale;abs
13、olute temperature scale and internal Celsius temperature scale),,,,,,19,華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo),華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo),附:,{T} °R={t} ℉ +459.67,{t} ℃=5/9[{t} ℉-32]{t} ℉ =9/5{t} ℃ +32,,,,,20,五、壓力(pressure),絕對壓力 p(absolute pressure)表壓力 pe(pg
14、)(gauge pressure; manometer pressure)真空度 pv(vacuum; vacuum pressure),,,,,,當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(local atmospheric pressure),,,,,21,常用壓力單位:,例A4001441,例A4002771,,,,,22,六、比體積和密度,比體積(specific volume),單位質(zhì)量工質(zhì)的體
15、積,密度(density),單位體積工質(zhì)的質(zhì)量,兩者關(guān)系:,,,,,23,1-4 平衡狀態(tài),1.定義:無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而改變的狀態(tài),?熱平衡(thermal equilibrium) : 在無外界作用的條件下,系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界 處處溫度相等。,?力平衡(mechanical equilibrium): 在無外界作用的條件下,系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外 界處處壓力相等。,?熱力平衡的充要條件
16、 —系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。,一、平衡狀態(tài)(thermodynamic equilibrium state),,,,,24,討論:,1)系統(tǒng)平衡與均勻,2)平衡與穩(wěn)定,— 平衡可不均勻,— 穩(wěn)定未必平衡,,,,,25,* 二、 狀態(tài)公設(shè)(state postulate),n—系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù);f—系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。,簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式,,,,,26,三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程
17、 (pure substance state equation),狀態(tài)方程,1.理想氣體狀態(tài)方程 (ideal-gas equation; Clapeyron’s equation),Rg —?dú)怏w常數(shù) (gas constant),R—通用氣體常數(shù) (universal(molargas constant ),摩爾質(zhì)量,,,,,,,27,2.實(shí)際氣體(real gas; imperfect gas)的狀態(tài)方程
18、,范德瓦爾方程,(a,b為物性常數(shù)),R-K方程,(a,b為物性常數(shù)),,,,,28,BWR方程,維里型方程,,,,,29,四、 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖(parametric coordinates),一簡單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù),所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài),反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對應(yīng)點(diǎn),如:,,,,,,,,,,,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,,,,,30,附:純物質(zhì)的p-v
19、-T圖,,,,,31,水p-v-T圖,,,,,,32,一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process),定義:偏離平衡態(tài)無窮小,隨時(shí) 恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。,進(jìn)行條件: 破壞平衡的勢—,過程進(jìn)行無限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力,準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參
20、數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示,無窮小,,1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,,,,,33,二、可逆過程( reversible process),定義:系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀 態(tài)而在外界不留下任何變化 的過程。,可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系,非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆,,●單純傳熱過程,,,,,34,非準(zhǔn)靜態(tài)過程 (nonequilibrium process),準(zhǔn)靜態(tài)過程,不
21、可逆,準(zhǔn)靜態(tài)過程,可逆,●作功過程,p,F,,,f,,,,,pb,,,,,35,1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒有耗散效應(yīng) 2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡,可逆著眼于 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 3.一切實(shí)際過程不可逆 4.內(nèi)部可逆過程的概念 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示,討論:,,,,,36,一、功(work)的定義和可逆過程的功,1.功的力
22、學(xué)定義,2.功的熱力學(xué)定義:通過邊界傳遞的能量其全部 效果可表現(xiàn)為舉起重物。,3.可逆過程功的計(jì)算,▲功是過程量,▲功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示,,,,,1-6 功和熱量,37,,系統(tǒng)對外作功為“+” 外界對系統(tǒng)作功為“-”,5.功和功率的單位:,附:,4.功的符號約定:,,,,,38,6.討論,有用功(useful work)概念,,,其中: W—膨脹功(compression/expansi
23、on work); Wl—摩擦耗功; Wp_排斥大氣功。,,,,,pb,f,例A7001331,,,,,39,,,用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過程的功,,,?,,,,,40,二、廣義功(generalized work)簡介,,彈性力功,,表面張力功,,電極化功及磁化功等,,,,,41,三、熱量(heat),1.定義:僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量。,2.符號約定:系統(tǒng)吸
24、熱“+”; 放熱“-”,3.單位:,4.計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖,熱量是過程量,(T-s圖上)表示,,,,,,42,四、熱量與功的異同:,1.均為通過邊界傳遞的能量;,3.功傳遞由壓力差推動(dòng),比體積變化是作功標(biāo)志; 熱量傳遞由溫差推動(dòng),比熵變化是傳熱的標(biāo)志;,4.功是物系間通過宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量; 熱是物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的
25、能量。,功,,,2.均為過程量;,熱是無條件的;,熱,功是有條件、限度的。,,,,,43,思考題:,容器為剛性絕熱,抽去隔板,重又平衡,過程性質(zhì)。,逐個(gè)抽去隔板,又如何?,,,,,44,1-7 熱力循環(huán),一、定義: 封閉的熱力過程 特性:一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值,即,二、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)(reversible cycle and irreversible cycle ),,,,,45,三、
26、動(dòng)力循環(huán)(正向循環(huán))(power cycle; direct cycle ),輸出凈功;在p-v圖及T-s圖上順時(shí)針進(jìn)行;膨脹線在壓縮線上方;吸熱線在放熱線上方。,,,,,,,46,四、逆向循環(huán)(reverse cycle) ▲制冷循環(huán)(refrigeration cycle) ▲熱泵循環(huán)(heat-pump cycle),一般地講:輸入凈功; 在狀態(tài)
27、參數(shù)圖逆時(shí)針運(yùn)行; 吸熱小于放熱。,,,,,,,,47,精品課件!,48,精品課件!,49,,動(dòng)力循環(huán): 熱效率(thermal efficiency),逆向循環(huán): 制冷系數(shù)(coefficient of performance for the refrigeration cycle),供暖系數(shù)(coefficient of perfor
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