工程热力学教案105版.docx
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工程热力学教案105版
课程名称:
工程热力学
所在单位:
动力与能源工程学院
课程性质:
专业基础课
授课学时:
64学时(8学时实验)
授课专业:
热能与动力工程,核工程与核技术,轮机工程
授课学期:
第3(或4)学期
教学基本进度
教学学时
主要教学内容
说明
1〜2
绪论,热能和机械能相互转换的过程,热力系统,工质的热力学状态及其基本状态参数
授课
3〜4
平衡状态、状态方程式、坐标图,工质的状态变化过程,过程功和热量,热力循环
授课
5~6
热力学第一定律的实质,热力学能和总能,能量的传递和转化
授课
7〜8
焓,热力学第一定律的基本能量方程式
授课
9〜10
开口系统能量方程式,能量方程式的应用
授课
11〜12
理想气体的概念,理想气体的比热容
授课
13〜14
理想气体的热力学能、焓和熵,水蒸气的饱和状态和相图;
授课
15〜16
水的汽化过程和临界点;水和水蒸气的状态参数;水蒸气表和图
授课
17〜18
理想气体的可逆多变过程;定容过程;定压过程;定温过程
授课
19〜20
绝热过程;理想气体热力过程综合分析;水蒸气的基本过程
授课
21〜22
热力学第二定律;卡诺循环和多热源可逆循环分析;卡诺定理
授课
23〜24
熵、热力学第二定律的数学表达式;熵方程
授课
25〜26
孤立系统熵增原理
授课
27〜28
火用参数的基本概念、热量用;习题课
授课
29〜30
稳定流动的基本方程式;促使流速改变的条件;
授课
31〜32
喷管的计算;
授课
33〜34
有摩阻的绝热流动;绝热节流,习题课
授课
35〜36
单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量;余隙容积的影响
授课
37〜38
多级压缩和级间冷却。
叶轮式压气机的工作原理。
授课
39〜40
分析动力循环的一般方法;活塞式内燃机实际循环的简化;活塞式内燃机的理想循环
(1)
授课
41〜42
活塞式内燃机的理想循环
(2);活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
授课
43〜44
燃气轮机装置循环;燃气轮机装置的定压加热实际循环
授课
45~46
简单蒸汽动力装置循环-――朗肯循环
授课
47〜48
蒸汽动力装置再热循环;回热循环,习题课
授课
49~50
概述;压缩空气制冷循环;压缩蒸汽制冷循环;热泵循环
授课
51〜52
理想气体混合物;理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵
授课
53〜54
湿空气;湿空气的状态参数;湿球温度和绝热饱和温度;湿空气焓-湿图;湿空气过程及其应用
授课
55~56
总结,机动
授课
57〜58
工程热力学实验
实验
59〜60
工程热力学实验
实验
61〜62
工程热力学实验
实验
63〜64
工程热力学实验
实验
教材:
沈维道,蒋志敏,童钧耕合编•工程热力学(第四版)北京:
高等教育出版社,2001
严家騄,余晓福著•水和水蒸汽热力性质图表•北京:
高等教育出版社,1995主要参考资料:
曾丹苓,敖越,朱克雄等编•工程热力学(第二版)北京:
高等教育出版社,1986
朱明善,林兆庄,刘颖等•工程热力学•北京:
•清华大学出版社.1995严家騄编著•工程热力学(第二版)•北京:
高等教育出版社,1989朱明善,陈宏芳•热力学分析•北京:
高等教育出版社,1992
赵冠春,钱立仑•火J分析及其应用•北京:
高等教育出版社,1984
绪论
(课时1)
一、为什么学习“工程热力学”
热力学与专业培养目标的联系,说明学习工程热力学对本学科的重要性
厶/1=^.
二、能量
化学能
燃烧
热能
太阳能
光热
转换
热能
热机机械能
地热能
利用
热能
原子能
聚变
裂变
热能
发电机电能
电动机
能量的形式:
风
车
直接应用
风能
机械能
水力能
水
轮机
机械能
太阳能
光
电转
换电能
化学能
燃
料电
池电能
由能量的形式,人类面临的能源形式说明工程热力学对于动力工程的重要性。
三、工程热力学的主要内容
热力学基本概念;热力学第一定律;气体和蒸汽的性质和基本热力过程;热力学第二定律;实际气体性质简介;气体和蒸汽的流动;压气机的热力过程;气体动力循环;蒸汽动力装置循环;制冷循环;理想气体混合物及湿空气;化学热力学基础。
四、热力学的研究方法
1.宏观的研究方法(宏观热力学;经典热力学)
2.微观的研究方法(微观热力学;统计热力学)
工程热力学主要应用宏观的研究方法,但有时也引用气体分子运动理论和统计热力学的基本观点及研究成果。
五、怎样学好工程热力学
强调到课率和作业的重要性。
要求作业及时完成,不等不拖,说明考核方式。
第1章基本概念及定义
(课时2)
一、基本要求
1.掌握工程热力学中的一些基本概念(热力系,平衡态,准平衡过程,可逆过程)
2.掌握状态参数的特征,基本状态参数的定义和单位;
3.掌握热量和功量过程量的特征,正确理解并运用可逆过程的热量、功量的计算。
二、本章重点和难点
1.必须正确理解一些重要的概念:
平衡状态,准平衡过程,可逆过程;
2.区分状态量和过程量的特征。
1.1热能在热机中转变成机械能的过程
蒸汽动力装置内燃机
热能动力装置燃气动力装置内燃
燃气轮机
制冷空调
引出几个定义:
工质实现热能和机械能相互转换的媒介物质(workingsubstanee);
高温热源一一工质从中吸取热能的物质;
低温热源一一接受工质排出热源的物质;
总结热能动力装置的工作特点(体现工程热力学的研究方法)
1.2热力系统
一、热力系统
1.热力系的定义和图例:
热力学中把分析的对象从周围物体中分割出来,研究它与周围物体之间的能量和物质的
传递,这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。
闭口系统
2.热力系的分类
开口系统
绝热系统
孤立系统
(1)结合思考题1:
闭口系与外界物物质交换,系统内质量保持恒定,那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗(开口系中的质量是否就一定是变化的)?
注意区分开口系与闭口系的主要因素为:
区分是闭口系统还是开口系统的依据是有没
有质量跨越系统的边界,而不是系统中质量的数量是否变化。
(2)“绝热”的概念:
由于温差而传递的能量
(3)孤立系的取法与意图,在此处阐明孤立系是一个理想化的概念。
是为了研究问题的方便,用一个假想的边界,把进行能量转换的一切有关物体都包括进来构成一个孤立系统。
(强调)孤立系统内部各子系统之间可以有各种相互作用,而孤立系统与外界之间则无任何
相互作用。
(以利于第5章孤立系熵增的理解)。
3•热力系的选取
二、边界(Boundary/Controlsurface
说明:
a.边界可以是实际的,也可以是假定的;
b.边界可以是固定的,也可以是移动的。
三、外界(Surrounding)
以例子说明研究外界的作用。
为热力系
分析打基础。
四、热力系统模型实例
以换热器和高压锅中的热力传递为例,说明如何选好热力系
热流体
冷流体
1.3工质的热力学状态及其基本状态参数
一、热力学状态
1.热力学状态
热力学状态的定义
2.状态参数及其性质
①状态参数
②状态参数的性质
状态参数是热力系统状态的单值函数,它的值取决于给定的状态,而与如何达到这一状态的途径无关。
状态参数的这一特性表现在数学上是点函数,其微分差是全微分,而全微分沿闭合路线的积分等于0。
即
?
dX
■
2
dX
i
0,
X2X1
X12
③状态参数的分类
P:
可直接用仪器测量,可测参数,基本状态参数;
V'
H:
通过热力学方法由基本参数推导而来,不可测参数。
强度量一一压力和温度这两个参数与系统质量的多少无关,称为强度量;
广延量——体积V、热力学能U、焓H、熵S等与系统质量成正比,具有可加性,称作广延量。
注:
热力学的广延量用大写字母表示,其比参数(单位质量的体积v热力学能u、焓
h、熵s)用小写字母表示。
(通过对量的代数形式的定义,引导学生在科学研究中尊重术语)
二、温度
物体A
物体B
1
物体A
物体B
热
八、、
冷
1―
热平衡
热平衡
物体A
物体C
物体B
IJ
物体A
物体C
物体B
1A
热平衡
热平衡
热平衡
物理意义③宏观:
温度是物体冷热程度的标志。
在此处插入热力学第零定律,使热力学体系更加完善。
②微观
温度是物质微粒热运动激烈程度的标志。
②测量
温度是利用温度计来测量的。
结合思考题,说明温度计的测温原理:
(思考题5)
②温标
温标一一温度的数值表示法。
不同温标之间的关系:
SAt2t2i可推出两种温标之间的关系。
tlst1it2st2i
几种类型的温度计及其测量属性
温度计
测温属性
气体温度计
压力或体积
液体温度计
体积
电阻温度计
电阻
热电偶
热电动势
磁温度计
磁化率
光学温度计
辐射强度
例1—1:
铂金丝的电阻在冰点时为10.000Q,在水的冰点时为14.247Q,在硫的沸点
(446C)时为27.887Q,试求出温度t/C和电阻RQ的关系式RR1AtBt2中的常数ABR0的数值。
结合(思考题6)说明经验温标的缺点,弓I出热力学温标。
热力学温标。
摄氏温度与热力学温度的关系
tT273.15K
三、压力
pv
1
1
P丿
丨1
pv
!
pb
F1
p
0
0
1.压力的定义
2•压力的测量。
通过测压元件的图例和工作情况说明压力计所测得的压力是工质的真实
压力(或称绝对压力)与环境介质压力之差,叫做表压力或真空度。
(理解思考题4);对压
力元件所处环境的说明:
(习题1-8)
3.压力单位:
Pa
1Pa=1N/m2
1MPa=106Pa
1atm=101325Pa,1at=98066.5Pa,1mmHg=133.3224Pa,1mmH2O=9.80665Pa
例1—2:
测得容器内气体的表压力为0.25MPa,当地大气压为755mmHg,求容器内气
体的绝对压力,并分别用MPa,bar,atm,at表示。
四、比体积和密度
比体积、密度
注意:
v1,因此它们不是相互独立的参数,可以任意选用其中之一,工程热力学中通常用v作为独立参数。
1.4平衡状态、状态方程式、坐标图(课时3、4)
一、平衡状态
通过状态的分类引出热力学的三个研究层次,使学生认识到热力学虽然是一门有上百年的历史的学科,但其依然充满活力,增加研究兴趣
1平衡状态的定义
说明:
1不受外界影响是指与外界既没有能量交换,也没有物质交换,但重力场的影响除外;
2始终保持不变,是指系统参数不随时间变化;
平衡包括
3热平衡,组成热力系统的各部分之间没有热量的传递;
4力平衡,各部分之间没有相对位移,系统就处于力的平衡。
5化学平衡,没有化学反应
6相平衡:
没有相的迁移。
实现平衡状态的充要条件:
只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡势差都不存在时
ThTl
铜棒
2无稳定状态。
内燃机、压气机在稳定状态时,工质状态的周期性规律不随时间而变。
说明在对此类热
力设备进行研究时应视之为稳定系统
换热器在设计工况下工作时各点状态也不随时间而变。
说明:
1.稳定状态的特征,各状态点或各点状态的周期性变化规律不随时间而变;
2.
各点状态可能不同,即系统内部的状态可能并不均匀。
稳定状态与平衡状态是不同的概念
区别:
稳定状态仅仅强调不随时间而变,并不强调这种不随时间而变的条件。
平衡状态既强调不随时间而变,也强调不随时间而变的条件,即在不受外界影响的条件下。
3均匀状态。
(平衡是相对于时间而言的,均匀是相对于空间而言的。
)
以例子说明如何区分平衡与稳定,平衡与均匀两种概念。
例1.3铜棒的一端与高温热源TH接触,另一端与低温热源TL接触,其表面与外界绝缘,
如图。
经历较长时间后,铜棒内各截面的温度不再随时间变化,试问铜棒是否处于平衡状态?
说明:
由此例可见要注意区分稳定与平衡两种不同的概念。
稳定状态时状态参数虽不随时间变化,但它是靠外界影响来维持的。
平衡状态是不受外界影响时参数不随时间变化的状态,两者有所区别,但又有联系——平衡必稳定,稳定未必平衡。
例1.4一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物,他们的温度和压力分别相等,不随时间而变化,试问汽水混合物是否已处于平衡状态。
说明:
本例说明,处于热力平衡状态的系统内部各种参数未必都是均匀的,即均匀必平衡,平衡未必均匀。
当然对于单相物质组成的系统,均匀必平衡,平衡也必均匀。
判断题:
均匀必平衡,平衡也必均匀。
有前提条件:
对于单相物系,均匀必平衡,平衡也必均匀;对于复相系统,均匀必平衡,平衡未必均匀。
注:
本书未加特别注明之处,一律把平衡状态下单相物系当成是均匀的,物系中各处的状态参数应相等。
例1.5试说明平衡状态的特征及其实现的条件?
二、状态方程式
TTp,v,ppT,v,vvp,T
FFp,v,T
三、状态参数坐标图
压容图pv和温熵图Ts。
强调:
只有平衡状态才能用状态参数图上的一点表示,不平衡状态因系统各部分的物理量一般不相同,在坐标图上无法表示。
1.5工质的状态变化过程
一、系统发生状态变化的原因
热力过程。
二、准平衡(静态)过程
1.准静态过程
准静态过程。
准静态过程。
势差足够小足够小地偏离平衡状态
气体工质和外界之间的压力
变化速度足够慢足够的时间恢复平衡
差为无限小,即:
pppext
F
A
0或p
F
pext
extA
气体工质和外界温差为无限小,即
T
TText
0或TText
实现准平衡过程条件
…7工口压力差无限小
准平衡过程
P
P-
F
pext
A
0
温度差无限小
T
T
Text0
即气体工质在压力差作用下实现准静态过程的条件是:
v
说明:
1.由于准静态过程中系统所经历的都是平衡状态,因而可以用状态参数来描述过程中的每个状态,也可以用状态方程来表示参数之间的关系,并能在各种
状态参数坐标图上,用一条过程曲线形象地把该过程表示出来。
这样,我们就可以运用数学工具对系统的准静态过程进行详尽的分析。
2•工程实际说明
二、可逆过程和不可逆过程
1.可逆过程特征。
2.可逆过程必须满足下列条件:
(使系
统实现可逆过程的条件是什么)
1可逆过程必须是准静态过程,即必须在势差足够小、变化足够慢的条件下进行。
这
样,每个中间状态都可看作是平衡状态,而且,一旦改变势差的方向,即可改变过程的方向;
2可逆过程中不存在任何耗散效应,如摩擦、扰动、电阻、永久变形等等,耗散效应
必定导致无法消除的影响。
因此,可逆过程也可定义为:
可逆过程是无耗散效应的准静
态过程。
3.不满足可逆过程的定义或条件的过程,称为不可逆过程。
4.典型的不可逆过程。
例如:
温差传热;自由膨胀;混合过程;节流过程;摩擦生热;粘性流体;阻尼振动;电阻热效应;燃烧过程;非弹性变形;磁滞损耗等等。
但。
5•实际过程的说明。
注意:
对可逆过程定义的说明重申热力学的研究方法。
课后思考题
1.判断下列过程中那些是可逆的、不可逆的,可以是可逆的,并扼要说明不可逆的原因。
(1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。
(2)对刚性容器内的水做功使其在恒温下蒸发。
(3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50C升温到100C。
(4)定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩。
(5)100C的蒸汽流与25C的水流绝热混合。
1.6过程功和热量
一、过程功
1.功的定义和单位
普通物理中功的定义:
在力F的作用下物体发生微小的位移dx,则力F所作的微功为
WFdx
式中:
W――微小功量(并非全微分)。
若物体在力F的作用下由空间某点1位移到点2,则力F所作的功为
W2
功的单位:
J,焦耳
1J的功相当于物体在1N的力的作用下产生
1J=1N•m
单位质量的物质所做的功称为比功,单位为
则比功为
W
wJ/kg
m
单位时间内完成的功称为功率,单位为W,
即1W=1J/s
工程上还用kW做单位
1kW=1kJ/s
2.可逆过程的功
按照功的力学定义,工质推动活塞移动距离
dx时,反抗斥力所做的膨胀功为
WFdxpAdxpdV
式中:
A――活塞面积;
dV――工质体积微元变化量。
2
Fdx
1
1m的位移时产生的功量,即
J/kg。
若质量为m的物质完成的功为W,
2
工质从状态1变化到状态2,所作的膨胀功为:
W1pdV
说明:
CO如已知可逆的膨胀过程1-2的方程式pfV,即可由积分求得膨胀过
程功的数值;
②膨胀功W,2在PV图上可用过程线下方的面积12nm1表示,因此pV
图也叫示功图。
如果工质是1kg,则所做的功为
wpdVpdv
m
2
Wi21pdv
过程依相反方向2—1进行时,同样可得
1
w212Pdv
应用功量公式应注意以下几点:
1.功量正负号规定(一定重点强调)。
由公式可知,
dv
0时,
W
0,无功量交换;
dv
0时,
W
0,系统对外做功,功为正;
dv
0时,
W
0,外界对系统做功,功为负。
简言之,系统对外做功,功为正;外界对系统做功,功为负。
2.功量的大小可以用pV图上过程线下方的面积表示;
3.功量是个过程量,W不是全微分。
当初终状态一定,而过程经历的途径不同时,
功量的大小也各不相同。
4•容积变化功的公式只适用于准静态过程和可逆过程,对于非此类过程,不仅不能用上
述公式来计算,而且不能用pV图来表示该过程,对于不可逆过程的功量必须用其它方法来计算。
5•此公式适用于任何工质。
流动工质在准静态过程中所做的膨胀功也可用此式计算。
6.准静态过程的膨胀功和压缩功,可用系统内部的参数描述,无须考虑外界的情况,但必须知道内部参数p,V的函数关系。
p,V的函数关系可根据研究的具体过程方程和实验数据确定。
7•闭口系工质在膨胀过程中所作的功并不全部用来输出作有用功,它一部分因摩擦而耗散,一部分用以排斥大气做功,余下的才是可被利用的功,称作有用功。
Wuwwrw
3.广义功(简介)
二、过程热量
1.定义:
热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由于温度的不同而通过边界传递的能量。
(能量的一种,是由温差引起的)
热量的单位:
J,焦耳
结合思考题2:
有人认为,开口系统中系统与外界有物质交换,而物质又与能量不可分割,所以开口系不可能是绝热系。
对不对,为什么?
*(此处重点阐述过程量的特点)从对功和热量的定义可以看出,热量和功都是能量
传递的度量,它们是过程量。
只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量,没有能量的传递过程就没有功和热量。
说物系在某一状态下有多少功或多少热量,显然是毫无意义的、错误的,因为功和热量都不是状态参数。
只有当系统状态发生变化时,才可能有功和热量的
传递,所以功和热量的大小不仅与过程的初、终状态有关,而且与过程的性质有关,它们是
过程量。
功和热量的不同之处。
便于对第5章热过程方向性的理解。
2.准静态过程中热量的计算公式
有限过程:
Q12
2
TdS
i
单位质量:
q
Tds
qi2
2
Tds
i
微元过程:
QTdS
经济性指标=—代价
二、正向循环
正向循环也叫热动力循
环。
设图为一正向循环的
说明:
1.热量正负号规定。
体系吸热,热量为正;体系放热,热量为负。
2.热量的大小可以用Ts图上过程线下方的面积表示;
3.热量是个过程量,q不是全微分。
当初终状态一定,而过程经历的途径不同时,热
量的大小也各不相同。
4.公式只适用于准静态过程和可逆过程,若非此类过程,不仅不能用上述公式来计算,而且不能用Ts图来表示该过程,对于不可逆过程得热量必须用其它方法来计算。
1.7热力循环
、热力循环及其分类
循环。
循环分类。
p-v和Ts图。
循环净功:
WnetW
正向循环的经济性用热效率
t愈大,即吸入同样的热量
三、逆向循环
循环收益一一循环净功
花费代价工质吸热量
Wnet
qi时得到的循环功Wnet愈多,它表明循环的经济性愈好。
制冷系数:
乙
Wnet
热泵系数(供热系数)
'q
Wnet
与热效率一样,制冷系数和热泵系数愈大,表明循环经
济性愈好。
本章小结
基本术语和基本概念:
热力系、平衡态、准静态过程、可逆过程。
准静态过程实现的条件。
可逆过程实现的条件。
状态参数及其性质、定义、单位;
热量和功量的特征以及可逆过程的热量和功量的计算。
可逆过程的功和热量:
微元过程注意问题
WpdVQTdS①正负号约定
wpdvqTds辺面积
有限过程
22
WpdVQ2TdS③过程量
11
22
Wi21pdvqi21Tds④适用范围
热力循环的分类及评价指标
第2章热力学第一定律
一、基本要求:
①正确识别各种不同形式能量的能力;
②根据实际问题建立具体能量方程的能力;
©应用基本概念及能量方程进行分析计算的能力;
⑷注意焓的引出及其定义式。
二、重点与难点
1、焓的定义、物理意义、性质;
2、不同形式的功,稳定流动中几种功的关系;
3、能量方程的应用。
2.1热力学第一定律的实质
(课时5、6)
功的单位及其相互关系:
在国际单位制中,热和功的单位皆为焦耳(J);
在工程单位制中,热,kcal;功,kgf•m。
由于1kcal=4.1868kJ=426.935kgf•m
功率:
单位时间内所做的功,用P表示,单位(SI)W,kW。
工程制:
马力
1W=1J/s;
1kW=1kJ/s=102.kgf.m/s;
1kW=1.36马力;
1马力=0.735kW。
1千瓦在小时内所做的功为一千瓦.小时1kW.h=3600kJ=860kcal;
1马力在小时内所做的功为——马力.小时
1马力.小时=2646kJ=632kcal。
热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象上的应用。
指出:
热能和机械能之间可
以互相转化,但总量
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- 关 键 词:
- 工程 热力学 教案 105