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工程热力学

晨怡热管 2009-11-7 16:52:47
1.1 基本概念

1.2 热力学第一定律

1.3 传热学

教学目的与要求:

1. 了解工程热力学的基本概念、传热学的基本概念,能正确理解这些基本概念的定义和意义。

2. 熟悉热力学系统的基本内涵、热能转换装置的工作过程。

3. 掌握热力学第一定律的内容及实质。

4. 掌握传热三种方式的内容及实质。

内容和时间安排、教学方法:

1.内容和时间安排:4学时

2.教学方法:课堂讲解、多媒体教学、案例教学、课堂提问。

 

教学重点和难点:

1.重点:工程热力学的基本概念、热力学第一定律的内容及实质;

2.难点: 热力学系统的基本内涵;传热三种方式的实质;

  

    热力学是研究热能和其它形式的能量相互转换规律的学科。工程热力学是热力学的一个分支,是从工程应用的角度研究热能和机械能相互转换规律的一门学科。工程热力学研究的内容为:热能与机械能相互转换的媒介质——工质的性质;热能与机械能相互转换的过程;提高热力设备和装置经济性的有效途径和方法。

 

1.1  基本概念

   通过简要介绍常见的热能转换装置的工作过程,建立工质、热力系统、热力状态、状态参数、可逆过程、循环等概念,使我们能正确理解这些基本概念的定义和意义。

常见热能转换装置的工作过程:

1.1.1  柴油机工作过程

   柴油机是活塞式内燃机的一种,它的基本结构由固定部件、运动部件、配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、操纵系统组成,图1-1是四冲程柴油机工作原理示意图。

   柴油以雾状喷入气缸,在气缸中与高温高压的空气混合并燃烧,燃烧后的高温高压燃气推动活塞下行并带动曲轴转动。燃料的化学能通过燃烧转化为热能,又通过曲柄连杆机构转化为输出的机械能,通过进、排气过程完成新鲜空气与废气的置换。

      图1-1四冲程柴油机工作原理示意图

1)燃气轮机装置工作过程

    简单的燃气轮机装置包括压气机、燃气轮机、燃油泵和燃烧室。图1-2是燃气轮机装置的示意图。油泵和压气机向燃烧室供给增压后的燃油和空气,它们在其中混合并燃烧,释放出热能,燃烧后的高温燃气在叶轮前的喷管中膨胀,把热能转换成动能,高温燃气转变成高速气流,高速气流冲击叶轮叶片,并使叶轮轮轴转动,向外输出机械能,作功后的废气由排气口排向大气并在大气中放热。

      图1-2燃气轮机装置示意图

2)、蒸汽动力装置工作过程

蒸汽动力装置由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵所组成,燃料在锅炉的炉膛内燃烧,将燃料的化学能转变成烟气的热能,经炉膛沸水管壁传热给管内的水,水受热后变成蒸汽储藏在汽包内,包内的蒸汽又通过过热器进一步加热后,输送到汽轮机,蒸汽进入汽轮机后,先在汽轮机进口处的喷管中膨胀,转变成高速气流,高速气流冲击汽轮机叶片,并使汽轮机轮轴转动,向外输出机械能。作功后的乏汽排入冷凝器,在冷凝器中放热并冷凝成水,水再由水泵送入锅炉,经加热后又变成蒸汽。如此循环往复,蒸汽动力装置就不断地将热能转换成机械能并传输给外界。

3)、蒸汽压缩制冷装置的工作过程

   产生并保持比环境温度低的温度需要制冷装置。在船上及生活等领域普遍采用蒸汽压缩制冷装置。蒸汽压缩制冷装置的基本设备由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器(冷库)所组成,图1-4为它的示意图。

图1-4?? 蒸汽压缩制冷装置工作示意图

   从对上述四个热能转换装置工作过程的介绍可以看出,柴油机、燃气动力装置、蒸汽动力装置虽然它们的工作原理、设备各不相同,但都是将热能转变成机械能的装置,这也是一切热动力机能量转换的共同方式;而蒸汽压缩制冷装置则是用消耗机械能的方式将低温制冷剂升高温度,使从冷库中取出的低温热量和消耗的压缩功一起放给环境。消耗一定的能量才能使低温热量传向高温环境,这也是一切制冷装置的工作原理。

1.1.2 工质

   从上述热力设备的工作过程中我们知道,在热能和机械能的相互转换中必须要有一个工作物质,例如柴油机的工作物质为空气和燃气,蒸汽动力装置的工质为水和水蒸汽,蒸汽压缩制冷装置的工作物质为制冷剂。在热力转换过程中由这个工作物质来吸收热量膨胀并对外做功,或者由这个工作物质把从冷库吸收的热量放给环境,没有这个工作物质,就不可能实现热能和机械能之间的转换。我们把这个工作物质称为工质,即实现热能和机械能相互转换的媒介物称为工质。

   作为工质的物质必须具有良好的膨胀性、压缩性和流动性。所以,热动力装置所用的工质都为气态物质,如空气、燃气和蒸汽。

1)热力学系统

    从上述热能转换装置的工作过程我们知道,任何一种能量转换装置都是由几个相互作用的实现能量转换或传递的热力设备所组成的。例如蒸汽动力装置是由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵所组成。为了进行热力学分析,首先我们要在相互作用的各种热力设备中划分一个(或几个)热力设备作为研究对象,这种被划分出来的研究对象称为热力学系统,简称系统。系统之外的其它热力设备统称为外界。系统与外界的分接口称为边界。边界可以是真实的,也可以是设想的。例如取压缩空气瓶内的空气为系统,则瓶的内壁面就是真实的边界;而当取废气涡轮内的空气作为系统时,则进出口处的边界是设想的。

    热力学系统与外界一般有三种相互作用:系统与外界的物质交换,热的交换和功的交换。按照系统与外界相互作用的特点,在热力学中往往把系统分为下述几类。
    闭口(封闭)系统:系统与外界没有物质的交换。例如把柴油机气缸中正进行膨胀的燃气选作系统,尽管燃气会从气缸与活塞的缝隙间漏泄一点,但泄漏量极小,可以足够精确地看作系统与外界没有物质交换,这就是封闭系统,如图1-5所示。封闭系统是由闭合表面包围的质量恒定的物质集合。封闭系统与外界可以有热和功的交换,也可以没有。

   开口系统:系统与外界有物质的交换。例如把废气涡轮选作系统,它有工质的流入与流出,这就是开口系统,如图1-6所示。开口系统与外界可以有热和功的交换,也可以没有。

图1-5封闭系统

图1-6 开口系统

图1-7 绝热系统

   绝热系统:系统与外界没有热量的交换。如图1-7所示的燃气膨胀时有热量传给冷却水,如取燃气和冷却水(通常称为冷源)为系统,则包括燃气和冷却水的系统与外界没有热交换,因而该系统为绝热系统。
   孤立系统:系统与外界没有物质交换,也没有热和功的交换。如果把所有发生相互作用的各种热力设备作为一个整体,并把这个整体选定为所研究的系统,虽然这个系统内部的各部分可以有物质交换、热和功的交换,但这个系统作为整体与外界没有任何相互作用,那么这个系统就是孤立系统。
与系统发生作用的外界也可分为以下几种:
   热源:热力学中将与系统只发生热的相互作用的外界,称为“热源”。温度高的热源称为高温热源,温度低的热源称为低温热源,并且认为热源的容量足够大,它吸入和放出有限热量时温度保持不变。
   功源:热力学中将与系统只发生功的相互作用的外界定义为“功源”。功源与封闭系统交换的功是直接通过系统中工质膨胀或压缩引起的容积改变实现的,称为“容积功”;功源与开口系统交换的功通过转轴传递,称为“轴功”。习惯上,系统对外界(功源)作功为正值,外界(功源)对系统作功为负值。
   质源:热力学中将与系统进行物质交换的外界定义为“质源”

2)热力系统的状态参数

   从上面的讨论可以知道,当系统处于平衡状态时,可以用确定的唯一的一组状态参数值来描述它。在工程热力学里,常用的状态参数有六个,即压力、温度、容积、内能、焓和熵。在这六个状态参数中,只需知道其中任意两个独立的状态参数就可以决定一个状态,所以工质的状态也可以用参数坐标图表示。
工程上把可直接观察和测量的状态参数称为基本状态参数,它们是压力、温度和比容。
   在工程热力学中,把工质指向系统表面(真实的容器壁或假想的分接口)单位面积上的垂直作用力,称为“压力”(即压强)。分子运动论把气体压力看作是气体分子撞击壁面的宏观表现,数值上等于单位容积内的分子数与分子的平均移动动能乘积的三分之二。
压力的定义式:
上式中:P------工质指向表面的垂直作用力,单位为牛顿,用N表示;
f-------作用面积,单位为平方米,用m2表示。
压力的国际单位为N/m2,称为帕斯卡,简称“帕”,符号为Pa。
系统的真实压力称为绝对压力,绝对压力p是工质的状态参数。因为不管用什么测压仪表,如图1—8? 弹簧管压力表、图1—9U形管压力计,测得的是工质的绝对压力p与大气压力pb之间的相对值。因为大气压力随时随地都会发生变化,所以测量值不等于系统的真实压力值,不能真实地表示系统内工质所处的热力状态,所以这个相对值就不是工质的状态参数

图1—8 弹簧管压力表 图1—9 U形管压力计

当绝对压力高于大气压力(p> pb)时,压力表(计)指示的数值称为表压力,用pg表示,如图1—9(a)所示。显然,这时系统绝对压力为:
文本框:

 

当绝对压力低于大气压力(p< pb)时,压力表(计)指示的读数称为真空度,用pv表示,如图 1—9(b)所示。显然,这时系统的绝对压力为:
文本框:

 

3)、温度
从热力学的角度来看,处于热平衡的各个系统,必定有某一宏观特性是彼此相同的,描述此宏观特性的物理量称为温度。
从宏观上来看,温度是表示工质冷热程度的量度,温度是判断工质能否从外界接受热量,或者对外传出热量的根据。
温度的数值表示方法称为温标,常用的温标有以下三种:
摄氏温标:即在标准大气压力下,纯水的冰点规定为0度,沸点为100度,在这两点之间均分为100等分,取其中的一份为摄氏1度,记作:1℃,摄氏温标用符号t℃表示。
华氏温标:即在标准大气压力下,纯水的冰点规定为32度,沸点为212度,在这两点之间均分为180等分,取其中的一份为华氏1度,记作:1oF,华氏温标用符号toF表示。
热力学温标:又称绝对温标,它是以摄氏零下273.15度作为绝对温标的零度,每度的间隔与摄氏温标相同,1度记作1K,开氏温标用符号TK表示。
大部分国家应用摄氏温标,英、美等国家采用华氏温标,工程热力学计算中常用绝对温标,因此必须掌握它们之间的换算。
根据上述三种温标的定义,如果已知摄氏温度为t℃,则相当于华氏温度为
文本框:

 

若已知华氏温度为toF,则相当于摄氏温度为
文本框:

 

若已知摄氏温度为t℃,则绝对温度为
文本框:

4)、容积和比容
一定质量的工质所占有的空间称为工质的容积,用V表示,单位是m3。单位质量工质的容积称为比容,用符号v表示,单位为m3/kg。设质量为m kg的工质所占的容积为V m3,则其比容为:
v=V/m m3/kg。
容积和比容均为工质的热力状态参数。
5)、内能和比内能
物质内部具有各种能量,如由原子结合成分子的化学能、原子内部的原子能以及分子不规则运动的热能。工程热力学研究的是热能与机械能之间的相互转换,因此把工质具有的热能称为内能。用U表示,单位是KJ。单位质量工质的内能称为比内能,用u表示,单位为KJ/kg。可见 u=U/ m

6)、焓和比焓

因为工质流经开口系统时其比内能u和压力与比容的乘积pv总是同时出现,所以在热力学中把这两者之和称这比焓,用h表示,单位是KJ/kg。即
文本框:

对于mkg处于平衡状态的工质,则有
  
式中的H称为mkg工质的焓,单位为KJ。
因为U、u、p和v均为工质的状态参数,因此焓和比焓也为工质的热力状态参数。
7)、熵和比熵
在一个微元过程中,mkg工质从热源吸收的微元热量dQ除以工质吸热时的绝对温度T所得的商,定义为工质在绝对温度T时熵S的增量dS,
文本框:  即 将上式两边除以m,得
S的单位为KJ/k,s为工质的比熵,单位是KJ/kg.k。熵和比熵均为工质的热力状态参数。
由以上两式可知,dq>0,则ds>0,即系统从热源吸热,工质比熵增加;反之,dq<0,则ds<0,即系统向热源放热,工质比熵减少;若dq=0,则ds=0,即系统与热源绝热,工质比熵不变。因此我们可以根据工质比熵的变化来判断系统与外界热传递的方向。

对内能U或比内能u、焓H或比焓h、熵S或比熵s,在热力学的计算中只用到它们的变化量,因此它们为零值的基准态可以人为地选定。

 

 

 

1.2热力学第一定律

1.2.1、热力学第一定律的内容及实质

    自然界中存在各种形式的能量,能量不能被创造,也不能被消灭,只能相互转换,在转换时数量上守恒。这是人们在长期的实践和精确的实验中总结出来的自然界的普遍规律——能量守恒与转换定律。

   热力学第一定律可以表达为: 当热能与机械能和其它形式的能量相互转换时,能的总量保持不变。

    对于任意热力学系统,各项能量之间的平衡关系可表达为:

   输入系统的能量 系统输出的能量 = 系统中储存能量的变化量

   根据上式,我们将能量分为传递中的能量和系统中储存的能量两大类。传递中的能量,即通过系统边界传递的能量为功和热量两种,它们不是系统的状态参数,而是过程函数;系统中储存的能量,从宏观上来看,当系统状态一定时,系统储存的能量就有一个确定的数值,因而是一个状态参数。在工程热力学中,将系统储存的能量分为两大类:一类是以系统外部参照系来描述的能量,如系统作整体运动时所具有的动能和重力势能;另一类是以系统内工质的分子运动和其它微观运动模式所确定的能量,这就是内能,它是由系统本身的热力状态参数唯一确定的。

一)、热量

   系统与外界由于存在温差而通过边界传递的能量称为热量。习惯上,规定系统从热源吸热为正值,系统向热源放热为负值。热量是传递中的能量,它只有通过边界传递时才出现,一旦通过了边界,它便转化为系统或外界的能量。因此,不能说系统“具有”多少能量。传递热量的驱动力是温差,热量总是自发地从高温处传递到低温处。因为温度是物体内部分子和原子不规则热运动剧烈程度的量度,所以,热量是不规则热运动的能量传递方式。

二)、容积功

    封闭系统中的工质容积改变时通过边界与外界交换的功称为容积功,用W表示。单位质量的功称为比功,用w表示。按习惯,规定系统对外做功为正值,而外界对系统做功为负值。与热量类似,功也是传递中的能量,它只有在传递过程中才出现,一旦这种传递中的能量通过了系统边界,它便转换成系统或外界的能量。因此,我们不能说系统“具有”多少功。 作功的驱动力是压力差,功是规则运动下的能量传递量。

三)、封闭系统的热力学第一定律

    如图1—10所示,取气缸中质量为mkg的工质为封闭系统,其外界为热源和功源。热源给系统的加热量Q为输入的能量,系统对功源作的膨胀功W为系统输出的能量,系统内能的变化量为 ΔU=U2-U1 ,则为系统中储存能量的变化量。

图1-10封闭系统与外界的能量转换

根据热力学第一定律可得:Q-W=ΔU或者说Q=ΔU+W
对于单位质量工质的封闭系统,则有:q=Δu+w
对于一个微元过程,则有:dq=du+dw
以上三式为封闭系统热力学第一定律的三种一般表达式。
公式中的量都是代数值,若
q>0表示热源对系统加热
q<0表示系统向热源放热
Δu >0表示系统比内能增加
Δu <0表示系统比内能减少
w >0表示系统对功源作功
w <0表示功源对系统作功
以上三式是由普遍适用的能量转换和守恒定律直接应用于封闭系统而导出的,所以适用于任何工质和任何过程。
对于可逆过程,因为,所以封闭系统可逆过程热力学第一定律可表述为
例1-1容器中装有一定质量的热水,热水向周围大气放出热量10KJ,同时功源通过搅拌器热水作功15KJ,试问热水内能变化量为多少?
解:取热水为封闭系统,由热力学第一定律可得:
因系统向外放热为负,
外界对系统作功为负,
所以

可见,热水内能的增加量为5KJ ,从这个简单的例子可以看出,判断系统内能的变化,不能只看见系统与外界的热量交换或系统与外界的功交换,而应看两者的综合结果。

 

 

 

1.3? 传热学

1.3.1、传热学的基本概念及传热的三种方式

传热学是研究热能传递规律的一门科学。热能可以自发地从高温物体向低温物体传递,因此,只要存在温度差,就必然发生热能的传递过程。可见,热能的传递现象是日常生活和工程技术中常见的现象。
为了便于分析,按照热传递过程中物质运动的特点,把热传递分为以下三种基本方式:
(1)热传导:简称“导热”,它是不同温度的物体之间通过直接接触,或同一物体不同温度的各部分之间,当没有宏观相对位移时,由分子、原子或自由电子等微粒的热运动来传递热量的过程。
(2)热对流:它是流体中不同温度的各部分之间,由流体微团宏观相对位移来传递热量的过程。

(3)热辐射:当物体温度高于绝对零度时,物体由于具有一定温度而向外放射辐射能,辐射能通过电磁波向外传播。物体将热能转化为向外放射辐射能的现象称为“热辐射”,其电磁波的波长范围为0.4~1000μm。不同温度的物体之间,由电磁波来传递热量的过程,称为“辐射换热”。

1.3.2、导热

导热是依靠物质的分子、原子或者自由电子等微粒的热运动来传递热能的。只要有温度差,无论固体、液体或气体中都会有导热现象。同理,在固体与液体、固体与气体以及液体与气体接口上也有导热现象。在任一瞬间,在所研究的空间中所有点上的温度分布称为温度场。稳定温度场中各点的温度不随时间而改变,它可表示为:

=(x、y、z)

温度分布可以是三个坐标、两个坐标或一个坐标的函数,即温度场有三维、二维和一维温度场,一维温度场表达式为:
温度相同的点集合的线或面称等温线或等温面。

温度梯度是等温面法线方向上单位长度的温度增量,其数学表达式为: 文本框:

 

温度梯度是向量,其方向沿等温面的法向指向温度增加的这一边,因为热传导的方向是由高温到低温,所以导热的方向与温度梯度的方向相反。
单位时间内,由于导热通过等温面单位面积的热流量与温度梯度成正比,即

文本框:

上式称为傅立叶定律的数学表达式。其中比例系数称为导热系数。负号表示热流量的方向与温度梯度的方向相反。同理,单位时间流过面积F的导热量

文本框:

导热系数是每单位温度梯度所传导的热流密度值。不同物质的λ值差异很大。按物质的种类来分,λ值以金属为最大,非金属固体较大,液体较小而气体为最小。其中银的λ=418 W/(m·℃)为最大,哥罗仿气体的λ=0.006 6/(m·℃)为最小。其具体数值可查有关热工手册。

1.3.3、对流换热

   流动流体与固体壁面之间的热交换过程称为对流换热。这种换热过程,既包括壁面与流体直接接触的导热,还包括因密度差在流体内引起的热对流。英国物理学家牛顿提出了对流换热公式——牛顿冷却定律,即壁面外表面与冷却水之间的对流换热公式为:


式中:—对流换热的热流量,单位为
—换热面积,单位为
—冷却流体温度,单位为℃;
—壁面温度,单位为℃;
—放热系数,,是壁面对冷却流体的放热系数。
可见,对流换热的热流量与温差成正比,与放热系数成正比。越大,对流换热越强烈。反之,越小,对流换热则越弱。
1.3.4、辐射换热
物体中的原子内部,处于束缚态的电子从高能态向低能态跃迁时,使电场发生变化,电场的变化引起相应磁场的变化,而磁场的变化又激起电场变化。这样由于电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向四周放射出去,这种能量就叫做辐射能。因此,辐射能的发射是原子内部经过复杂运动的结果,而热辐射是因热能使原子内部激动所发出的电磁波。可见,物体只要有一定的温度,便不可避免地发射出热辐射。物体温度越高则发射的辐射能量越多。由于电磁波的传播是以光速进行的,而又不需要任何中间介质,因此辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。
电磁波包括波长从10-8μm到几公里的各种波(1μm=10-6m)。根据不同波长范围的电磁波效应和用途,人们把它们分为宇宙线、γ射线、x射线、紫外线、可见光线、红外线和无线电波等。传热学中用来进行热辐射的电磁波仅有可见光线和红外线。人们把0.4~1000μm这一波长范围内的电磁波称为热射线。其中包括0.4~0.7μm的可见光线,0.7~25μm的近红外线和25~1000μm的远红外线。可见光线所处的波长范围很窄,又处于短波区,它在一般工程范围内其热效应较小。近红外线的能量占热射线能量中的大部分。人们将热射线的传播过程称为“热辐射。
热射线中包括有可见光线,因此可见光线的投射、反射和折射的规律也适用于热射线。

图2-1物体对热辐射的吸收、反射和透射

如果A=1,则R=0,D=0。这说明所有落在物体上的辐射能全部被该物体所吸收,这一类物体叫做绝对黑体或黑体。
如果R=1,则A=0,D=0。这说明所有落在物体上的辐射能全部被反射,该物体称为绝对白体或白体。
如果D=1,A=0,R=0。这说明所有落在物体上的辐射能全部穿过该物体,该物体称为绝对透明体或透明体。

   自然界中并不存在绝对黑体、绝对白体和绝对透明体,这些概念的建立都是为了研究辐射现象方便而假定的。A、R和D的数值要由物体的性质、温度和辐射的波长来决定。例如,空气对热射线是透明体,但当空气中混杂有水蒸汽或碳酸气时,它就变成半透明介质。玻璃对于红外线、紫外线是不透明体,它只允许可见光透过,因此人们用玻璃来制作暖房。因为玻璃只允许可见光线将辐射能传入暖房,却不允许暖房的红外线辐射出去,因此暖房内温度不断升高。
   对常温下的热射线来说,黑漆、白漆与黄漆等,其吸收率为0.90~0.95,但对太阳辐射,因为可见光约占一半的能量,所以黑漆的吸收率为0.96,而白漆的吸收率仅为0.12~0.16。可见,颜色的深浅对可见光的吸收率影响最大。对常温下的热射线来说,吸收率主要决定于物体表面的粗糙度,不管什么颜色,平滑面和磨光面,其反射率都要比粗糙面高好几倍。这是因为热射线射到凹凸不平的壁面上会形成多次反射和吸收,使总的吸收量QA增大。

   实践证明,气体对于辐射能几乎不能反射,因此反射率R=0,所以A+D=1。当辐射能投射固体或液体的表面时,除反射的能量外,其余的能量在进入表面很小距离内即被吸收完毕。因而可以认为固体和液体的穿透率D=0,其A+R=1。
责任编辑: banye 参与评论
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