《工程热力学总复习》课件

《工程热力学总复习》本次总复习将深入探讨工程热力学的核心概念和原理,帮助学生全面掌握相关知识,为后续的专业学习打下坚实基础我们将从基本定律、热量传递、流体力学等多个角度出发,为同学们提供系统化的复习指导热力学基本概念系统与环境热量和功12热力学研究研究物质和能量在热量是通过物理边界进出系统封闭系统中的转换和平衡过的能量形式,功是系统对环境做程功温度和热平衡热力学定律34温度是反映物质热状态的参数,热力学第一定律和第二定律描两个系统达到热平衡时温度相述了热量和工作在系统中的转等换规律热力学第一定律能量守恒热量和功的关系热力学第一定律阐述了能量的形任一系统的热量变化等于该系统式可以转换但不能被创造或破坏的功变化加上内能变化的原理状态函数和过程热效率优化热量和功都是过程函数,而内能是第一定律为确定热机等热力循环状态函数,只依赖于系统的初态和的效率提供了理论依据终态封闭系统热量和功的分析确定系统边界1明确系统中的热量和功的流动方向热量输入计算2分析系统与环境之间的热量交换功的输入输出3计算系统边界上功的流动方向和大小建立功能方程4将热量和功的输入输出关系建模对于封闭系统,重点在于明确系统边界,准确计算热量和功的输入输出通过分析各种能量流动,建立系统功能方程,为后续性能分析奠定基础这一步关乎整个系统分析的准确性和可靠性开放系统热量和功的分析传热过程1开放系统与外界环境存在传热交换,可以通过对流、导热或辐射等机理进行热量转移物质交换2开放系统可以与外界环境进行物质交换,如吸入新鲜空气、排出废气等这些过程中会有热量变化能量转换3开放系统内部可以发生能量转换,如化学能转化为热能或机械能等这些过程都会引起热量变化热力学第二定律热量流动规律熵增加原理卡诺循环效率热力学第二定律描述了热量自发流动的方热力学系统在任何自发过程中,熵值总是增卡诺循环是一个可逆循环,是热机效率最高向,即热量只能从高温物体流向低温物体,而加的,这意味着无序程度在不断增大的理想循环,其效率仅由高低温热源温度决不能逆向流动定熵的概念和计算熵是描述系统无序程度的物理量，反映了系统的可逆性和不可逆性熵变是衡量热传递过程中的不可逆性程度熵的计算公式为ΔS=Q/T，其中Q为热量变化，T为绝对温度通过熵变的计算可以评估系统效率，预测系统演化方向熵概念系统无序程度的度量熵变计算公式ΔS=Q/T熵变应用评估系统效率，预测系统演化熵变的估算熵变是反映一个系统随时间变化而引起的无序程度的变化我们可以通过以下几种方法来估算系统的熵变:内可逆过程和外可逆过程内可逆过程外可逆过程内可逆过程是在平衡状态下的可逆变化,即系统和环境之间的相互外可逆过程是在远离平衡状态下的可逆变化,系统和环境之间的相作用微小到可以忽略,能量变化是一种缓慢、连续的过程这种过互作用较大,能量变化是一种突然、不连续的过程这种过程会产程不会产生任何损失或浪费生一些损失和浪费能量转换设备性能分析转换效率功率输出能量转换设备的关键性能指标，反映设备单位时间内能够转换的能量数设备将输入能量转换为输出能量的能量，是衡量设备规格和能力的重要指力标可靠性经济性设备在长期运行过程中能否保持稳定能量转换设备的投资和运行成本也是性能和安全性是关键考量因素决定其应用价值的重要指标工质的性质和状态参数状态参数物性表12压力、温度、体积等基本状态工质的密度、比热容、导热系参数描述工质的当前状态确数等物性参数存在于标准物性定这些参数是进行热力学分析表中这些参数直接影响系统的关键的热力学过程相变特性状态方程34相变温度、相变潜热等参数描理想气体状态方程等数学模型述工质发生物态变化时的热力可用于预测工质的状态参数变学特性对于相变过程的分析化掌握合适的状态方程很关很重要键图解和图解PV T-sPV图解和T-s图解是工程热力学中常用的两种图解PV图解描述了系统的压力和体积之间的关系，T-s图解则展现了系统的温度和熵之间的变化这些图形可以直观地表示热力学过程，有利于分析系统的能量转换通过PV图和T-s图可以了解压缩机、涡轮机、蒸汽机等热量转换设备的工作过程和能量变化规律，为优化设计和分析提供依据理想气体状态方程体积理想气体的体积与温度和压力成正比体积改变对应温压的变化温度温度越高,分子动能越大,体积也会相应增大温度是体积变化的决定因素之一压力压力越大,气体分子相互碰撞的频率和力度也会增加,体积将缩小压力是体积变化的另一决定因素气体混合物的性质组成成分摩尔分数气体混合物由两种或多种不同种类的纯气体组成，每种气体都保持每种成分气体在混合物中所占的摩尔分数决定了其在混合物中的浓自身的化学特性度压力关系体积和密度根据Dalton定律，气体混合物的总压力等于各组分气体部分压力之气体混合物的体积等于各组分气体体积之和，密度取决于组分气体和的质量分数蒸汽功循环汽化过程将水加热到一定温度和压力条件下,使其从液态变为气态这一过程吸收大量热量,称为汽化潜热膨胀过程高压蒸汽进入汽轮机,在膨胀过程中做功,带动发电机发电冷凝过程从汽轮机排出的低压蒸汽进入冷凝器,通过冷却水的吸热作用而冷凝成液态水制冷循环制冷剂气化1吸收周围热量,制冷剂气化成低温蒸汽压缩2压缩机将低温蒸汽压缩成高温高压气体冷凝3高温高压气体在冷凝器中放出热量,冷凝成液态膨胀4制冷剂通过膨胀阀从高压降到低压,温度降低制冷循环利用制冷剂的相变吸放热特性,通过一系列过程实现对周围环境的制冷整个循环包括压缩、冷凝、膨胀和气化四个步骤,最终将热量从低温侧带到高温侧排出,从而达到制冷的目的内燃机工作过程进气冲程1活塞下降，燃料和空气进入气缸进气阀打开,气体自由流入气缸压缩冲程2活塞上升,压缩进入的燃料和空气混合物压缩比决定了每次循环的功率输出功冲程3压缩的混合物被点火,爆炸推动活塞下降,产生动力输出气缸内压力快速上升,驱动活塞压缩机工作过程机械能输入压缩机用机械能从外界输入压缩机,在活塞或转子的作用下,使工质压力和温度升高体积减小压缩过程中,工质体积不断减小,导致压力和温度上升这是压缩机的核心工作原理排出高压气体压缩后的高压工质从压缩机排出,可以用于下游设备如制冷压缩机或燃气轮机等绝热变化过程能量转换1系统内部能量以热量形式转换为功等熵特性2过程中系统熵不变温度变化3系统温度随体积变化而变化绝热过程是一种理想的能量转换过程,在其中系统内部能量全部以功的形式输出,系统熵保持不变这种过程的特点是温度随着体积的变化而变化,体积膨胀时温度降低,体积收缩时温度升高绝热过程广泛应用于压缩机、汽轮机等设备中等温变化过程定义1在等温过程中,系统的温度保持恒定不变特点2系统与外界的热量交换等于系统做的功应用3等温过程广泛应用于制冷、压缩机等过程等温变化过程是一种重要的热力学过程,在工程实践中应用广泛在这种过程中,系统的温度保持恒定,热量的交换等于系统做的功这种特点使等温过程在制冷、压缩机等领域得到广泛应用,是工程热力学中的重要概念之一聚合反应热计算1K反应热化学反应过程中释放或吸收的热量，用单位千焦表示95%热效率反应产物中实际存在的热量占理论反应热的百分比℃15标准状态常用的反应热计算条件是温度25℃、压力1个标准大气压化学反应焓变反应焓ΔH反应物和生成物在标准状态下的能量差放热反应ΔH0,反应过程中释放热量吸热反应ΔH0,反应过程中吸收热量反应焓是量化化学反应过程中能量变化的重要指标,反应焓的大小与反应条件和反应物品种有关掌握反应焓的概念对于分析和预测化学过程至关重要化学反应平衡常数

0.11100小平衡大表示反应物更易转化为产物反应物和产物浓度达到平衡表示产物更易形成化学反应平衡常数是一个衡量反应程度的重要参数它反映了反应物和产物在平衡状态时的浓度比平衡常数越大，表明产物越容易形成，反应更趋向于完成能源的种类和特点化石燃料可再生能源核能化石燃料如煤炭、石油和天然气是自然界数可再生能源包括太阳能、风能、水力、地热核能利用铀、钚等放射性元素的核反应释放百万年形成的有机物,储量有限且开发成本能等,具有可持续性和环境友好特点,但技术大量能量,具有高能量密度和无碳排放优点,高,但仍占主导能源地位成熟度和经济性还有待进一步提高但存在核泄露和核废料处理的安全隐患热电转换原理热电效应热电发电机热电转换是利用热电效应直接将热量转换为电能的一种技术当热电发电机由大量热电对组成,当发热端和冷却端温差越大,产生的两种不同的导电材料接触并存在温度差时,就会产生电动势这种电压和功率也越大热电发电机无需移动部件,结构简单,适合用于热电势的大小取决于材料的热电性能远程和分散式发电太阳能热利用系统太阳能热利用系统通过将太阳辐射转化为热能,满足建筑物的供热需求这种系统通常包括集热器、储热装置和供热设备集热器将太阳辐射转化为热量,储热装置储存热量以备需求,供热设备将热量传递给建筑物内部这种系统能够有效利用清洁可再生的太阳能资源,减少化石燃料消耗,降低温室气体排放它广泛应用于家庭供暖、工业生产等领域,为可持续发展做出重要贡献燃料电池工作原理电化学反应原理结构组成发电过程燃料电池通过电极上的氧化还原反应产生电燃料电池由阳极、阴极和电解质膜三部分组燃料电池将化学能直接转换为电能,过程中流,其中氢气在阳极发生氧化反应,氧气在阴成燃料从阳极进入,经过电化学反应产生不经历热机循环,因此效率较高,出力稳定,适极发生还原反应这种直接转化化学能为电电子,通过外部电路输出电流用于分散式发电和移动设备能的过程具有高效清洁的特点生物质能转换利用生物质来源生物质广泛存在于农林废弃物、能源作物和生活垃圾等形式这些可再生资源是重要的能源来源转换技术生物质能可通过燃烧、气化、生物发酵等工艺转换为电力、热能或交通燃料这些技术正在不断优化升级可持续利用生物质能是可再生、清洁、碳中和的能源,其可持续开发利用对于实现能源转型具有重要意义地热能利用技术基础设施发电应用直接供热热泵应用地热能利用需要建立良好的钻地热发电利用高温蒸汽或热水低温地热水可直接用于建筑供地热热泵利用地下浅层热量,探和管道基础设施,以从地下驱动涡轮发电机,是一种清暖、工业制程等领域,提高能能够为建筑提供高效的供暖和热源中提取热量并传输到使用洁、可再生的能源利用方式源利用效率制冷地点储能技术与应用电化学储能机械储能12包括锂离子电池、钠离子电池如抽水蓄能发电和压缩空气储等,可大规模储存电能以备需求能,利用高位能量储存能量高峰热能储存混合储能系统34采用相变材料或热容储存热量,结合不同储能技术,发挥各自优可用于建筑供暖制冷和工业余势,提高储能效率和可靠性热回收本课程的复习要点热量和功的概念热力学定律理解热量和功的定义以及在热力掌握热力学第一定律和第二定律学过程中的应用的内涵及其在工程应用中的重要性热力学状态参数循环过程分析熟悉压力、体积、温度等热力学掌握蒸汽功循环、制冷循环等热状态参数的概念及其相互关系力学循环过程的分析方法。