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1、1,童 钧 耕,上海交通大学机械与动力工程学院 工程热物理研究所,Tel:021-34206329Mail:,压水堆核电厂热工流体理论基础,2,电厂的任务,核能或化学能,热能,电能,能量转换的原理和规律,热量传递的规律,流体在各种设备中流动的规律,工程热力学,传热学,流体力学,热工流体理论,动力工程专业基础,3,第一章压水堆核电厂二回路热力循环,4,1.1.1 热能动力装置,分类及作功过程：,共同本质：由媒介物通过吸热膨胀作功排热,从燃料中获得热能，以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称热能动力装置。,1-1系统和平衡状态,气体动力装置 内燃机、喷气动力装置、燃气轮机动力装置、蒸
2、汽动力装置,5,1.1.2 工质,a）定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质,b）对工质的要求:,物质三态中气态最适宜。,1）膨胀性;,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,c）理想气体和实际气体,6,1.1.3 热源,定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。,高温热源（热源）:反应堆堆芯 低温热源（冷源）:冷却水 恒温热源:稳定工况的堆芯 变温热源:启动、停堆时的堆芯,7,系统,人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。,外界,与体系发生质、能交换的物系。,边界,系统与外界的分界面（线）。,1.1.4 热力系统(系统、体系)和外界,1）
3、系统与外界的人为性 2）外界与环境介质的关系 3）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的,注意：,8,汽缸-活塞装置（移动和固定边界）,9,闭口系（控制质量CM）没有质量越过边界,开口系（控制体积CV）通过边界与外界有质量交换,1.按系统与外界质量交换,1.1.5 热力系分类,10,1）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。,注意：,3.简单可压缩系 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。,绝热系 与外界无热量交换;孤立系 与外界无任何形式 的质能交换。,2.按能量交换,1
4、1,4.热力系示例,刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,红线内 闭口绝热系,黄线内（不包含电热丝）闭口系,绿线内（包含电热丝）闭口绝热系,兰线内 孤立系,12,刚性绝热喷管,取喷管为系统,开口系绝热系?,Q0,13,1.1.6 平衡状态和状态参数,无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态。,1.平衡状态,讨论：,平衡与稳定,稳定未必平衡,2)状态的单值函数。物理上与过程无关；数学上其微量是全微分。,1)状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如,2.状态参数的特性和分类,14,3)状态参数分类 广延量 强度量,如比体积,工程热力学约定用小
5、写字母表示单位质量参数。,3.系统状态相同的充分必要条件,系统两个状态相同的充要条件：所有状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件：两个独立的状态参数对应相等,15,4.状态参数坐标图,简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,O,O,16,1.1.7 准平衡（静态）过程,定义：偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程。,进行条件：破坏平衡的势,过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力,准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示,无穷小,能量的转化通过工质的状态变化过程完成
6、，过程是指系统从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。,.,.,.,.,.,.,17,？,定义：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程。,讨论：,.,1,2,.,可逆过程的判断：,系统可返回原来状态,+,在外界不留下任何变化,1.1.8 可逆过程,1.可逆=准静态+没有耗散效应 2.一切实际过程不可逆 3.可逆过程可用状态参数图上实线表示,18,1.2.1 温度,1-2 基本状态参数,热力学温标（绝对温标）:,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,摄氏温标:,标准大气压下，纯水的冰点温度为0
7、，纯水的沸点温度为100，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01。,1 K=1,t=T 273.15,华氏温标和朗肯温标,华氏温标和摄氏温标,T R=t+459.67,t=5/9t-32t=9/5t+32,19,1.2.2 压力,绝对压力 p;表压力 pe（pg）;真空度 pv,当地大气压pb,20,常用压力单位：,1.2.3 比体积和密度,比体积,单位质量工质的体积,密度,单位体积工质的质量,21,13 热力学能(内能)、焓和熵,1.3.1 热力学能和总能,UchUnuUth,Uk,Up,总（储存）能,总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,热力学能
8、,22,热力学能单位,工程中关心,宏观动能与内动能的区别,1.3.2 焓,1.推动功和流动功,推动功：系统引进或排除工质传递的功量。,p,v,p1,v1,1,o,23,流动功：系统维持流动 所花费的代价。,推动功在p-v图上：,.,1,2,.,24,2.焓,定义：H=U+pV h=u+pv单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。,1.3.3 熵,1.定义,2.熵是状态参数,25,1.4.1 功和可逆过程的功,1功的力学定义,2功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。,3可逆过程功的计算,功是过程量,功可以用p-
9、v图上过程线与v轴包围的面积表示,1-4 功和热量,26,系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”,4功的符号约定：,膨胀：dv 0,w 0,压缩：dv 0,w 0,6有用功概念,其中:W膨胀功；Wl摩擦耗功；Wp排斥大气功。,pb,f,27,1.4.2 热量,1定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。,2符号约定：系统吸热“+”；放热“-”,3单位：,4计算式及状态参数图,热量是过程量,（T-s图上）表示,系统吸热；,，,，,系统放热。,，,，,绝热，定熵过程。,，,，,.,.,1,2,T,s,o,ds,.,28,1.4.3 热量与功的异同：,1.均为通过边界传递的能量；,3.功传递由压
10、力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；,4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。,功,2.均为过程量；,热是无条件的；,热,功是有条件、限度的。,29,1-5 热力学第一定律及其解析式,第一定律的实质和表述 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。,热力学第一定律的解析式,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和=热力
11、系总储存能的增量,30,闭口系,忽略宏观动能Ek和位能Ep，,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,讨论：,1）对于可逆过程,2）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的“+”、“”、数值大小。,31,1）各截面上参数不随时间变化。,2）ECV=0，SCV=0，mCV=0,1.6.1 稳定流动特征,1-6 稳定流动能量方程式,1.6.2 稳定流动能量方程式,技术功,技术上可资利用的功 wt,32,.,1,2,.,.,可逆过程,可逆过程技术功可用过程线与p轴包围的面积表示,2)技术功的计算,1）第一定律第二解析式,可逆,33,1.6.4 稳定流动能量方程式的应用,1.蒸汽轮机、气轮机,流进系
12、统：,流出系统：,内部储能增量：0,34,2.压气机，水泵类,流入,流出,内部贮能增量 0,35,流入：,流出：,内增：0,若忽略动能差、位能差,3.换热器（锅炉、加热器等）,36,17 热力学第二定律,1.7.1 自发过程的方向性,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,?,37,？,重物下落，水温升高;水温下降，重物升高到原位只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流？电能不大于加入热能，不违反第一定律。,归纳：1）自发过程有方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进
13、行。,38,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,1.7.2 第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述的等效性。,1.7.3 关于第二类永动机,39,18 熵方程与孤立系统熵增原理,1.8.1 熵方程1.熵流和熵产,据定义,系统与外界交换热量；,考察气体自由膨胀,无热、质交换不可逆使系统熵增加。,系统熵为何变化？,熵是广延性质的参数系统与外界交换质量
14、；,p2,v2,其中,吸热“+”放热“”,系统与外界换热造成系统熵的变化。,（热）熵流,sg熵产，非负,不可逆“+”可逆“0”,系统进行不可逆过程造成系统熵的增加,熵的变化与可逆体积功交换无关,40,2.熵方程 考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为：流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增,其中,流入流出,热迁移质迁移,造成的,热质,熵流,41,1.8.2 孤立系统熵增原理 由熵方程,因为是孤立系,可逆取“=”不可逆取“”,孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程 均可逆时系统熵保持不变。,42,3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判 别过程进行的方向；,讨论：1）孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为第二定律 的基本数学表达式；,2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；,4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即 任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是Siso 0，所以熵可反映某种物质的共同属性,孤立系熵增意味机械能损失！,
