簡介:理論力學(xué),,PAG2,第七章點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng),本章所分析的點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng),包括運(yùn)動(dòng)中某一瞬時(shí)點(diǎn)的速度合成和加速度合成的規(guī)律。,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)研究物體相對于不同參考系的運(yùn)動(dòng),分析物體相對于不同參考系運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,也稱為合成運(yùn)動(dòng)。,PAG3,,,,,相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),點(diǎn)的速度合成定理,小結(jié),點(diǎn)的加速度合成定理,第七章點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng),PAG4,,點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)對于不同的參考系是不同的,對地面上的觀察者,M點(diǎn)的軌跡是旋輪線,對汽車上的觀察者,M點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),⑴沿直線軌道滾動(dòng)的車輪,其輪緣上點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng),,,PAG5,一個(gè)點(diǎn)、兩個(gè)坐標(biāo)系、三種運(yùn)動(dòng),§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn)所研究的點(diǎn),定系OXYZ固定在地球上的坐標(biāo)系,動(dòng)系OXYZ固定在相對于地球運(yùn)動(dòng)的參考體上的坐標(biāo)系,動(dòng)點(diǎn)、動(dòng)系不能選在同一物體上,,PAG6,合成運(yùn)動(dòng)相對某一參考體的運(yùn)動(dòng)可由相對于其它參考體的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)組合而成的運(yùn)動(dòng)。,點(diǎn)M相對于定系做旋輪線運(yùn)動(dòng),點(diǎn)M相對于動(dòng)系做簡單的圓周運(yùn)動(dòng),點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)可以看成動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的圓周運(yùn)動(dòng)和動(dòng)系相對于定系的平動(dòng)兩個(gè)簡單運(yùn)動(dòng)的合成。,汽車相對于定系做簡單的平移,車輪上的M點(diǎn),在地面上,在汽車上,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn),定系,動(dòng)系,PAG7,2圖示車床在工作時(shí),車刀刀尖M,,相對于旋轉(zhuǎn)的工件,相對于地面,直線運(yùn)動(dòng),在圓柱面螺旋運(yùn)動(dòng),§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),PAG8,3圖示橋式吊車,卷揚(yáng)小車A邊垂直起吊重物邊行走。,重物作曲線運(yùn)動(dòng),隨小車一起運(yùn)動(dòng)的觀察者,重物在垂直方向作直線運(yùn)動(dòng),地面觀察者,,,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),PAG9,一個(gè)動(dòng)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)系三種運(yùn)動(dòng)。,絕對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于定系的運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)動(dòng)系相對于定系的運(yùn)動(dòng),點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),剛體的運(yùn)動(dòng),,直線運(yùn)動(dòng),曲線運(yùn)動(dòng),點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),剛體的運(yùn)動(dòng),平移轉(zhuǎn)動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)自由運(yùn)動(dòng),,,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),PAG10,旋輪線運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),平移,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn)車輪上的M點(diǎn)定系在地面上;動(dòng)系在汽車上,絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),PAG11,4回轉(zhuǎn)儀的運(yùn)動(dòng)分析,動(dòng)點(diǎn)M點(diǎn)動(dòng)系框架CAD,相對運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng)空間曲線運(yùn)動(dòng),§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),PAG12,圓周運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),平移,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),動(dòng)系,OA桿上的A點(diǎn),在BCD上,動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系,絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),OA桿上的A點(diǎn),在O2B上,直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng),,,,圓周運(yùn)動(dòng),,,PAG13,直線運(yùn)動(dòng),曲線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng),§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),動(dòng)系,AB桿上的A點(diǎn),在凸輪上,動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系,絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),圓盤上的C點(diǎn),在ABD上,直線運(yùn)動(dòng),平移,圓周運(yùn)動(dòng),,,,PAG14,絕對速度加速度,動(dòng)點(diǎn)的三種速度(加速度),動(dòng)點(diǎn)相對于定系的運(yùn)動(dòng)速度加速度,相對速度加速度,動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的運(yùn)動(dòng)速度加速度,牽連速度加速度,某瞬時(shí),動(dòng)系上與動(dòng)點(diǎn)重合的點(diǎn)的速度加速度,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),PAG15,絕對速度方向,相對速度方向,牽連速度方向,豎直方向,軌跡的切線方向,水平方向,A,O,,,,,,§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn)AB桿上的A點(diǎn)動(dòng)系在凸輪上絕對運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)相對運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),大小,PAG16,曲線運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng),§71相對運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)絕對運(yùn)動(dòng),動(dòng)點(diǎn),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),動(dòng)系,環(huán)上的A點(diǎn),在OB桿上,,,絕對速度方向,相對速度方向,牽連速度方向,未知,沿著桿,垂直于桿,大小,PAG17,下面研究點(diǎn)的絕對速度、牽連速度和相對速度的關(guān)系。,如圖,由圖中矢量關(guān)系可得,將上式兩端同除,并令,取極限,得,由速度的定義,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG18,于是可得,即動(dòng)點(diǎn)在某一瞬時(shí)的絕對速度等于它在該瞬時(shí)的牽連速度與相對速度的矢量和。這就是點(diǎn)的速度合成定理。,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG19,M1,,,,M1動(dòng)系上與M重合的一點(diǎn),固定坐標(biāo)系OXYZ,動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ,§72點(diǎn)的速度合成定理,M點(diǎn)的絕對矢徑,M點(diǎn)的相對矢徑,動(dòng)系原點(diǎn)O的矢徑,PAG20,,(動(dòng)系上的點(diǎn)M1相對于動(dòng)系不動(dòng),為常矢量),(相對于動(dòng)系為常矢量),§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG21,§72點(diǎn)的速度合成定理,點(diǎn)的速度合成定理動(dòng)點(diǎn)在某瞬時(shí)的絕對速度等于它在該瞬時(shí)的牽連速度與相對速度的矢量和,大小,方向,動(dòng)點(diǎn)的絕對速度由牽連速度與相對速度構(gòu)成的速度平行四邊形的對角線決定。,必須要知道六個(gè)量中的四個(gè),,PAG22,例71無風(fēng)下雨天,車以速度前進(jìn),雨點(diǎn)在車窗上的痕跡與豎直方向成Θ角。求雨點(diǎn)相對于地面的速度。,,,,,,,,,,大小方向,√,√√,√,⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,解⑴取雨點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在車上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),平移,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG23,例72急回機(jī)構(gòu)的曲柄OA以勻角速度Ω繞固定軸O轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊在搖桿O1B上滑動(dòng)并帶動(dòng)搖桿繞固定軸O1擺動(dòng)。OAR,OO1L,求當(dāng)曲柄在水平位置時(shí)搖桿的角速度Ω1。,,,,,O,A,B,O1,,,,,,動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系,絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),曲柄端點(diǎn)A,在搖桿O1B上,沿O1B的直線運(yùn)動(dòng),搖桿繞O1軸的轉(zhuǎn)動(dòng),以點(diǎn)O為圓心的圓周運(yùn)動(dòng),絕對速度,相對速度,牽連速度,豎直方向,方向線已知,方向線己知,,,,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG24,,,,O,A,B,O1,,,,,,,,,,大小方向,√√,√,√,,⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,解⑴取曲柄O1A上的A點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在O1B上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG25,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG26,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG27,牽連運(yùn)動(dòng)是凸輪的定軸轉(zhuǎn)動(dòng),例73如圖所示,半徑為R偏心距為E的凸輪,以角速度Ω繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng),桿AB能在滑槽中上下平移,桿的端點(diǎn)A始終與凸輪接觸,且OAB成一直線。求圖示位置桿AB的速度。,解桿AB作平移,各點(diǎn)速度相同,求出其上A的速度即可。1選取桿AB的端點(diǎn)A為動(dòng)點(diǎn)。,,動(dòng)參考系隨凸輪一起繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)。,,2點(diǎn)A的絕對運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)凸輪中心C為圓心的圓周運(yùn)動(dòng),,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG28,,,絕對速度方向沿AB,相對速度方向沿凸輪圓周的切線,,牽連速度凸輪上與桿端A點(diǎn)重合點(diǎn)的速度。,,,,3速度合成定理,大小方向,√,√√√,,,,應(yīng)注意先畫已知量,然后根據(jù)速度定理確定其它未知量的方向,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG29,大小√方向√√√,4速度計(jì)算牽連速度,A點(diǎn)絕對速度,方向如圖,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG30,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG31,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG32,求礦砂相對于傳送帶B的速度。,例74礦砂從傳送帶A落入到另一傳送帶B上,如圖所示。站在地面上觀察礦砂下落的速度為,方向與鉛直線成300角。已知傳送帶B水平傳動(dòng)速度。,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG33,解1、動(dòng)點(diǎn)礦砂M。動(dòng)系傳送帶B,PAG34,例75A船由北向南,以速度前進(jìn),B船由西北向東南,以速度前進(jìn)。求在A船上看B船的速度。,大小方向,√√,√√,,解⑴取B船為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在A船上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,,,,由西南向東北,,直線運(yùn)動(dòng),平移,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG35,,例76直角曲桿OAB以勻角速度Ω繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過套筒C推動(dòng)與套筒光滑鉸接的CD桿沿鉛直方向運(yùn)動(dòng)。OAL,求圖示位置D點(diǎn)的速度。,,,O,A,B,,,,,,C,D,大小方向,√,√√,√,解⑴取CD桿上的C點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在OAB上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,,,,,直線運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng),,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG36,例77圓盤半徑為R,以角速度Ω1繞水平軸CD轉(zhuǎn)動(dòng),支承CD的框架又以角速度Ω2繞鉛直的AB軸轉(zhuǎn)動(dòng),如圖所示。圓盤垂直于CD,圓心在CD與AB的交點(diǎn)O處。,求當(dāng)連線OM在水平位置時(shí),圓盤邊緣上的點(diǎn)M的絕對速度。,PAG37,解1、動(dòng)點(diǎn)M點(diǎn)。動(dòng)系框架BACD,PAG38,點(diǎn)的速度合成分析計(jì)算步驟1選擇一個(gè)動(dòng)點(diǎn),二個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系2分析三種運(yùn)動(dòng)(絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)),速度分析。3速度合成定理建立動(dòng)點(diǎn)速度的關(guān)系4計(jì)算速度,§72點(diǎn)的速度合成定理,PAG39,動(dòng)系OXYZ以角速度ΩE繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng),§73點(diǎn)的加速度合成定理,,,,一、泊松公式,PAG40,,,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,二、加速度合成定理,點(diǎn)M1相對于動(dòng)系不動(dòng),為常數(shù),相對于動(dòng)系為常矢量,PAG41,,,點(diǎn)的加速度合成定理動(dòng)點(diǎn)在某瞬時(shí)的絕對加速度等于它在該瞬時(shí)的牽連加速度、相對加速度與科氏加速度的矢量和。,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,,科氏加速度,PAG42,,大小,按右手法則確定,方向,指向,垂直于和,工程常見平面機(jī)構(gòu),和垂直,把按的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)就是的方向,,,,,當(dāng)牽連運(yùn)動(dòng)為平移時(shí),§73點(diǎn)的加速度合成定理,PAG43,科氏加速度存在實(shí)例,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,向西,即指向左側(cè),有向西的加速度,河水受到東岸對水的向西的作用力。,根據(jù)作用與反作用定律,河水對東岸有作用力,北半球的江河,其東岸都受有較明顯的沖刷。,北半球的江河,當(dāng)河水向北流動(dòng)時(shí),其東岸比西岸受的沖刷更明顯。,河水的科氏加速度方向,PAG44,例76直角曲桿OAB以勻角速度Ω繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過套筒C推動(dòng)與套筒光滑鉸接的CD桿沿鉛直方向運(yùn)動(dòng)。OAL,求圖示位置D點(diǎn)的速度和加速度。,大小方向,√,√√,√,解⑴取CD桿上C點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在OAB上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,,直線運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng),,,,,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,PAG45,大小方向,√,√√,√,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng),由加速度合成定理得,√√,向X軸投影得,§73點(diǎn)的加速度合成定理,例76直角曲桿OAB以勻角速度Ω繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過套筒C推動(dòng)與套筒光滑鉸接的CD桿沿鉛直方向運(yùn)動(dòng)。OAL,求圖示位置D點(diǎn)的速度和加速度。,,,,,,,,PAG46,例77半徑為R的圓輪以勻角速度Ω繞固定軸O轉(zhuǎn)動(dòng),偏心距OCE,ABD可在滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)。求圖示位置D點(diǎn)的加速度,解⑴取輪心C為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在ABD上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)平移,,O,,D,,A,B,,,,,,C,,,大小方向,√√,√,⑶牽連運(yùn)動(dòng)為平移,由加速度合成定理得,√,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,PAG47,大小方向,√√,√,√,⑶由速度合成定理作速度平行四邊形,解⑴取曲柄OA上的A點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在O1B上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng),,,,,O,A,B,O1,,,,,,,,,,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,例78急回機(jī)構(gòu)的曲柄OA以勻角速度Ω繞固定軸O轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊在搖桿O1B上滑動(dòng)并帶動(dòng)搖桿繞固定軸O1擺動(dòng)。OAR,OO1L,求當(dāng)曲柄在水平位置時(shí)搖桿的角速度和角加速度。,PAG48,大小方向,√√,√√,√,√,√√,§73點(diǎn)的加速度合成定理,例78急回機(jī)構(gòu)的曲柄OA以勻角速度Ω繞固定軸O轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊在搖桿O1B上滑動(dòng)并帶動(dòng)搖桿繞固定軸O1擺動(dòng)。OAR,OO1L,求當(dāng)曲柄在水平位置時(shí)搖桿的角速度和角加速度。,,,,,O,A,B,O1,,,,,,,,,,,,,,,,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng),由加速度合成定理得,PAG49,大小方向,√√,√√,√,√,√√,§73點(diǎn)的加速度合成定理,例78急回機(jī)構(gòu)的曲柄OA以勻角速度Ω繞固定軸O轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊在搖桿O1B上滑動(dòng)并帶動(dòng)搖桿繞固定軸O1擺動(dòng)。OAR,OO1L,求當(dāng)曲柄在水平位置時(shí)搖桿的角速度和角加速度。,,,,,O,A,B,O1,,,,,,,,,,,,,,,,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng),由加速度合成定理得,向Y軸投影得,,PAG50,例79曲柄滑塊導(dǎo)桿機(jī)的曲柄OA以勻角速度Ω繞軸O轉(zhuǎn)動(dòng),鉸接在曲柄A端的滑塊在鉛直槽DE內(nèi)上下滑動(dòng),并帶動(dòng)丁字桿沿水平方向往復(fù)平移。OAR,求圖示位置BC的速度和加速度。,解⑴取曲柄OA上的A點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在丁字桿上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),,,,D,E,B,C,O,,,,,,A,絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),平移,,,,,大小方向,√√,√,√,⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,PAG51,PAG52,,,,D,E,B,C,O,,,,,,A,大小方向,√√,√,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為平移,由加速度合成定理得,√,,,,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,PAG53,PAG54,例710圖示平面機(jī)構(gòu)的曲柄OAR,以勻角速度ΩO轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒A沿BC桿滑動(dòng)。BCDE,且BDCEL,求圖示位置,桿BD的角速度和角加速度。,解⑴取曲柄OA上的A為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在BC桿上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),平移,⑶由速度合成定理,作速度平行四邊形,大小方向,√√,√,√,,,,,,,,,C,A,O,,,,B,D,E,,,,,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,,PAG55,大小方向,√√,√√,√,√,向Y軸投影得,,,,,,,,,C,A,O,,,,B,D,E,,,,,,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為平移,由加速度合成定理得,,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,,PAG56,例711偏心輪搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿O1A借助彈簧壓在半徑為R的偏心輪C上,輪C繞軸O往復(fù)擺動(dòng),帶動(dòng)搖桿繞軸O1擺動(dòng)。圖示位置,輪C角速度為Ω,Α0。求此時(shí)搖桿的Ω1和Α1。,解⑴取輪心C為動(dòng)點(diǎn),動(dòng)系在搖桿上,⑵研究三種運(yùn)動(dòng),絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),定軸轉(zhuǎn)動(dòng),,,,⑶由速度合成定理作速度平行四邊形,大小方向,√√,√,√,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,PAG57,大小方向,√√,√√,√,√,√√,向Y軸投影得,§73點(diǎn)的加速度合成定理,,C,O1,,,,A,,O,,,,,X,Y,,,,,,例711偏心輪搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿O1A借助彈簧壓在半徑為R的偏心輪C上,輪C繞軸O往復(fù)擺動(dòng),帶動(dòng)搖桿繞軸O1擺動(dòng)。圖示位置,輪C角速度為Ω,Α0。求此時(shí)搖桿的Ω1和Α1。,⑷牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng),由加速度合成定理得,PAG58,,,O,,,,,O,哪點(diǎn)有科氏加速度,,A點(diǎn),B點(diǎn),§73點(diǎn)的加速度合成定理,PAG59,【小結(jié)】,動(dòng)點(diǎn)、動(dòng)系不能選在同一物體上,動(dòng)點(diǎn)所研究的點(diǎn),定系固定在地面上的坐標(biāo)系OXYZ,動(dòng)系固定在相對于地面運(yùn)動(dòng)的參考體上的坐標(biāo)系OXYZ,絕對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于定系的運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)動(dòng)系相對于定系的運(yùn)動(dòng),點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),剛體的運(yùn)動(dòng),,圓周運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng),,平行移動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)自由運(yùn)動(dòng),,PAG60,點(diǎn)的速度合成定理動(dòng)點(diǎn)在某瞬時(shí)的絕對速度等于它在該瞬時(shí)的牽連速度與相對速度的矢量和,【小結(jié)】,絕對速度加速度動(dòng)點(diǎn)相對于定系的速度加速度,相對速度加速度動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的速度加速度,牽連速度加速度某瞬時(shí),動(dòng)系上與動(dòng)點(diǎn)重合的點(diǎn)牽連點(diǎn)的速度加速度,PAG61,【小結(jié)】,動(dòng)點(diǎn)、動(dòng)系不能選在同一物體上,動(dòng)點(diǎn)所研究的點(diǎn),定系固定在地面上的坐標(biāo)系OXYZ,動(dòng)系固定在相對于地面運(yùn)動(dòng)的參考體上的坐標(biāo)系OXYZ,絕對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于定系的運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng)動(dòng)系相對于定系的運(yùn)動(dòng),點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),剛體的運(yùn)動(dòng),,絕對速度加速度動(dòng)點(diǎn)相對于定系的,相對速度加速度動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)系的,牽連速度加速度某瞬時(shí),動(dòng)系上與動(dòng)點(diǎn)重合的點(diǎn)的,PAG62,點(diǎn)的速度合成定理動(dòng)點(diǎn)在某瞬時(shí)的絕對速度等于它在該瞬時(shí)的牽連速度與相對速度的矢量和,大小,方向,動(dòng)點(diǎn)的絕對速度由牽連速度與相對速度構(gòu)成的速度平行四邊形的對角線決定。,必須要知道六個(gè)量中的四個(gè),,【小結(jié)】,PAG63,點(diǎn)的加速度合成定理動(dòng)點(diǎn)在某瞬時(shí)的絕對加速度等于它在該瞬時(shí)的牽連加速度、相對加速度與科氏加速度的矢量和。,【小結(jié)】,大小,方向,PAG64,【小結(jié)】,當(dāng)牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),,大小,按右手法則確定,方向,指向,垂直于和,工程常見平面機(jī)構(gòu),和垂直,把按的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)就是的方向,,,,,PAG65,,本章結(jié)束,作業(yè)77,9,17,20,25,26,
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簡介:工程熱力學(xué)培訓(xùn)課件,,制作,0、緒論1、基本概念2、熱力學(xué)第一定律3、熱力學(xué)第二定律4、理想氣體5、水蒸氣和濕空氣6、噴管內(nèi)的氣體流動(dòng)7、壓氣機(jī)的熱力過程8、燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)簡介9、蒸汽動(dòng)力循環(huán)10、制冷循環(huán)簡介,目錄,課件目錄,緒論,01熱能及其利用02工程熱力學(xué)發(fā)展簡史03工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容,能源是人類社會(huì)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,人類的歷史與其開發(fā)利用能源的廣度和深度密切相連。兩種基本形式直接利用和間接利用。,§01熱能及其利用,熱力工程的發(fā)展歷程簡介大氣機(jī)、蒸氣機(jī)及其改進(jìn)(瓦特)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。熱力學(xué)的發(fā)展歷史熱素說和熱動(dòng)說之爭牛頓、本杰明湯姆遜、戴維;熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)(卡諾、邁耶能量轉(zhuǎn)換、焦耳實(shí)驗(yàn)、朗肯熱功等當(dāng)、亥姆霍茲之綜述等);熱力學(xué)第二定律的提出(卡諾、克勞修斯、開爾文等);克勞修斯的貢獻(xiàn)及其熱寂說的提出;能斯特及熱力學(xué)第三定律;凱南的有效能提出等。幾個(gè)重要的科學(xué)家(卡諾、焦耳、瓦特、開爾文等)。,§02工程熱力學(xué)發(fā)展簡史,工程熱力學(xué)的研究對象主要是能量轉(zhuǎn)換,特別是熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的規(guī)律和方法,以及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑,以提高能源利用的經(jīng)濟(jì)性。主要內(nèi)容包括1、基本概念與基本定律;2、過程和循環(huán)的分析研究及計(jì)算方法;3、常用工質(zhì)的性質(zhì);4、化學(xué)熱力學(xué)方面的有關(guān)內(nèi)容。研究方法宏觀(經(jīng)典)和微觀(統(tǒng)計(jì)),§03主要內(nèi)容,熱力學(xué)第零定律假如兩物體的溫度都等于另外第三個(gè)物體,那么這三個(gè)物體擁有相同的溫度。熱力學(xué)第一定律熱是能的一種,機(jī)械能變成熱能,或熱能變成機(jī)械能的時(shí)候他們間的比值是一定的。熱力學(xué)第二定律(1)克勞修斯說法熱不能自發(fā)的、不付代價(jià)的從低溫物體傳至高溫物體。(2)開爾文說法不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)第三定律絕對零度不可達(dá)。,熱力學(xué)四定律,1基本概念,11本課涉及的幾種熱能轉(zhuǎn)換移過程12熱力系統(tǒng)13工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)14平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖15工質(zhì)的狀態(tài)變化過程16過程功和熱量17熱力循環(huán),課件目錄,,熱能動(dòng)力裝置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。分為蒸汽動(dòng)力及燃?xì)鈩?dòng)力兩類裝置。工作過程可概括成右圖。制冷裝置利用動(dòng)力實(shí)現(xiàn)熱能逆向傳遞的整套裝置。工作過程也可簡化成右圖,但箭頭反向。,§11幾種熱能轉(zhuǎn)換移方式簡介,,熱能動(dòng)力裝置工作示意圖,(1)圖12內(nèi)燃機(jī)裝置示意簡圖,(2)蒸汽動(dòng)力裝置簡圖,引入系統(tǒng)、工質(zhì)、熱源、循環(huán)。,(3)燃?xì)廨啓C(jī)裝置簡圖,燃?xì)廨啓C(jī)裝置,實(shí)物圖片,(4)壓縮蒸汽制冷裝置簡圖,熱力系統(tǒng)分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。外界系統(tǒng)周圍物質(zhì)的統(tǒng)稱(熱源、物質(zhì)源)。,§12熱力系統(tǒng),系統(tǒng)和邊界,閉口系統(tǒng)與外界有能量交換而無物質(zhì)交換,又稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng)與外界既有能量又有物質(zhì)的交換,又稱控制體積。絕熱系統(tǒng)與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng)與外界無能量交換又無物質(zhì)交換,一切作用發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。,熱力系統(tǒng)的分類,常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力P,溫度T,體積V,熱力學(xué)能內(nèi)能U,焓H,熵S等。這里主要講解壓力P,溫度T,體積V(比容V和密度Ρ)等。一、溫度一般國際上常用到的溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有四種,,攝氏CELSIUS溫標(biāo);華氏FAHARENHEIT溫標(biāo);開爾文(KELVIN)溫標(biāo)(熱力學(xué)(絕對)溫標(biāo));朗肯RANKINE溫標(biāo)。,§13工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)的機(jī)身左側(cè)溫度在5分鐘內(nèi)上升了60華氏度(約156攝氏度)。(羊城晚報(bào)200323),攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)(開爾文)溫標(biāo)間的關(guān)系華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系朗肯溫標(biāo)是英制的熱力學(xué)(絕對)溫標(biāo),它和開爾文溫標(biāo)之間有如下關(guān)系,,(11),(12),(13),二、壓力壓力的宏觀定義及其微觀解釋(略)。壓力計(jì)量一般有三種標(biāo)準(zhǔn)絕對壓力(P)以絕對真空為起點(diǎn)的壓力值。表壓力(PE)指絕對壓力大于大氣壓力時(shí)二者的差值。真空度(PV)指大氣壓力大于絕對壓力時(shí)二者的差值。,(A),(B),(14),(15),三、比體積及密度比體積(又稱比容,V)單位質(zhì)量物質(zhì)的體積。密度(Ρ)單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。即顯然二者互為倒數(shù)。注意區(qū)分強(qiáng)度量和廣延量。,一、平衡狀態(tài)不受外界影響時(shí),參數(shù)始終保持不變的系統(tǒng)狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)強(qiáng)調(diào)時(shí)間上穩(wěn)定不變。平衡狀態(tài)屬于穩(wěn)定狀態(tài),但要求“內(nèi)外平衡”。均勻狀態(tài)強(qiáng)調(diào)空間各點(diǎn)的參數(shù)值相同。注意(1)本課一般把處于平衡狀態(tài)的單相物系當(dāng)作是均勻的,即此時(shí)系統(tǒng)同時(shí)處于平衡狀態(tài)和均勻狀態(tài)。(2)簡單可壓縮熱力系統(tǒng)是本課主要研究的熱力系統(tǒng),對于這類系統(tǒng)而言,兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)可確定一個(gè)狀態(tài),其他狀態(tài)參數(shù)都只是這兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。(3)簡單可壓縮熱力系統(tǒng)的兩個(gè)狀態(tài)之間,如果有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等,則可斷定這兩個(gè)狀態(tài)相同。,§14平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖,二、狀態(tài)方程式指簡單可壓縮熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),各部分具有相同的參數(shù),并服從一定關(guān)系的關(guān)系式。即或,,(16),(17),三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖指由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖。熱力系每一平衡狀態(tài)總可在由任意兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標(biāo)圖上的一點(diǎn)來表示。常用的有壓容圖和溫熵圖等。如下圖18,一、準(zhǔn)平衡過程(準(zhǔn)靜態(tài)過程)要點(diǎn)1、弛豫時(shí)間(系統(tǒng)從平衡破壞到恢復(fù)的時(shí)間)相對很短;2、平衡的破壞程度要相對很?。?、外界對系統(tǒng)的熱和力的刺激趨近于零(△P→0;△T→0)。,§15工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,二、可逆過程與不可逆過程可逆過程系統(tǒng)可能沿相同路徑回復(fù)原狀,相互作用所涉及到的外界也回復(fù)原狀,不留下任何改變。不可逆過程不滿足以上要點(diǎn)的任何一項(xiàng)過程。三、有關(guān)準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的爭論都是實(shí)際過程的理想化,二者是否異同存在不同看法1、可逆過程是條件要求更為苛刻的理想化過程,是沒有能量耗散的準(zhǔn)平衡過程,是一切實(shí)際過程的理想極限。準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程成立的前提條件。可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程,反之未必成立。,,2、可逆過程和準(zhǔn)平衡過程是相同的,表述方式不同,本質(zhì)一樣有能量耗散時(shí),準(zhǔn)平衡過程也不可能成立。當(dāng)熱力過程滿足準(zhǔn)平衡過程的條件時(shí),它必然沒有能量耗散,此時(shí)可逆過程的成立條件也已經(jīng)滿足。3、可逆過程可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實(shí)線表示,這是基本公認(rèn)的。但準(zhǔn)平衡過程是否也可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實(shí)線表示,這是有所爭議的。,一、功的熱力學(xué)定義功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量,且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。約定系統(tǒng)對外界作功為正,外界對系統(tǒng)作功為負(fù)。二、可逆過程的功功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài),而且還和過程的中間的途徑有關(guān),是過程量。對于可逆過程有可逆過程可用功,,§16過程功和熱量,(18),(19),功W如何在PV圖上表示,三、過程熱量系統(tǒng)和外界之間僅由于溫度不同而傳遞的能量。體系吸熱,熱量為正;反之,為負(fù)。系統(tǒng)在可逆過程中與外界的換熱量可用下式計(jì)算,(111),(110),注意區(qū)分狀態(tài)參數(shù)和過程量。,一、循環(huán)概說經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)得到的收獲/花費(fèi)的代價(jià)。在參數(shù)坐標(biāo)圖上表現(xiàn)為一閉合的曲線。二、正向循環(huán)即熱動(dòng)力循環(huán),總的效果表現(xiàn)為熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,向外界提供動(dòng)力。在參數(shù)坐標(biāo)圖上循環(huán)沿曲線順時(shí)針方向進(jìn)行的。評價(jià)指標(biāo)是循環(huán)的熱效率,即,§17熱力循環(huán),(112),三、逆向循環(huán)主要應(yīng)用于制冷循環(huán)裝置和熱泵,分別稱為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán),相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)分別為制冷系數(shù)和熱泵系數(shù)(也稱供熱系數(shù))??偟男Ч憩F(xiàn)為耗費(fèi)機(jī)械能(轉(zhuǎn)化為熱能),使熱能由低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩?。在參?shù)坐標(biāo)圖上循環(huán)沿曲線逆時(shí)針方向進(jìn)行的。制冷系數(shù)熱泵系數(shù),(114),(113),21第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)能和總能22能量的傳遞和轉(zhuǎn)化24焓25熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式26開口系統(tǒng)能量方程式27能量方程式的應(yīng)用,2、熱力學(xué)第一定律,課件目錄,,實(shí)質(zhì)能量守衡定律在熱力學(xué)的表述。熱工當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)具有重要?dú)v史意義,但由于其值現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)?,所以它很少用到了。,§21第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)能和總能,一、熱力學(xué)能熱力學(xué)能包括內(nèi)動(dòng)能、內(nèi)位能,甚或包括化學(xué)能、核能和電磁能等。本課所講的熱力學(xué)能主要包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能,用UU表示,單位是焦耳JJ/KG。熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù),即,(21),二、總能系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能和外部儲(chǔ)存能的總和,即熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)能及位能的總和,稱作總儲(chǔ)存能,簡稱總能??偰蹺E、動(dòng)能EKEK、位能EPEP。它們間的關(guān)系為,,(22),(22A),一、作功和傳熱能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的兩種方式。做功總和物體的宏觀位移有關(guān)。傳熱就不需要有物體的宏觀移動(dòng)。二、推動(dòng)功和流動(dòng)功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功,叫推動(dòng)功(PV)。推動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)才起作用。,§22能量的傳遞和轉(zhuǎn)化,流動(dòng)功系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的功,可定義為進(jìn)出口的推動(dòng)功之差。如圖技術(shù)功開口系統(tǒng)技術(shù)上可資利用的機(jī)械能之和,是膨脹功與流動(dòng)功之差。,推動(dòng)功,(23),(24),對于可逆過程有,可逆過程的技術(shù)功,(24A),根據(jù)上式可在PV圖上表示可逆過程的技術(shù)功,如右圖中的曲邊梯形面積F12GF所示。,§24焓,焓比焓焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù),它可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù),即,(25),(26),(27),§25熱力學(xué)的基本能量方程式,1進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加或2第一定律的第一解析式的微元形式是對于1KG工質(zhì),則有,3式中熱量,熱力學(xué)能變量和功都是代數(shù)值,可正可負(fù)。,(28),若流動(dòng)過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)參數(shù)都不隨時(shí)間而變,稱之為穩(wěn)定流動(dòng)過程。根據(jù)能量守恒可導(dǎo)得穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程為此即第一定律的第二解析式。其中技術(shù)功,§26開口系統(tǒng)能量方程式,開口系統(tǒng)能量平衡,(29),§27能量方程式的應(yīng)用,一、動(dòng)力機(jī),動(dòng)力機(jī)能量平衡,熱力學(xué)第一定律的能量方程式在工程上應(yīng)用很廣,而工程中的熱力設(shè)備工作時(shí)多為開口系統(tǒng),因此這里主要介紹第二解析式的應(yīng)用。,,H1,壓氣機(jī)能量平衡,二、壓氣機(jī),三、換熱器,四、管道,五、節(jié)流,節(jié)流現(xiàn)象,已知新蒸汽流入汽輪機(jī)時(shí)的焓H13232KJ/KG,流速CF150M/S;乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓H22302KJ/KG,流速CF2120M/S。散熱損失和位能差可略去不計(jì)。試求(1)每千克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對外界所作的功。(2)若蒸汽流量是10T/H,求汽輪機(jī)的功率。,舉例應(yīng)用,解由式(216)根據(jù)題意,Q0,Z2-Z10,于是得每千克蒸汽所作的功為其中汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能變化只有595KJ/KG??梢娂词构べ|(zhì)流速在百米每秒的數(shù)量級,動(dòng)能的影響仍不大。工質(zhì)每小時(shí)作功WIQMWI924106KJ/H故汽輪機(jī)功率為,3熱力學(xué)第二定律,序言31熱力學(xué)第二定律32可逆循環(huán)分析及其熱效率33卡諾定理34熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù)35熵增原理36熵流和熵產(chǎn)37和效率,課件目錄,,,本章將討論熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)及表述,建立第二定律各種形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式,給出過程能否實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)判據(jù),重點(diǎn)剖析作為過程不可逆程度的度量--孤立系的熵增、不可逆過程的熵產(chǎn)、損失、熵增的內(nèi)在聯(lián)系。,兩者關(guān)系相互獨(dú)立、都是各種現(xiàn)象歸納后的結(jié)論、共同構(gòu)成了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。,序言,§31熱力學(xué)第二定律,一、自然過程的方向性功熱轉(zhuǎn)化功轉(zhuǎn)熱是不可逆過程,其反向過程則不能單獨(dú)地、自動(dòng)地進(jìn)行,熱不可能全部無條件地轉(zhuǎn)化為功。,圖51摩擦耗散,如果要把熱量從低溫的A傳給高溫的B需要付出代價(jià)W,且不能實(shí)現(xiàn)期間的熱量等值反傳。,有限溫差下的傳熱(B→A)是不可逆過程,其中的熱量傳遞是等值的(QB=QA)。,有限溫差傳熱,圖52不等溫傳熱,自由膨脹在膨脹過程中未遇阻力、不對外作功的過程就是自由膨脹,也叫無阻膨脹,它是一種典型的不可逆過程。氣體不會(huì)自動(dòng)壓縮、返回到原來狀態(tài)?;旌线^程所有混合過程都是不可逆過程,使混合物中各組分分離要花代價(jià)耗功或耗熱。自然界的自發(fā)過程都是有方向的,熱力系進(jìn)行一個(gè)自發(fā)過程后,雖然可以通過反向人為的非自發(fā)過程使系統(tǒng)復(fù)原,但后者會(huì)給外界留下影響(無法使外界回復(fù)原狀),因而不可逆是自發(fā)過程的重要特性和屬性。,熱力學(xué)第二定律有多種表述形式,這里只介紹其中的兩種說法克勞修斯說法熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。(從熱量傳遞的方向性的角度)開爾文說法不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的循環(huán)工作的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。(從熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的角度),二、熱力學(xué)第二定律的表述,一、卡諾循環(huán),圖53卡諾循環(huán),§32可逆循環(huán)分析及其熱效率,分析此公式,可得出如下幾點(diǎn)重要結(jié)論ΗC只決定于T1、T2。T1↑、T2↓,ΗC↑。ΗC只能小于1,因T1∞或T20都不能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)T1T2時(shí),ΗC0。它表明“凡有溫差處皆有動(dòng)力”。,卡諾循環(huán)的熱效率,(31),即雙熱源間的極限回?zé)嵫h(huán),其熱效率與卡諾循環(huán)相同。多變指數(shù)N可以為任何自然數(shù),因而在T1和T2之間工作的可逆循環(huán)有無數(shù)個(gè)。這種利用工質(zhì)排出部分熱量來加熱工質(zhì)本身的,方法稱為回?zé)?。回?zé)崾翘岣邿嵝实囊环N行之有效的方法,被廣泛采用。,圖54概括性卡諾循環(huán),二、概括性卡諾循環(huán),三、逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán)按工作溫度范圍也可分為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán),其中各過程中功和熱量的計(jì)算式與正向卡諾循環(huán)相同,只是傳遞方向相反。它們各自的經(jīng)濟(jì)性能評價(jià)指標(biāo)為制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為熱泵循環(huán)的供暖系數(shù)為,這兩種循環(huán)的工作溫度范圍有所不同。,(32),(33),四、多熱源可逆循環(huán),熱源多于兩個(gè)的可逆循環(huán)如右圖所示。此循環(huán)的平均吸熱溫度和平均放熱溫度分別定義為,圖55多熱源可逆循環(huán),為什么,此循環(huán)的熱效率可用和表示,其值小于工作在同溫限間的卡諾循環(huán)的熱效率,即,結(jié)論工作于兩個(gè)熱源間的一切可逆循環(huán)(包括卡諾循環(huán))的熱效率高于相同溫限間多熱源的可逆循環(huán)。,(34),定理一在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán),其熱效率都相等,與可逆循環(huán)的種類無關(guān),與采用哪種工質(zhì)也無關(guān)。定理二在溫度同為T1的熱源和同為T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán),其熱效率必小于可逆循環(huán)。,§33卡諾定理,卡諾定理有著廣泛和重要的意義,任何一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能、或其他能量的轉(zhuǎn)化裝置(包括熱力循環(huán)機(jī)、溫差電池等)都受到熱力學(xué)第二定律的制約,都必須有熱源和冷源,其熱效率均不可能超過相應(yīng)的卡諾循環(huán)。,設(shè)工質(zhì)在TH1000K的恒溫?zé)嵩春蚑L=300K的恒溫冷源間按熱力循環(huán)工作見下圖,已知吸熱量為100KJ,求熱效率和循環(huán)凈功。,(1)理想情況,無任何不可逆損失;(2)吸熱時(shí)有200K溫差,放熱時(shí)有100K溫差。,例51,圖56例51附圖,(1)在兩個(gè)熱源間工作的可逆循環(huán)的熱效率同卡諾循環(huán),又因,所以WNET70KJ,也是最大循環(huán)凈功WNET,MAX。,解,(2)設(shè)想熱(冷)源和工質(zhì)間插入中間熱源,而將不可逆循環(huán)問題轉(zhuǎn)化為溫度分別為800K和400K的兩個(gè)中間熱源間的可逆循環(huán),則熱效率和凈功分別為,綜合以上兩節(jié),可得出以下有關(guān)熱效率的重要結(jié)論在兩個(gè)熱源間工作的一切可逆循環(huán),它們的相同,與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān),只決定于熱源和冷源的溫度,且都等于卡諾循環(huán)的熱效率;溫度界限相同,但具有多于兩個(gè)熱源的可逆循環(huán)的低于卡諾循環(huán)的;不可逆循環(huán)的比同樣條件下可逆循環(huán)的小。,熱效率方面的重要結(jié)論,什么是“永動(dòng)機(jī)”,“永動(dòng)機(jī)”即永遠(yuǎn)能“動(dòng)”的機(jī)器,分為如下三類,前兩種屬于“天上掉餡餅”,第三類與絕對零度或摩擦有關(guān)。違背熱力學(xué)第一定律熱效率大于100%。20世紀(jì)90年代山東棗莊有人聲稱“發(fā)明”了一個(gè)“耗電12KW,可發(fā)電36KW”的發(fā)電機(jī),但再無音訊。美國專利局已有數(shù)以千計(jì)的類似專利申請,也尚無成功報(bào)道。違背熱力學(xué)第二定律熱效率等于100%。如果此類機(jī)器能夠制造成功,由于太陽能、地?zé)崮芎秃Q鬅崮艿榷际恰盁o限”多的,那能源危機(jī)也就不存在了。能吸盡一個(gè)物體熱量,而將其冷卻到絕對零度。另外一種說法無摩擦,利用物體慣性使物體永動(dòng)。隨著科技進(jìn)步,絕對零度正越來越趨近,但尚未有已經(jīng)達(dá)到的事實(shí)見諸于世。,永動(dòng)機(jī)發(fā)明成功了(南方都市報(bào)2004/11/23-A45版),一位自稱是梁星人博士的人宣布永動(dòng)機(jī)在中國成功了。只要在啟動(dòng)時(shí)用外力推一下,汽車就會(huì)利用地球引力的加速度,不停向前,根本不用任何燃油或電能。自創(chuàng)“反重力原理及其實(shí)用技術(shù)”將永恒使地球永動(dòng)的加速引力,通過電腦,扭曲其引力線束,用在任意粒子上,使之自動(dòng)作圓周式循環(huán)加速永動(dòng),此即永動(dòng)機(jī)的永動(dòng)原理。1985年以來我國已經(jīng)有23件“永動(dòng)機(jī)”專利申請,但無一獲得授權(quán)。,從永動(dòng)機(jī)角度對熱力學(xué)三定律的詮釋,1912年9月,能斯特在熱力學(xué)新發(fā)展一文中,利用永動(dòng)機(jī)的概念對熱力學(xué)三定律進(jìn)行了新的詮釋制造一臺(tái)可由“無”產(chǎn)生持續(xù)熱量或外功的機(jī)器,是不可能的;設(shè)計(jì)一臺(tái)能將周圍的熱量轉(zhuǎn)變成外功的機(jī)器,是不可能的;設(shè)想出一臺(tái)能完全吸盡一個(gè)物體的熱量的機(jī)器,也就是能將其冷卻到絕對零度,是不可能的。,一、狀態(tài)參數(shù)熵的導(dǎo)出熵是與熱力學(xué)第二定律緊密相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。它在判別過程的方向、可逆程度和能否實(shí)現(xiàn)等方面有重要的作用,也是熱力學(xué)第二定律量化的參數(shù)之一。克勞修斯積分等式定義,圖57熵參數(shù)導(dǎo)出用圖,§34熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù),(35),(36),二、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)克勞修斯積分不等式(2)熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,,R,T,(37),(38),(39),(310),可逆絕熱過程(1-2S)即為定熵過程;不可逆絕熱過程(1-2)中,能量耗散的存在(如耗散熱)會(huì)導(dǎo)致熵增量的產(chǎn)生,這種熵增量叫做熵產(chǎn)(SG)。即能量耗散是熵產(chǎn)的唯一原因。熵產(chǎn)不可能小于零,最低(可逆過程)為零。熵產(chǎn)是過程不可逆程度的量度,過程的不可逆損失會(huì)隨它的增加而增大。,三、不可逆絕熱過程分析(閉口系統(tǒng)),圖58絕熱膨脹過程,(311),一、孤立系熵增原理孤立系和絕熱封閉系統(tǒng)的熵變孤立系和絕熱封閉系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生不可逆變化時(shí),其熵只能增大;極限情況(發(fā)生可逆變化)熵保持不變,使其熵減小的過程不可能出現(xiàn)。孤立系熵增與作功能力損失的關(guān)系為下面為一孤立系熵增原理舉例。,§35熵增原理,(312),(313),孤立系中有物體A和B,溫度各為TA和TB,這時(shí)孤立系的熵增若為有限溫差傳熱,TATB,則有若為無限小溫差傳熱,TA=TB,有,A,B,,Q,單純的傳熱過程,二、熵增原理的實(shí)質(zhì)實(shí)際過程都不可逆,所以實(shí)際的熱力過程總是朝著使系統(tǒng)總熵增大的方向進(jìn)行。熵增原理闡明了過程進(jìn)行的方向。孤立系統(tǒng)內(nèi)部存在不平衡勢差是過程自動(dòng)進(jìn)行的推動(dòng)力,也是總熵增大的原因。當(dāng)自動(dòng)過程停止進(jìn)行時(shí),孤立系統(tǒng)的總熵達(dá)到最大值,系統(tǒng)達(dá)到相應(yīng)的平衡狀態(tài),這時(shí),即為平衡判據(jù)。因而,熵增原理指出了熱過程進(jìn)行的限度。,熵增原理還指出導(dǎo)致孤立系統(tǒng)熵減的過程不可能單獨(dú)進(jìn)行,除非有補(bǔ)償過程(使孤立系統(tǒng)熵增的過程)伴隨發(fā)生,以使孤立系統(tǒng)總熵增大至少保持不變。從而熵增原理揭示了熱過程進(jìn)行的條件。熵增原理全面地、透徹地揭示了熱過程進(jìn)行的方向、限度和條件,這些正是熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)。,閉口系(控制質(zhì)量)熵方程它表示控制質(zhì)量的熵變等于熵流和熵產(chǎn)之和。其中熵流和熵產(chǎn)分別為,§36熵流和熵產(chǎn),(314),(315),(316),一、能量的可轉(zhuǎn)換性、和不同形式能量間的相互轉(zhuǎn)換是受熱力學(xué)第二定律制約的。機(jī)械能和電能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能,而熱能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。機(jī)械能和電能等這類可無限可轉(zhuǎn)換的能量成為,習(xí)慣上指“有用功”。而把能量中不可能轉(zhuǎn)化為有用功的部分稱為(或“廢熱”)。各種系統(tǒng)和能量都有不同的對外界做有用功的能力,不同溫度下的熱量轉(zhuǎn)化成有用功的能力也不同。能量可轉(zhuǎn)化為有用功的能力稱為能量的品質(zhì),能量是其“質(zhì)”和“量”(多少)的統(tǒng)一。,§37和效率,與環(huán)境處于熱力不平衡的閉口系或一定量的流動(dòng)工質(zhì),當(dāng)它們只與環(huán)境發(fā)生作用(流動(dòng)工質(zhì)需要通過穩(wěn)流熱力系)、可逆地變化到與環(huán)境平衡時(shí),可分別作出最大的有用功,分別稱之為閉口系工質(zhì)的熱力學(xué)能和穩(wěn)流工質(zhì)的焓。在環(huán)境條件下,能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高分額稱為該能量的?;蛘邿崃ο抵慌c環(huán)境相互作用,從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境相平衡狀態(tài)時(shí),作出的最大有用功稱為該熱力系的。平衡法為熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析提供了熱力學(xué)基礎(chǔ)。,熱力學(xué)中關(guān)于有各種定義,熱量溫度為T0的環(huán)境條件下,系統(tǒng)(TT0所提供的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值是熱量,用EX,Q表示。,二、熱量和冷量,(317),(318),冷量,溫度低于環(huán)境溫度T0的系統(tǒng)(TT0),吸入熱量Q0時(shí)作出的最大有用功稱為冷量,用EX,Q0表示。,(319),(320),三、孤立系中熵增與損失,能量貶值原理孤立系熵增等于熵產(chǎn)表明環(huán)境溫度T0一定時(shí),孤立系統(tǒng)損失與其熵增成正比。上式同樣適用與開口或閉口系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)中進(jìn)行熱力過程時(shí)只會(huì)減小不會(huì)增大,極限情況下(可逆過程)保持不變,這就是能量貶值原理,即,(321),(322),由于實(shí)際過程總有某種不可逆因素,能量中的一部分不可避免地將退化為,而且一旦退化為就再也無法轉(zhuǎn)變?yōu)?,即能量貶值。因而盡可能地減少損失是合理用能和節(jié)能的方向。,四、效率熱力過程越接近可逆,該過程造成的損越小,能量中可用部分的利用程度越高。效率可定義為過程進(jìn)行中實(shí)現(xiàn)的的有效轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移與該過程進(jìn)行導(dǎo)致的減少量的比值。與熱效率相比,效率更能從本質(zhì)上準(zhǔn)確地反映熱力過程的能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換的程度。,4理想氣體,41理想氣體的概念和狀態(tài)描述42理想氣體的比熱容43理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵44理想氣體的典型熱力過程45理想氣體的多變過程,課件目錄,,§41理想氣體的概念和狀態(tài)描述,理想氣體是一種假想氣體。在宏觀上,它遵守理想氣體的三個(gè)定律;在微觀上,其分子是些彈性的、不具體積的質(zhì)點(diǎn),分子間相互沒有作用力。理想氣體可看作是實(shí)際氣體在時(shí)的極限狀態(tài),此時(shí)分子本身體積遠(yuǎn)小于其活動(dòng)空間,內(nèi)位能可以忽略。工程中常用的氧氣、氮?dú)?、空氣、燃?xì)獾裙べ|(zhì),在通常使用的溫度、壓力下都可作為理想氣體處理。,一、理想氣體的概念,1、理想氣體狀態(tài)方程式CLAYPEYRON方程的推導(dǎo),二、理想氣體的狀態(tài)方程式,顯然,上式中的RG只與氣體種類有關(guān),而與氣體所處狀態(tài)無關(guān),故稱之為某種氣體的氣體常數(shù)。,根據(jù)三大實(shí)驗(yàn)定律可知,對單位質(zhì)量的任一種理想氣體而言,均有,(41),注式(41)可反證之,摩爾(MOL)是表示物質(zhì)的量的基本單位。摩爾質(zhì)量?1MOL物質(zhì)的質(zhì)量,單位是G/MOL或KG/KMOL,數(shù)值上等于物質(zhì)的相對分子質(zhì)量?R(過去稱分子量)。物質(zhì)的量N與物質(zhì)的質(zhì)量M有以下關(guān)系1MOL氣體的體積以VM表示,顯然,2、摩爾質(zhì)量和摩爾體積,(42),(43),阿伏加德羅定律指出同溫同壓下,各種理想氣體的摩爾體積都相同。根據(jù)克拉貝龍方程可知,即與氣體狀態(tài)無關(guān);由阿伏加德羅定律可知也與氣體種類無關(guān)。令,則R是與理想氣體的狀態(tài)和種類都無關(guān)的普適恒量,稱為摩爾氣體常數(shù)(或通用氣體常數(shù))。因而有,3、氣體常數(shù),(44),理想氣體的狀態(tài)方程式的各種形式,針對不同物量,理想氣體狀態(tài)方程的形式也所不同,分別為1KG氣體1MOL氣體M千克的氣體或N摩爾的氣體,某臺(tái)壓縮機(jī)每小時(shí)輸出3200M3、表壓力PE022MPA、溫度T156℃的壓縮空氣。設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫B765MMHG,求壓縮空氣的質(zhì)量流量QM以及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量QV0。,例31,§32理想氣體的比熱容,一、比熱容的定義物體溫度升高1K所需的熱量稱為熱容(C,J/K)。1KG物質(zhì)溫度升高1K所需的熱量稱為質(zhì)量熱容,又稱為比熱容『C,J/KGK)』,其定義式為或1MOL物質(zhì)的熱容稱為摩爾熱容『CM,J/(MOLK)』。標(biāo)態(tài)下1M3物質(zhì)的熱容為體積熱容『C’,J/MN3K』。上述三種比熱容之間的關(guān)系為,(49),熱力設(shè)備中,工質(zhì)往往是在接近壓力不變或體積不變的條件下吸熱或放熱的,因此定壓過程和定容過程的比熱容最常用,它們分別稱為比定壓熱容和比定容熱容,分別以和表示。,(410),(411),邁耶公式比值稱為比熱容比,或質(zhì)量熱容比,它在熱力學(xué)理論研究和熱工計(jì)算方面是一重要參數(shù),以表示。,二、定壓熱容與定容熱容的關(guān)系,(412),(413),(414),,單原子氣體I=3,Γ=167雙原子氣體I=5,Γ=140多原子氣體I=7,Γ=129(I為分子的自由度,多原子氣體“I7”)考慮到振動(dòng)動(dòng)能,實(shí)際值比理論值高且隨著T↑和分子
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