《热工学基础》绪论+1-3单元.ppt

1,主 编：贾永康 徐红梅 副主编：高志勇 张少飞,热工学基础,2,第一部分 工程热力学,目 录,3,第二部分 传热学,目 录,4,（1） 建筑供热系统 我国北方地区冬季寒冷，室内需要有供暖设备，图0.1即为一般的供热系统示意，包括热源（设备1、7、8、9及2、3、4、5、6），室外管网及 热用户（10、11、12）三部分。 图中设备1为蒸汽锅炉，其作用相当于一个换热器，是将燃料（煤、燃气、燃油）的化学能通过燃烧转化为热能后，经锅炉换热面将水加热为高温高压的蒸汽（即将热能传递给蒸汽），蒸汽经过管道可直接送到热用户进行采暖（设备10）或作其它用途（设备13），也可通过设备7（换热器）将水加热后用于热水供暖。蒸汽放热后凝结为水，进入设备8，再经水泵9加压后进入锅炉继续吸热变为蒸汽。而设备2循环水泵则是使供热管网中的回水（约5070）经设备7加热到7095后输送到热用户进行供暖，散热后再返回吸热。,绪 论,1 建筑设备工程中热工学应用举例,5,图0.1区域蒸汽锅炉房集中供热系统示意图 1蒸汽锅炉；2循环水泵；3除污器；4压力调节阀； 5补给水泵；6补充水处理装置；7热网水加热器； 8凝结水箱；9锅炉给水泵；10供暖散热器； 11生活热水加热器；12水龙头；13用汽设备,6,此例中至少是通过两个热力循环来实现热能转移的：第一个循环是由设备17891及相连管道构成，作用是将燃料的化学能产生的热能利用水（蒸汽）这种工作物质的吸热、放热及其物态变化（汽化、凝结），通过设备7转移给供热外网中的循环水；第二个循环是由设备2、设备7、供水管、设备10或11、回水管、设备3及2构成，作用是通过循环水将热能送至各个热用户（用于冬季采暖或其他用途）。 图中设备10即可认为是我们室内的散热器。 上述的供热系统运行涉及到水蒸气的定压汽化等热力学过程及工作物质通过换热器吸热、放热等传热过程，所用工作物质为水或水蒸气。,7,（2）空气调节系统 空气调节系统的作用是将空气经过过滤、去湿或加湿、加热或冷却后，以一定的速度和方式送入空调房间以满足使用者在温度、湿度、洁净度（包括新鲜度）、速度（简称四度）等方面要求。图0.2是夏季空调系统工作示意图。图中室外新风（如35）经过风阀在混合室1中与部分回风（为节能而采用，温度约26）混合后，经过滤器2，在喷淋室3被冷冻水（供水7，回水12）冷却去湿、经设备5再加热（尽量不再加热以节能）后（约20左右）由风机6通过风管送至空调房间7，吸收房间热量，温度升高，再将部分回风送至混合室，其余部分排至室外大气中。,8,上述的空气处理过程涉及到降温去湿等热力学过程和吸热、放热等传热过程，所用工作物质为湿空气。,图0.2一次回风空调系统夏季工作示意图 1混合室；2空气过滤器；3淋水室；4后挡水板； 5加热器；6送风机；7空调房间；8低温水送水管； 9回水排出管；10盛水池,9,（3） 空调用冷源系统 图0.2中夏季用于冷却空气的冷冻水是由制冷装置制备的。图0.3即为常用的冷水机组工作原理图。冷冻水从空调系统返回时温度由7吸收空气热量变为12，在蒸发器4中将热量传给制冷剂，降温为7后，再由冷冻水泵输送至空调系统。而蒸发器中制冷剂吸收冷冻水的热量后由液态变为汽态，再由压缩机1加压、冷凝器2冷却（将热能传给冷却水）液化，经节流装置3降压后再送至蒸发器吸热，如此反复循环。而制冷剂在冷凝器中所放热量由冷却水吸收，而后冷却水（温度约36）再被冷却水泵5送至冷却塔6由大气冷却（温度约32）放热后，再返回冷凝器继续吸收制冷剂蒸汽的热量，如此循环返复。而空调房间的热量则是由大气传入，最终又返回大气中的。,10,此例中包含几种工作物质的热力循环：制冷剂的12341制冷循环；冷冻水的7487循环；冷却水的5625循环。而空调风的循环（8空调房间风机8）图中虽未反映，但实际中是不可或缺的。,0.3空调用冷源工作原理图(蒸气压缩式) 1压缩机；2冷凝器；3膨胀阀；4蒸发器； 5冷却水泵；6冷却塔；7冷冻水泵；8空调器,11,热工理论基础包括工程热力学和工程传热学两部分。一般意义上说，二者均属于应用科学的范畴，即从工程技术的角度去研究热能利用、热能转换、热能传递、热能输送的规律和方法，以及实现上述目的所涉及的工作物质的热力学、传热学性质。作为建筑设备类专业的专业基础课程，从高职教育的需求上说，热工理论基础教学目的就是使学生对本专业工程实际所涉及到的工程热力学、工程传热学知识有一个基本的了解和掌握，从而为下一步的专业课程学习和今后的工作实践打下基础。,2 本课程的学习目的及主要内容,12,工程热力学的主要内容包括三个方面： (1) 基本理论：包括热力学基本概念、基本热力过程、热力学第一定律和能量方程、热力学第二定律等。 (2) 常用工作物质的热力学性质：如湿空气、水及水蒸气等。 (3) 工程应用：气体压缩、流体节流、制冷循环等。 工程传热学的主要内容包括两个方面： (1) 基本理论：包括稳定导热、对流换热、辐射换热及传热过程等。 (2) 基本应用：包括工程中传热的增强与削弱、换热器的选用、围护结构热工计算等内容。,13,(1) 学时安排具体学时安排见表0.1。,3 教学建议,表0.1 学时分配表,14,（2） 本课程特点及学习建议 从前面所举的工程实例可以看出，建筑设备类专业所涉及到的能量问题几乎均是热能的直接利用、热能的转移（输送）以及各种流体机械（水泵、风机、压气机等）的功量消耗等问题，而不涉及到热能机械能的转换问题。所以，本课程主要是讨论了热能的利用、转移、传递等内容，以及工程中常遇到的用以携带、转移热能的工作物质（如水蒸气、湿蒸汽等）。 作为一门专业基础课，热工理论基础所包含的基本概念、基本公式、基本原理在今后的各门专业课程中都会有大量的应用和涉及，而且在将来的工作实践中也会不断的被用到。可以说，大多数专业课的内容都是在热工理论的基础上建立、阐述、应用的。所以，较好的掌握本课程内容，对后续课的学习关系重大。,15,本课程中有些较为抽象的概念（如熵、焓、黑度等），甚至包括一些最为基本的概念（如热、功、系统等），都需要读者在学习本课程的过程中、学习其它课的过程中、甚至在工作实践中，去反复琢磨、不断认识，才能逐渐理解到位。比如流动功的概念，就可借助流体力学中压强水头的概念来加深理解。所以，在学习本课程的过程中，要在把握本课程主干与分枝、纲与目的同时，还要善于在横向、纵向上借鉴其他课程的概念，以期对本课程有较好的掌握，直至对本专业的整个课程体系和实质也有一个较好的认识和掌握。,16,第一部分 单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式,热工学基础,17,单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式,18,单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式,19,【知识点】 工质及其状态参数，理想气体状态方程式，热力系统，混合气体。 【能力目标】 掌握：工质、状态、状态参数、混合气体等基本概念。 理解：热力系统的划分及其特征。 熟悉：理想气体与实际气体的区别。 应用：能应用相关概念和公式进行分析和计算。,单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式,20,在绪论中我们列举的一些工程实例均涉及了利用某种工作物质（如水、湿空气、烟气、蒸汽等）来实现热能的输送或转移，最终达到热能利用的目的。这些可以用来携带、输送、转移热能或通过热力循环将热能转变为机械能（电能）的媒介物质或工作物质统称为工质。 工程实际中用到的工质（一般情况下均为流体）有气体状态，有液体状态，或者气液共存。为了安全有效地进行热能利用和传输，研究工质的热工性质，选择合适的工质，是非常必要的。,1.1 工质及其状态参数,1.1.1 关于工质,1.1 工质及其状态参数,21,工质是通过一系列的热力状态变化来完成热能转换和热能传递的。所谓热力状态，就是指工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况，而其状态及状态变化则是通过一些物理参数来描述或表示的。这些用来描述工质状态的物理量称为工质的状态参数。常用到的工质状态参数有温度、压强（压力）、比体积、内能、焓、熵等。其中温度、压强（压力）和比体积可以用仪器直接或间接地测出来，称为工质的基本状态参数；而其余的参数则是通过基本状态参数来推导、计算得到的，故称为导出状态参数。,1.1.2 工质的基本状态参数,1.1 工质及其状态参数,22,事实上，热力系统的宏观状态与其宏观状态参数是一一对应的关系，即工质或热力系统的状态发生变化时，其状态参数也相应变化。对应于某个确定的热力状态，工质的各个状态参数也都有各自确定的数值。反过来，当我们测出某状态下工质的一组确切的状态参数时，其热力状态也就确定了。这就是说，工质的状态参数只是状态的函数（态函数），而不是过程函数，即与过程无关。工质由初状态1变化到终状态2时，任何状态参数的变化量只等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程或路径无关。若工质从某状态开始经一系列状态变化过程后又回到原状态（即经历了一个循环过程），则工质的各个状态参数的变化量为零。,1.1 工质及其状态参数,23,1.1.2.1 温度 从宏观上讲，温度是用来描述物体冷热程度的参数，同时也反映自发过程中热能传递的方向：温度高的物体会自发地向温度低的物体传递热能。 从微观上讲，温度反映了物质内部分子平均平动动能的大小，也即物质分子运动的强烈程度。对于理想气体，宏观的温度与微观的热运动存在以下关系：,1.1 工质及其状态参数,24,（1） 温标 描述或量度物体温度高低的统一衡量标尺称为温标。温标具体规定了温度的基准点和温度间隔的冷热程度。 热力学温标 热力学温标是国际单位制温度基本标准，也是我国法定计量温度标尺。按国际单位制（SI）规定：热力学温度用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。热力学温标规定：纯水的三相点温度（即气相、液相、固相三相平衡时的温度）为基准点，规定为273.16 K，而每1 K的间隔则为水的三相点温度值的1/273.16。,1.1 工质及其状态参数,25, 摄氏温标 摄氏温标是我国广泛使用的另一个实用型法定温度标尺。温度符号为t,单位为摄氏度，符号为，摄氏温标每1的冷热程度与热力学温标的每1 K完全相同，它的定义式为 t=T-273.15 (1.2) 式中T热力学温度，K； 273.15一个标准大气压下纯水的冰点热力学温度值。 当t=0时，对应的热力学温度为T=273.15 K(冰点)。 当t=100时，对应的热力学温度为T=373.15 K(沸点)。,1.1 工质及其状态参数,26,在工程中，采用下式换算已足够精确： T=273+t （1.2a） 另外，欧美国家习惯使用华氏温标，符号用tF表示，单位为华氏度，符号用F表示，与摄氏温标的换算关系如下： t= (tF-32) (1.3),1.1 工质及其状态参数,27,（2）常用测温仪器 玻璃管温度计 如图1.1(a)所示，当被测物体温度不同时，玻璃管内的液体（如水银或酒精）将会因受热而膨胀，液面（刻度）上升；受冷则体积收缩，液面（刻度）下降。水银温度计温度测量范围为-30700，而酒精温度计的测量范围为-10075。,图1.1常用测量仪器 （a）玻璃管温度计 （b）热电偶温度计,1.1 工质及其状态参数,28, 热电偶温度计 将两根不同的金属线的一端焊在一起，另一端与毫伏计（电压表）连接构成一个回路，如图1.1（b）所示。当焊接端温度变化时，则在闭合回路中有电动势产生，这种现象称为温差电效应。用于测温的原理：事先用温差电效应较明显的金属线（如铜康铜）在已知温差的情况下标定温度差与电势差的关系后，就可以用此装置进行温度量测，即按照被测物端与另一端之间产生的电势差（用毫伏计测出）去查事先制好的表格，就可由所测电势差算出被测物温度。铜康铜热电偶温度计测温范围为-50350，而铂-铑-铂热电偶的测温范围为-201300。,1.1 工质及其状态参数,29,1.1.2.2 压强 （1）压强的含义： 从一般意义上讲，物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压强。 在热力学中，从宏观上讲压强是指容器壁单位面积上受到气体垂直作用力的大小，定义式为： 式中：F-受力面积上的总作用力，（N）； -受力面积 m2,p=,p=,p=,1.1 工质及其状态参数,30,1.1 工质及其状态参数,31,（2）压强的表示方法 上面公式（1.4）和（1.5）均反应的是气体的真实压强，又称为绝对压强，它是以绝对真空状态为计算基准算起的被测对象的真实压强。本书中如无特别指明，都应理解为绝对压强或绝对压力，唯此才能作为工质的状态参数。 由于地球表面大气层（大气压力）的存在，使得工程中常用的测压仪器只能测出容器中绝对压强（绝对压力）与当地大气压的差值，这个值通常称为表压强（表压力）或相对压强，其计量基准点是以当地大气压值B为零点算起的压强值，不代表工质的真实压强。,1.1 工质及其状态参数,32,当工质的绝对压强值小于当地大气压值B时，我们习惯上称此状态为真空状态，此时，相对压强值为负值。工程中为避免出现负压值，通常将此负压值取绝对值，并称为真空度。这样，绝对压强p，相对压强px，真空度H三者之间有如下关系： 正压状态时（工质绝对压强大于当地大气压）： p=B+px （1.6） 负压状态时（工质绝对压强小于当地大气压）： p=B-H （1.7）,1.1 工质及其状态参数,33,式中p工质绝对压强，即流体的真实压强； px正压状态时的表压强（相对压强），反映流体真实压强超出当地大气压的值； H负压状态时的表压 强绝对值，即真空度，反映流 体真实压强不足于当地大气压 的值。 图1.2为常用弹簧式压力表测 压示意图,图1.2弹簧式压力表测压示意图 1弹簧管；2固定端；3接头；4拉杆； 5扇形齿轮；6中心齿轮；7指针；8游丝,1.1 工质及其状态参数,34,（3）压强的单位 工程中测压仪器不尽相同，为方便起见，压强的单位表示有三种： 按压强定义式，即单位面积上所受作用力来表示：如帕（Pa），即牛/米2(N/m2)。 用流体柱高来表示：如米水柱（mH2O） 、毫米水柱（mmH2O） 、毫米汞柱（mmHg）等。 用大气压的倍数来表示：如标准大气压(atm)。 各种压强单位表示的换算关系如下： 1 atm=760 mmHg=101 325 Pa=10.332 3 mH2O 1 mmHg=133.322 4 Pa=1.315 7910-3 atm=13.595 1 mmH2O 另外，工程中习惯将压强称为压力。,1.1 工质及其状态参数,35,1.1.2.3 比体积和密度 单位质量的工质所具有的容积称为比体积，用符号v表示，单位是m3/kg，如容积为V(m)3的容器内有质量为m(kg)的工质，则其比体积为 v= （1.8） 单位容积的工质所具有的质量称为密度，用符号表示，单位为kg/m3,可表示为 = （1.9） 而且有 v=1 (1.10),1.1 工质及其状态参数,36,这里需要强调的有两点： 首先，容积V不单包括工质微粒的体积，而且包括这些微粒的活动空间（即整个容器）。 其次，比体积v和密度不是两个而是一个独立的状态参数，而且从微观的角度反映了单位容积中工质分子数的多少和分子之间平均距离的大小。,图1.3 例题1.1示意图,1.1 工质及其状态参数,37,【例1.1】图1.3所示为某压力容器，压力表读数为0.35 MPa，当地大气压B为0.1 MPa。 问：容器中液面绝对压强和相对压强为多少? 【例1.2】溴化锂吸收式直燃机作为空调冷、热源设备，夏天可供12冷冻水，其循环冷冻水侧压力表读数为0.4 MPa，吸收器内真空表读数为720 mmHg，若当地大气压为B=750 mmHg，试求该直燃机循环水侧和吸收器内的绝对压力。 【例1.3】某氧气瓶中的氧气质量为20 kg，容积为0.4 m3，试求氧气的比体积和密度。,1.1 工质及其状态参数,38,在热力学中，为了便于分析问题，我们把研究对象用人为确定的分界面从其周围环境中划分出来，边界内部为热力系统（简称系统），边界外部统称为环境或外界。系统的边界可以是实际存在的（如图1.4所示），也可以是假想的（如图1.5(a)所示）；可以是固定不变的，也可以是运动的或可变形的。,图1.4热力系统,1.2 热力系统,1.2 热力系统,39,没有物质穿过边界的系统称为闭口系统。此时系统与外界无质量交换，系统的质量保持恒定，如图1.4所示，界面是实际存在的，系统与外界可有热量和功量的交换。,1.2.1 闭口系统,1.2 热力系统,40,有工质穿过边界的系统称为开口系统。如图1.5所示，系统与外界既可以有热量、功量等能量交换，还有质量交换，而且有部分界面是假想的。,图1.5闭口与开口系统 (a)闭口系统；(b)开口系统,1.2.2 开口系统,1.2 热力系统,41,如果系统的边界是由完全隔热的材料构成的实有边界，热量不能够穿越边界，系统与外界之间没有热量传递，这种系统称为绝热系统。完全绝热的热力系统是不可能存在的，但当热力过程进行得极快，极短暂，或边界保温性能很好，传递的热量小到可以忽略不计时（如喷管流动、活塞快速压缩等工程实例），就可以将研究对象简化为绝热系统进行分析。,1.2.3 绝热系统,1.2 热力系统,42,热力系统与外界既无功量交换，又无热量交换，也无工质穿越边界，即系统与外界不存在任何的相互作用，这样的系统称为孤立系统。上述的热力学系统模型是为了便于研究复杂的宏观事物，能够抓住主要矛盾进而解决实际问题而人为设定的（有如力学中的“刚体”）。类似的假设今后还会遇到很多，如理想气体、平衡状态、可逆过程等。大家应从方法论的角度来理解这些假设的实质意义。,1.2.4 孤立系统,1.2 热力系统,43,所谓理想气体是经过科学的抽象人为设定的气体模型，即假设气体分子是弹性的、不占有体积的质点；分子之间没有引力和斥力。在这两个假设条件下，气体分子运动规律大大简化，公式（1.1）和(1.5)就是在这样的假设条件下推导出来的。实际上自然界符合这样条件的气体是不存在的，那么经过假设和简化后得到的这些理想气体公式是否符合实际，误差有多大呢？对工程中遇到的各种工质气体，能否作为理想气体处理，要依其所处状态及工程精度要求来定。,1.3.1 理想气体与实际气体,1.3 理想气体状态方程式,1.3 理想气体状态方程式,44,事实证明，当气体状态处于很高的压力或很低的温度，或密度很大并接近于液态时，不可视为理想气体。例如锅炉中的水蒸气，制冷剂蒸气及其他气液共存状态下的蒸气工质，都不能视为理想气体。而对于远离液体状态的气体而言，如自然状态下的空气（包括其中所含水蒸气）、烟气等按理想气体对待时，所产生的偏差完全符合工程要求。,1.3 理想气体状态方程式,45,1.3.2.1 热力平衡状态 所谓热力平衡状态，指的是热力系统内部的温度、压力等各个状态参数均有确定的数值而不随时间变化，即热力系统各点的温度和压力都均匀一致，并且工质温度等于外界温度（热平衡），工质作用在边界上的力和外界对系统的作用力相平衡（力平衡）。 完全的热力平衡状态在工程实际中是不存在的，这只是一种理想化的假设，但由于大多实际热力状态与平衡状态的偏差均在允许误差范围，故可以按平衡状态处理。,1.3.2 理想气体状态方程式,1.3 理想气体状态方程式,46,1.3.2.2热力过程 热力系统中工质的一系列状态变化称为热力过程，能量的传递或转换都是借助热力过程来实现的。而系统状态的改变都是系统与外界之间存在温差或压差时才能发生，也就是说，实际的热力过程均是由一系列的不平衡状态变化所形成的，整个过程中难以有确定的状态参数，热力过程的分析计算难以进行。因此，类似于平衡状态的概念，再引入准平衡过程与可逆过程的概念。,1.3 理想气体状态方程式,47,（1）准平衡过程 热力系统中工质所经历的热力过程如果非常缓慢地进行，使得每一个热力状态都无限地接近平衡状态，则这样的热力过程称为准平衡过程。要指出的是，首先，过程的快、慢是相对的，如活塞对气体的压缩过程，活塞运动速度似乎很快（约每秒几米），但与气体分子受压缩后趋于平衡的速度（可视为气体分子运动速度，约每秒几百米）比相对要缓慢得多。其次，只有平衡状态才可以在状态参数的坐标图上（如p-v图，T-s图）确切地用一个状态点来表示。也只有是准平衡过程，才能在参数坐标图上用一条曲线来表示。当热力过程不是准平衡过程时，只能约略用虚线表示。因此，工程热力学中涉及的热力过程一般均指准平衡过程。,1.3 理想气体状态方程式,48,（2）可逆过程 如果热力系统完成了某一热力过程后，再沿原来路线逆向进行，返回到其最初状态，同时外界也回复到原来状态而不产生任何变化，则这一热力过程称为可逆过程。如果不能满足上述条件则是不可逆过程。 可逆过程必须是准平衡过程，而且系统和外界环境经历了正向和逆向过程后必须都恢复原来状态。由此可见，一切实际存在的热力过程都是不可逆过程。因为要想实现可逆过程，势必要满足以下条件： 作机械运动时，热力系统和外界保持力平衡，即没有因摩擦而使机械能转化为热能的现象（使功转变为热的效应，称为耗散效应） 传热过程中热力系统和外界保持热平衡，即无温差。,1.3 理想气体状态方程式,49,1.3.2.3理想气体状态方程式 对于1 kg理想气体而言，公式（1.5）中的分子浓度可表示为： n=N/ V 式中N容积为V(m3)的容器中理想气体分子总数。 经推导，可得到下式： pv=RT (1.11) 式中p气体绝对压强，Pa； v气体比体积，m3/kg； T热力学温度，K； R气体常数，J/（kgK），只与气体性质（种类）有关，而与气体状态无关。,1.3 理想气体状态方程式,50,式(1.11)为1 kg理想气体状态方程式,反映理想气体在某一平衡状态下三个基本状态参数之间的关系。 对于m kg的气体，则有： pV=mRT （1.12） 常用气体常数见表1.1。表中相对分子质量通常用符号表示，单位是：克/摩(g/mol)。,表1.1 几种常见气体的气体常数,1.3 理想气体状态方程式,51,1.3 理想气体状态方程式,52,【例1.4】氮气瓶体积为0.3 m3，压力表读数为1.2 MPa，环境温度为27，当地大气压B=0.1 MPa，求：（1）氮气的质量；（2）氮气的比体积和密度。 【例1.5】将例1.4中氮气换算为标准状态下的体积。 【例1.6】某钢瓶内原有压力为p1=0.1 MPa，钢瓶体积V=3 m3，现将CO2气体压入，终了表压力为p2=0.4 MPa，相应温度由t1=20增至t2=80，试求被压入钢瓶的CO2气体质量。当地大气压为0.1 MPa。 【例1.7】已知空气进入加热器前风量V1=5 000 m3，温度t1=-10，经加热后温度升至20，问此时风量为多少？,1.3 理想气体状态方程式,53,工程中遇到的气体通常不是单一气体，而是由若干种性质不同的气体所组成的混合物。如锅炉中燃料燃烧产生的烟气，是由CO2、H2O、N2、CO、SO2等各种气体组成。又如环境空气则是由干空气和水蒸气（H2O）所组成，而干空气则包含O2、N2等各种气体。下面讨论由各种理想气体组成的混合气体，而且混合气体中各组成气体之间不发生化学反应。,1.4 混合气体的基本概念,1.4 混合气体的基本概念,54,所谓混合气体的分压力， 指的是假定混合气体的各 组成气体单独存在，并保 持原来混合状态时的温度 和容积的情况下，该组成 气体所具有的压力。如图 1.6中（a）、（b）、（c） 所示（图中假设混合气体 含“”和“+”两种组成气体）。 按道尔顿定律，混合气体的总压力p等于各组成气体分压力pi之和。即： p=p1+p2+p3+pn= （1.14）,图1.6 混合气体的分压力和总压力,1.4.1 混合气体的分压力和总压力,1.4 混合气体的基本概念,55,类似于分压力的概念，所谓分容积，是假设将混合气体中的各组成气体分离开来，分别盛在几个容器中，而且使容器内保持与混合状态时相同的压力和温度，这时各组成气体所具有的容积称为分容积。如图1.6（a）、（d）、（e）所示。 根据理想气体状态方程式和道尔顿定律，可得到混合气体总容积和各组成气体分容积之间的关系： V=V1+V2+V3+Vn=ni=1Vi (1.15) 即：混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之和。,1.4.2 混合气体的分容积和总容积,1.4 混合气体的基本概念,56,工程中常需要确定和计算混合气体的组成成份，以便掌握混合气体性质。混合气体中各组成气体相对于混合气体所占的份额称为混合气体的组成成份。按不同的物量单位，组成成份的表示方法有三种：质量成份、容积成份和摩尔成份。 1.4.3.1质量成分 混合气体中各组成气体的质量与混合气体质量的比值称为质量成分，用符号g表示。 设由几种气体组成混合气体，各组成气体的质量分别为m1，m2，mn，混合气体的质量为m，则各组成气体的质量成分为：,1.4.3 混合气体各组成气体的成分表示,1.4 混合气体的基本概念,57,1.4 混合气体的基本概念,58,1.4.3.2 容积成份,1.4 混合气体的基本概念,59,1.4.3.3 摩尔成分,1.4 混合气体的基本概念,60,1.4.3.4 各成份之间的换算,1.4 混合气体的基本概念,61,1.4.4 混合气体的折合相对分子质量及气体常数,1.4 混合气体的基本概念,62,1.4 混合气体的基本概念,63,【例1.8】自然状态下的空气是由干空气与水蒸气组成，其中干空气按容积成分近似认为氮气占79%，氧气占21%，水蒸气忽略不计。若大气压为760 mmHg时，试计算： （1）空气的平均相对分子质量； （2）空气的气体常数； （3）氮气和氧气的分压力。 【例1.9】某燃煤锅炉烟囱底部烟气经测定其温度为200，绝对压力为760 mmHg，干烟气容积成分为:rCO2=12.4%，rCO=0.2%，rO2=8.4%，rN2=79%。试求: （1）干烟气中各组成气体的分压力； （2）干烟气平均相对分子质量； （3）干烟气的密度（干烟气可视为理想气体）。,1.4 混合气体的基本概念,64,第一部分 单元2 热力学第一定律 和第二定律,热工学基础,65,单元2 热力学第一定律和第二定律,66,单元2 热力学第一定律和第二定律,67,【知识点】 热力学第一定律，热力循环，热力学第二定律，p-v图和T-s图。 【能力目标】 掌握：热力系统储存能、功量及示功图、热量及示热图、焓、熵等基本概念。 理解：热力学第一定律、热力学第二定律实质。 熟悉：热力系统与外界传递的能量种类。 应用：能应用热力学第一定律进行热力过程的分析和计算。,单元2 热力学第一定律和第二定律,68,热力系统储存能（系统所包含的热力学范畴的能量）包括内部储存能（简称内能）和外部储存能。 2.1.1.1 内部储存能（内能） 在热力学范畴，系统内部储存能指的是气体分子的内动能（包括气体分子平动动能、转动动能及振动动能，与工质温度T有关）和分子内位能（分子间相互作用力，与工质比体积v有关）。这两项能量与热能有关，所以分子内动能和内位能又称为气体内部热能。,2.1.1 热力系统储存能,2.1 热力学系统涉及的能量形式,2.1 热力学系统涉及的能量形式,69,对于系统内与分子结构、原子结构有关的化学能和原子能，在热力学过程中不涉及化学反应和核反应，这部分能量保持不变，故不予考虑。 对于mkg质量气体的内能用U表示，单位为J，对于1kg气体的内能则用u表示，单位是J/kg。 如前所述，分子内动能与T有关，内位能与V有关，所以内能也是状态参数，而p、v、T之间存在一定关系，所以内能可表述为： U=f(P、V) （2-1） 或 u=f(p、v) （2-1a）,2.1 热力学系统涉及的能量形式,70,对于理想气体，分子间不存在相互作用力，所以内能仅与T有关，是温度的单值函数，即： U=f（T） （2-2） 关于内能的计算，实际中只涉及内能的变化量，故可人为规定一个基准状态，作为内能的零值点。同时作为状态参数，其变化量只取决于工质热力过程的初、终状态，而与过程的途径无关。,2.1 热力学系统涉及的能量形式,71,2.1 热力学系统涉及的能量形式,72,2.1 热力学系统涉及的能量形式,73,在各种热力过程中，热力系统与外界之间所能进行的能量交换或传递的方式包括热量传递，功量传递以及伴随工质流进和流出系统所传递的能量，下面分别予以讨论。 2.1.2.1 功量及示功图 功量是热力系统对外界或外界对热力系统作功多少的量度，是力差作用的结果。功量是一个过程量，伴随作功过程而发生。当力趋于平衡时，作功过程停止，系统与外界之间的功量传递也随即停止。 力的形式不同，导致作功形式各异。在工程热力学中，主要涉及到的两种功量交换形式是体积变化功与轴功。,2.1.2 热力系统与外界传递的能量,2.1 热力学系统涉及的能量形式,74,（1）体积变化功 在力差的作用下，热力系的体积发生增大或缩小，并通过系统界面与外界发生的机械功传递称为体积变化功。用符号W表示，单位为J或KJ，对于1kg工质所传递的体积变化功，用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。在热力学中规定：热力系统体积增大，系统对外做膨胀功，功量为正值；热力系统体积减小，外界对系统压缩做功，功量为负值。,图2.1,2.1 热力学系统涉及的能量形式,75,2.1 热力学系统涉及的能量形式,76,（2）轴功 工程实际中系统与外界的功量交换更多的是通过机械来进行,称为轴功，如图2.2所示。对1 kg工质，常用符号ws表示，单位为J/kg或kJ/kg;对m kg工质，用Ws表示，单位为J或kJ。与体积变化功一致，热力学中规定系统对外输出轴功为正值，外界输入轴功为负值。 从图2.2可看出，系统可 接收外界输入的轴功（ 水泵、离心制冷机）， 也可向外界输出轴功（汽 轮机）。工程中常用单位 时间做功多少来比较功量 强弱，即功率。单位为W或kW，1 W=1 J/s,图2.2 轴功示意图,2.1 热力学系统涉及的能量形式,77,2.1.2.2 热量及示热图 当两个温度不同的物体相互接触时，将有能量从高温物体自发地传递到低温物体，热力学中将这种由于热力系统与外界之间仅因存在温差而通过边界传递的能量称为热量。 关于热量，强调以下几点： （1）热量是与热力过程相关的一个过程量，而不是状态参数。可以说系统含有多少能量或热能，也可以说系统与外界交换了多少热量，但不能说系统含有多少热量。 （2）热量交换只发生在界面上，热量是在温差作用下热传递过程中物体能量改变量的量度，当温度趋于一致（热平衡）时，热量传递即停止。,2.1 热力学系统涉及的能量形式,78,（3）热力学中规定：热力系统吸热为正，放热为负。用符号Q表示m kg工质吸收或放出的热量，单位是J或kJ；单位质量工质（1 kg）吸收或放出的热量用表示，单位为J/kg或kJ / kg。对于微元过程，则用Q或q表示。 类似于前面讨论的功量表达式及示功图，经理论推导，有状态参数熵存在。对于m kg工质，其熵用S表示，单位为J/K或kJ/K；对于1 kg工质，则其熵用s表示，单位为J/(kgK)或kJ/(kgK)。 对于微元的可逆过程，热力系统与外界传递的热量可表示为 Q=TdS或q=Tds (2.10),2.1 热力学系统涉及的能量形式,79,图2-3 T-S（温-熵）图,2.1 热力学系统涉及的能量形式,80,从图2-3中可以看出，在T-S图中，过程线1-2下面的面积S12S2S11即为热力过程中系统和外界之间的换热量， 所以T-S图又称为示热图，即图中面积即表示热量。另外，从图中还可看出，若热力学的初、终状态相同，而所经历的过程不同时，其热传递量也不同，这也说明热量与过程有关，是过程量而不是状态量。 2.1.2.3 伴随工质流动所传递的能量 对于开口热力系统，工质在流进或流出系统界面时，其自身所携带的一部分能量也同时通过界面，参与能量传递。这部分能量包括以下两部分。,2.1 热力学系统涉及的能量形式,81,2.1 热力学系统涉及的能量形式,82,如图2.4所示，质量为dm的工质流入系统时，假设界面1-1处工质的状态参数压力为p,比体积为v，过流断面积为A,则工质进入系统时带入系统的流动功为： 流动功=力位移 即 Wf=pAdx=pdV=pvdm,图2.4流动功示意,2.1 热力学系统涉及的能量形式,83,2.1 热力学系统涉及的能量形式,84,能量守恒与转换定律是自然科学中关于物质运动的最重要的普遍规律之一。它可表述为：任何物质系统与外界的总能量之和是恒定不变的。相应于物质运动的不能创生或消灭，作为物质运动一般量度的能量也是不能创生或消灭的；能量只能在各部分物质之间进行传递，或者从一种形态转化为另一种形态，而总量不变。热力学第一定律，即是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。结合我们前面讨论过的工程热力学所涉及到的能量形式，热力学第一定律可一般地表示为以下的能量方程式： 进入热力系的能量离开热力系的能量=热力系储存能的变化量（2.14）,2.2.1 热力学第一定律的实质,2.2 热力学第一定律简介,2.2 热力学第一定律简介,85,前所述，对于闭口系统，无工质穿越界面，系统与外界只能有热量和功量的交换，系统只考虑内部储存能的变化，其宏观动能和宏观位能的变化为零。如图2.5所示，若工质从状态1变化（膨胀）到状态2，系统从外界吸热为Q，对外做功为W，系统储存能变化为U，按公式（2.14），则有： Q-W=U 或 Q=U+W （2.15） 对1 kg工质而言，则为： q=u+w （2.16） 对于微元过程： q=du+w (2.17),2.2.2 闭口系统的能量方程,2.2 热力学第一定律简介,86,以上各式说明，外界加给热力系统的热能一部分用来对外做功，另一部分用来增加工质的内能。式中u的取值可正可负：u0表示系统内能增加；u0表示系统内能减少；u=0表示内能不变。而q，w的取值仍如前述：系统吸热为正，放热为负；系统对外做功为正，外界对系统做功为负。,图2.5 闭口系统的能量转换分析,2.2 热力学第一定律简介,87,【例2.1】设10 kg气体在气缸中被压缩，外界输入功量80 kJ，压缩过程中气体放热20 kJ。问该过程中气体的内能是增加还是减少？每千克气体的内能变化量是多少？ 【例2.2】气体在某一热力循环过程中，从外界吸收了100 kJ的热量，并放出50 kJ的热量，试分析经历了此热力循环后系统内能变化是多少？系统与外界功量交换是多少？,2.2 热力学第一定律简介,88,工程实践中实际运行的热工设备几乎绝大多数都有工质不断地流进流出,以实现能量传递和能量转换的连续性。如采暖房间内的散热器，工作时总是有热媒工质（通常是热水）不断流进和流出，以实现与室内空气的连续换热；再如汽轮发电机组，高温高压的水蒸气连续不断地冲击叶轮使其旋转以发电。 类似于流体力学中稳定流动的概念，在工程热力学中，当开口热力系统中工质的流动状态不随时间而改变（即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变，也即单位时间内热力系统与外界传递的热量和功量不随时间而改变），同时流道中各截面上工质的质量流量相等并不随时间而改变，则这种流动称为稳定流动。,2.2.3 开口系统稳定流动能量方程,2.2 热力学第一定律简介,89,图2.6所示为某一满足稳定流动条件的开口热力系统，若工质在热力系统进、出口的流动速度为c1和 c2，单位质量工质所具有的内能为u1和u2，进、出口截面中心相对于宏观势能的基准面高度为z1和z2，系统中每1 kg工质从外界吸热为q， 向外界输出轴功为ws。 由于是稳定流动，热力 系统储存能保持恒定， 根据公式（2.14），可 得到能量方程式,图2.6 开口热力系统能量分析,2.2 热力学第一定律简介,90,2.2 热力学第一定律简介,91,2.2 热力学第一定律简介,92,如前所述,诸多热工设备在运行过程中都涉及工质的流动,而且在设备正常运行过程中均可近似按稳定流动处理,即可以利用稳定流动能量方程式来对各种不同的工程实例进行能量分析与计算,并针对不同的具体条件将公式(2.23)进行简化。 2.2.4.1 泵与风机 泵与风机是用于输送工质的流体机械，是通过消耗外界输入的轴功来提高流体工质的机械能（“流体力学泵与风机”课中称为水头）。如图2.7所示，流体工质通过泵与风机时，外界对工质做功（-ws），而工质在进口与出口处的宏观动能与宏观位能变化极小，可忽略不计。,2.2.4 稳定流动能量方程式的应用,2.2 热力学第一定律简介,93,图2.7 泵与风机能量分析,2.2 热力学第一定律简介,94,2.2 热力学第一定律简介,95,2.2 热力学第一定律简介,96,2.2.4.3 换热器 工程中用于冷、热流体通过换热壁面进行热能交换的设备通常简称为表面式换热器。如锅炉、蒸发器、冷凝器、加热器、散热器等。具体换热器类型、结构及选型计算将在后面讨论，此处仅就稳定流动能量方程简化应用进行讨论。如图2.8所示，当某种工质流经换热器时，吸收热量为q,系统与外界无功量交换，工质进出口的宏观动能和位能变化极小，可以忽略。于是，稳定流动能量方程式可简化为 q=h2-h1 (2.28) 上式说明，工质在换热器中吸收(或放出)的热量等于其焓的增加（或减少）。,2.2 热力学第一定律简介,97,如前所述，换热器是冷、热两种流体通过换热壁面进行热交换，通常冷、热流体并无质交换，公式(2.28)中的q为正，则该工质被加热，其h2h1；若q为负，则意味着该工质被冷却，其h2h1。 【例2.4】某教室中有一组散热器，热水采暖。若进口处热水h1=380 kJ/kg，出口处h2=280 kJ/kg，水量为M=2.5 kg/s。试计算该组散热器单位时间传递给室内的热量。,图2.8换热器能量分析,2.2 热力学第一定律简介,98,2.2.4.4 喷管与扩压管 喷管是一种通过适当改变流道截面以使高压流体急剧膨胀而获得高速流体(即增加其动能)的装置，如喷气飞机的发动机喷气管。而扩压管的作用正好相反，是将具有较大动能的流体进行降速增压的一种设备，如水泵与风机的出口处均有扩压管的作用。二者虽然作用不同，所涉及的能量变化却类似。如图2.9所示，工质流经喷管或扩压管时，进口速度为c1,出口速度为c2，与外界无功量交换，ws=0；而位能变化可以忽略不计，同时流动过程很快，可近似认为q0。于是稳定流动能量方程式可表示为：,2.2 热力学第一定律简介,99,上式表明，工质流经喷管或扩压管时，其动能的变化量等于其焓值的变化量。亦即与外界无功量和热量交换，只是工质自身能量形式发生转换。,图2.9 喷管与扩压管能量分析,2.2 热力学第一定律简介,100,在建筑设备类专业所涉及的工程实际中，关于热量计算的方法主要有三种： 工程热力学方法，即本单元中讨论的运用热力学定律进行热量计算的方法，此方法是基于能量守恒与转换规律进行热量计算的； 工程传热学方法，即本书第二部分中利用公式Q=At进行热量计算的方法,此方法是针对热量传递规律及过程进行热量计算的； 量热学方法，即中学物理中涉及到的利用物质比热容进行热量计算的方法。这三种方法常常需综合运用，才能较好地解决实际问题。 本节讨论利用量热学方法进行气体热量计算的问题。,2.3 利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,101,2.3.1.1 比热容的定义及单位,2.3.1 比热容的定义及影响因素,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,102,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,103,2.3.1.2 影响比热容的主要因素 不同种类的物质其物性不同,相应的比热容值也不同。对于气体，即使是同一种气体，当所经历的热力过程不同，或温度不同时，其比热容值也不同。 （1）热力过程特性对气体比热容的影响 尽管比热容是属于物性参数，但事实证明，气体的比热容的数值与热力过程的特性有关。工程实际中常用到的气体加热的热力过程有气体容积不变情况下的定容加热过程和气体压力不变情况下的定压加热过程，相应的比热容则称为定容比热容（用cV表示）和定压比热容（用cp表示）。实验证明，在一定温度下，同一种气体的cV和cp不等，而且cp大于cV，因为在定容过程中，气体不膨胀（即不做功），加入的热量全部用于增加气体的内能，使气体温度升高；,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,104,而在定压过程中，气体可以膨胀做功，加入的热量不单用于增加气体内能，而且还要有一部分热量用于气体膨胀做功。所以，对于同样质量的气体升高同样的温度，定压过程中需加入的热量要比定容过程多。 对于理想气体，可推导出以下关系 cp-cV=R （2.32） 或 cp,m-cV,m=Rm (2.33) 上式即为著名的迈耶公式。结合前面讲到的比热容的单位（物量），可归结为表2.1。 另外，气体定压比热容cp与定容比热容cV的比值在理论与实际中也是一个重要的参数，用k表示，称为绝热指数,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,105,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,106,2.3.2 利用比热容计算气体的热量,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,107,2.3.2.1 用定值比热容计算气体热量 当气体在所进行的热力过程中温度变化较小或者计算精度要求不高时,可将比热容看成是与温度无关的常数,即定值比热容。 对于理想气体，根据分子运动论，只要是气体原子数目相同，则其定值摩尔热容也相同，如表2.2所示。只要确定了气体种类，从表中查取定值摩尔热容后，利用公式(2.31)即可求出该气体的定值质量比热容和定值体积比热容。,图2.10比热容与 温度的关系,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,108,表2.2 理想气体定值摩尔热容,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,109,2.3.2.2 用平均比热容计算气体热量,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,110,2.3利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓,111,关于平均比热容，需要注意的有以下几点： 平均比热容的几何意义从图2.10中可以明显看出，即为矩形ab t2t1的高，也即数学中的中值定理在量热学中的具体应用。 附表1、附表2是根据实验和理论分析计算得到的，某种程度上说，利用平均比热容计算的结果与此温度范围内用真实比热