工程热力学概念

绪论 工程热力学与传热学分两部分 热力学与传热学 这两部分都是与热有关 的学科 我们先讲热力学 第二部分再讲传热学 热力学中热指的是热能 力在我们工程热力学中主要指的是用它来做功 也就是机械能 简单地理解工程热力学主要研究的是热能和机械能之间的相互 转化 也就是说由热产生力 进而对物体做功的过程 所以热力学主要研究的 是热能和机械能之间的相互转化 举个例子 比如汽车的发动机 内燃机 它是利用燃料 汽油 在汽缸中 燃烧 燃烧后得到高温高压的烟气 烟气此时温度高 压力高 具有热能 那 么高压的燃气会推动气缸的活塞做水平往复运动 活塞又通过曲柄连杆机构把 水平往复运动转化成圆周运动 进而带动汽车运动 这就是一个热力学的例子 工程热力学的研究重点是热能与机械能之间的转化规律 那么下面我们来 详细的看一下工程热力学的研究内容 研究热力学中的一些基本概念和基本定律 基本概念像热力学系统 热 力学状态 平衡过程 可逆过程等 基本定律有热力学第一定律和热力学第二 定律 第一定律和第二定律是工程热力学的理论基础 其中热力学第一定律主 要研究热能与机械能之间转化时的数量关系 热力学第二定律主要研究热能和 机械能转换时的方向 条件 限度问题 研究工质的性质 我们热能和机械能之间的转化需要依靠一定的工作物 质才能实现 因此 我们要研究热能和机械能之间的相互转化 我们首先要研 实现这一工作的工质的性质 研究工质参与下 遵循热力学第一定律和第二定律在热力设备中进行的 实际热力过程 第一章 基本概念 在我们研究工程热力学的过程中会用到许多术语 如工质 热力学系统 热力学状态 平衡状态 状态参数等 因此 要学好工程热力学我们首先要知 道这些术语指的是什么 我们先来看第一个概念 工质 一 工质 我们前面讲了 工程热力学是研究热能和机械能之间的相互转化 那么工 质就是用来实现热能和机械能之间相互转化的工作物质 工质大多数情况下只是在能量转化的过程中起媒介的作用 而不会直接参 与能量的转化 像我们化学中学到的催化剂一样 工质这一物质本身并不发生 化学性质的变化 发生变化的是工质的热力学状态 物理性质 像工质的温度 压力 体积等 也就是说工质在能量转化过程中起媒介的作用 举个例子 就是前面我们举的汽车发动机 这里面的工质是汽油燃烧后所产生的烟气 最初 烟气的温度很高 压力 很高 它所具有的是热能 烟气在高温高压下会膨胀 对外做功 把它所具有 的热能转化为机械能 并传递给汽车 烟气膨胀后 温度和压力都会降低 在 这个能量转化过程中 工质烟气的化学性质并没有发生变化 工质还是工质 发生变化的仅仅是工质所呈现出来的状态 最初是高温高压 膨胀之后变为低 温低压 锅炉中的蒸汽动力循环装置 在这个装置中 工质是水蒸气 水进入锅炉中 通过锅炉加热后 变成水 蒸气 水蒸气推动汽轮机的叶轮旋转做功 做功后变成液体水 水再送回锅炉 中加热循环使用 这个装置中就是通过工质 水的状态的不断变化将热能转 化为机械能的 工质水本身并没有发生变化 水还是水 不管是以液体状态存 在还是以蒸汽状态存在 发生变化的是水的物理状态 像水的温度 压力等 综上 工质是实现热能和机械能之间相互转化的工作物质 是媒介物质 二 热力学系统 1 热力学系统的概念 简单的说 热力学系统是认为地划分出来作为热力学研究对象的系统 也 就是我们的研究对象 简称热力系 热力系可以是一种真实的物质 如泵中被压缩的水 也可以是一个真实的 设备 如锅炉 也可以是一种抽象出来的或假象的热力学模型 2 边界与外界 热力学系统是人们在进行热力分析时 为方便起见 把研究对象从周围物 体中分离出来的 那么系统周围的物体称为外界 热力系统与外界的分界面叫 做边界 外界可以是自然环境 也可以是另一个热力系统 自然环境是一类特殊的 外界 它所经历的过程是可逆的 而且本身的性质不变 边界可以是真实的 也可以是假想的 可以是固定不变的 也可以是运动 可变的 比如 若取前面我们讲的汽轮机中的工质 水蒸气作为热力学系统时 汽轮机的汽缸外壁是一个实际的边界 而水蒸气的进口和出口则是一个假想的 虚拟的边界 再举一个例子 活塞式压缩机的汽缸活塞系统 当我们取汽缸中的工质为 热力系时 则边界的一部分 汽缸壁面是固定的 边界的另一部分 活塞 顶就是运动的 a 汽轮机 b 活塞式压缩机汽缸 3 热力学系统的分类 通常情况下 热力学系统 与 外界 之间会处于相互作用之中 他们通 过 边界 相互交换能量或物质 我们根据两者之间相互作用的不同 把热力 学系统分为几种 1 闭口系统 热力系 即研究对象 与外界无质量交换时 此系统称为闭口系统 闭口 系统内的质量是保持恒定不变的 因此又叫做控制质量 如前图 b 所示的汽 缸 热力学系统只通过汽缸壁和活塞杆与外界发生热和功的交换 汽缸中工质 的质量在能量转化过程中是保持不变的 此系统为闭口系统 2 开口系统 热力系通过边界与外界之间既有能量交换又有物质交换 则该热力系称为 开口系统 如前图 a 所示的汽轮机 3 绝热系统 热力系与外界之间没有能量交换 可以有质量交换 也可以有其他形式的 能量交换 4 孤立系统 热力系与外界之间既无能量交换也无质量交换 由于自然界中物体和物体之间是相互联系 相互作用的 而且也不存在绝 对的绝热物质 因此 绝对的孤立系统和绝热系统是不存在的 只有系统与外 界之间的热量和质量交换无限微弱或影响可忽略不计时 可简化处理 将热力 系视为孤立系统或绝热系统 三 热力学状态 1 热力学状态的概念 工质在热力设备中 必须通过吸热 膨胀 排热等过程才能完成将热能转 化为机械能的工作 在这一转化过程中 工质的 P T V 等物理特性随时都在 发生变化 我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况成 为工质的热力学状态 简称状态 下面我们介绍一个热力学系统中比较特殊的一个状态 2 平衡状态 一个热力学系统 如果在不受外界影响的条件下 系统的状态能够始终保 持不变 那么我们就说该系统处于热力平衡状态 简称平衡状态 热力平衡包含两方面 热的平衡和力的平衡 热的平衡 当热力系内部各点温度均匀一致且等于外界温度时 组成热力系统的各部 分之间以及热力系统与环境之间没有热量的传递 那么系统就处于热平衡状态 力的平衡 当热力系各部分之间没有相对位移 即内部无不平衡力 且作用在边界上 的力和外力达到平衡 则该热力系处于力的平衡状态 同时具备了热的平衡和力的平衡的系统就处于热力平衡状态 平衡状态的特点 处于热力平衡状态的系统 只要不受外界影响 他的状态就不会随时间 而改变 即平衡状态不会自发被破坏 处于不平衡状态的系统 由于各部分之间的传热和位移 其状态将随时 间而改变 随着状态的不断变化 传热和位移也会逐渐减弱 直到完全停止 此时会达到另一个新的平衡状态 所以我们说 处于不平衡状态的系统在没有 外界影响的情况下总会自发地趋于平衡状态 我们一般只对平衡状态进行分析研究 不涉及时间因素 3 状态参数 即用来描述状态的参数 工质所处的状态常用一些宏观物理量来描述 这种用来描述工质所处状态 的宏观物理量称为状态参数 状态参数和热力学状态是一一对应的 热力学状态一定 则状态参数就确 定了 工质的热力学状态发生变化 那么状态参数也会随之发生变化 状态参数的属性 状态参数只取决于状态 而与如何到达这一状态的途径无关 如图 经过路径 到达状态 2 与经过路径 到达状态 2 我们表示热力学 状态 2 所用的状态参数的数值是一样的 都是 P2 v2 压力是一定的 比容 也是一定的 e 这类似于我们高中时学过的重力做功 只取决于前后的高度差 而与途径无 关 举个例子 第一天早上吃牛肉面 心情很好 第二天早上吃的包子 和 昨天心情一样好 那么这两天早上的心情状态时一样的 那么用来表示这两 天心情的状态参数 比如心情指数等 也都是一样的 与吃的包子还是吃的 牛肉面无关 即与如何到达这一状态的路径无关 4 基本状态参数 研究热力过程时 常用到的状态参数有六个 压力 P 温度 T 体积 V 热力学能 内能 U 焓 H 熵 S 这六个状态参数可以有两种分类方法 根据状态参数与质量的关系分为强度量和广延量 强度量 凡是与质量无关的量称为强度量 如 P T 1kg 物体和 2kg 物体的温度是一样的 不随质量的不同而变化 强度量不具有加和性 广延量 凡是与质量成比例的量成为广延量 如 V U H S 1kg 气 体的体积和 2kg 气体的体积是不一样的 体积是随质量是成比例关系增加的 广延量具有加和性 我们还有一种参数 叫做比参数 比参数是由广延量除以质量得到的 如 V m 得到比体积 U m 得到比内能 另外还有比焓 比熵等 即单位工 质的体积 内能 焓 熵 比参数就属于强度量了 不具有加和性 通常我们将热力系的广延参数用大写字母表示 其比参数用小写字母表 示 如 V v U u H h S s 第二种分类方法 把六个状态参数分为基本状态参数和导出状态参数 基本状态参数 六个状态参数中 P T V 三个量可直接用仪器测量 称为基本状态参数 导出状态参数 其余三个 U H S 需利用前面三个基本状态参数间 接推导得出 称为导出状态参数 下面我们先介绍三个基本状态参数 P T V 其他三个状态参数以后 再介绍 四 基本状态参数 1 温度 温度我们都很熟悉 是描述物体冷热状况的物理量 这是我们从宏观上 的说法 从微观上看 温度标志着物质内部分子热运动的剧烈程度 两个物体接触时 通过接触面上分子的碰撞 进行动能交换 这种微观 的动能交换就是宏观的热量交换 为了给温度确定数值 需要建立温标 也就是说要确定这么热的程度用 多大数值表示 即建立温度标准 国际上规定 将热力学温标作为测量温度的最基本温标 热力学温标的 温度单位是开尔文 符号 K 开 热力学温标的标准规定 把纯水的三相 点温度 即水的气 液 固三相平衡共存时的温度作为基准点 并规定为 273 16K 热力学温标所表示的温度称为绝对温度 我们用符号 T 表示 除热力 学温标外 在日常生活中我们常用的是摄氏温标 摄氏温标的温度单位是摄 氏度 符号 摄氏温标的标准规定 以标准大气压下水的冰点为零点 水 的沸点为 100 中间平均划分为 100 等份而得出 摄氏温标表示的温度我们用 t 表示 摄氏温标和热力学温标的关系为 t T 273 15 T t 273 15 即 0 273 15K 100 373 15K 水的冰点为 0 水的三相点为 273 16K 即 0 01 即水的三相点比 冰点高 0 01 从上面热力学温标和摄氏温标的关系我们可以看出 两者并没有本质上 的差别 仅仅是所选取的零点不同而已 像我们测量高度一样 所选起点不 一样 测量的数值也不一样 知识 环境中所存在的物体 能够达到的最低温度只能是无限接近 0K 即 273 15 即任何物体的温度都不会低于 273 15 也就是说自然 界的物体都是绝对温度高于 0K 的物体 2 压力 P 热力学中我们所讲的压力等同于高中物理中所学的压强 即垂直作用于 单位面积上的力 用符号 P 表示 对气体来说 压力是大量分子向容器壁撞 击的平均结果 压力的测量原理 压力的测量采用压力计 利用力的平衡力的平衡原理测取压差压差值 由于压力计本身处在大气压力作用下 所以我们用压力计所测得的压力 是工质真实压力与环境介质压力之差 叫做表压或真空度 都是一个相对压 力 当气体的真实压力 大气压力时 我们称为表压 当真实压力 大气压 力时 我们称为真空度 表压 Pg 真空度 Pv 绝对压力 P 大气压力 Pb 表压时 Pg P pb 真空度时 Pv Pb P 由于大气压力 Pb 是由地面上空气柱的重量造成的 它会随着各地的维 度 高度和气候条件而不同 因此 即使工质的绝对压力不变 由于地点不 同 所测得的表压力和真空度仍然会有所不同 所以为了在同一标准下比较 两工质的压力 我们要用绝对压力来表示 基准都是绝对真空 所以用压力表测量时 必须同时测定当地的大气压 Pb 用气压计来测 量 若绝对压力特别大 则我们可以把大气压力视为常数 通常情况下 我们能测量得到的是 Pg 或 Pv 而我们在计算及应用时 用到的是真实压力 P P Pb Pg 或 P Pb Pv 3 比容与密度 比容 单位质量工质所占的空间 v V m m3 kg 密度 单位体积工质的质量 m V kg m3 v 1 重度 单位体积工质的重量 G V N m3 一 状态方程 经验表明 表示系统所处状态的这些状态参数之间是相互联系的 并不 是各自独立的 当一定量的气体在固定容积的容器内加热时 体积会保持不变 而温度 会升高 压力也会随温度的升高而增大 即气体的体积保持不变时 温度与 压力成正比关系 反之 如果保持压力不变 容器是体积可变的容器 对气体加热 那么 随温度的升高 体积也会变大 即气体的压力保持不变时 温度与压力成正 比关系 而如果体积和压力都保持不变 则温度也就只能有一个确定的数值 若 想对其加热 让温度升高 则体积和压力也一定会变化 不会继续保持不变 的 即 PVT 三个参数之间是相互联系的 并且他们之间的相互联系还服从 一定的关系式 状态参数之间的这个关系式叫做状态方程 即 f P v T 0 或 P f v T v f p T T f P v 综上 状态方程就是用来描述处于平衡状态的系统 状态参数之间相互 关系的方程式 二 状态参数坐标图 根据状态方程的讲解 我们知道 对于简单可压缩的平衡系统 由两个 参数就可以确定系统的状态 比如 P v 一定 则 T 就可知 P T 一定 则 v 也可以确定 并且系统的热力学状态就一定 那么我们知道 用两个参数就可以确定系统的状态 所以我们将两个参 数表在平面直角坐标系中 用来描述系统所处的热力学状态 并用来分析状 态到状态之间的变化过程 这种由热力系状态参数所组成的坐标图就是状态参数坐标图 在我们热 力学中 长采用的状态参数坐标图有压容图 P v 温熵图 T s 和焓熵 图 h s 注 只有平衡状态才能用状态参数坐标图上的一点来表示 三 热力过程 一个处于平衡状态的热力系 如果没有外界影响 必将永远保持其平衡 状态 这时热力系具有确定的状态参数 若热力系受到外界影响 与外界发 生了能量传递 如吸热 就会使热力系偏离平衡状态而发生一系列变化 直 至达到一个新的平衡状态 变化停止 这种由于热力系与外界相互作用而引起的热力系由一个平衡状态经过连 续的中间状态变化到一个新的平衡状态的全过程 称为热力过程 下面我们主要讲几个热力过程中的特殊过程 1 平衡过程 平衡过程指的是 在变化过程中 热力系在任何时刻都处于力的平衡和 热的平衡 任何时刻系统内部都处处均匀一致 即由无数个平衡状态连在一 起组成的变化过程 因此 可连成实线 但平衡过程实际上是一个理想过程 现实当中是不存在这样的过程的 因为我们知道 系统由一个状态变化到另一个状态 这个过程得以实现的推 动力是 不平衡 即只有系统内部或系统与外界之间存在不平衡才会进行 热力过程 若系统处于平衡状态 没有不平衡的存在 则系统的状态不会发 生变化 会一直待在原地不动 也就是说平衡过程是个理想过程 是认为想象出来的 现实中不存在 所以我们又提出了一个 准静态过程 2 准静态过程 我们把热力过程中一系列无限接近平衡状态的状态组合成的过程称为准 静态过程 准静态过程中 每一个微小过程与原平衡状态都只偏离无限小 并且在 每次微小变化后及时地建立了新的平衡 准静态过程的特点 在过程中 热力系内部不断存在力的平衡和热的平衡 或平衡被破坏 1 的程度无限小 过程进行的无限慢 有足够的时间及时恢复平衡 我们把这个时间成 2 为弛豫时间 即弛豫时间短 在分析问题时 我们可以忽略其对平衡状态的偏离 中间状态仍以平 3 衡态确定 因此 准静态过程在坐标图上可以用连续的实线描述 3 实际热力过程 非平衡过程 通常情况下 热力系的吸热或放热是在温差下进行的 做机械功是在压 差下进行的 显然 一切实际的热力过程都是热力系与外界之间的不平衡势 差 温差 压差 作用的结果 不平衡过程的中间状态的状态参数并不确定 不是平衡状态 不能在坐 标图上用实点表示 因此 不平衡的过程也无法用一连续实线来表示 但为 了方便说明问题 我们可以用一虚线来表示 4 可逆过程与不可逆过程 可逆过程指当完成了某一过程后 如果能使工质沿相同的路径逆行而恢 复到原来的状态 并使相互作用中所涉及的外界也恢复到原来状态 而不留 下任何改变 则这一过程就叫做可逆过程 不满足这些条件的过程为不可逆 过程 即可逆过程主要有两个特点 能沿原路返回 1 系统和外界都恢复初态 不留下任何变化 2 要使过程满足这两个特点 则过程在进行时需满足两个条件 过程是 准 平衡过程 1 过程中无摩擦 即无任何耗散效应 2 可逆过程的基本特征是 过程进行的结果不给热力系及外界留下任何影 响 5 可逆过程 平衡过程 准静态过程的联系与区别 平衡过程和可逆过程两个概念并无实质上的区别 在热力学范围内两者是 等效的 而准静态过程和可逆过程 共同点 都满足平衡条件 过程中无推动力 即无压差和温差 1 都可以在状态参数坐标图上表示 2 不同点 准平衡过程只要求热力系内部维持平衡 无内摩擦 1 可逆过程还必须无外部摩擦 否则热力系将产生能量耗散 致使过程不 2 能无条件地逆向复原 所以 可逆过程必然是一个无能量耗散的准平衡过程 显然 可逆过程是 一个完美的理想过程 现实中是不可能进行的 但可逆过程仍然具有十分重要 的实际意义 作为研究实际过程的基础 理想气体与实际气体 我们工程热力徐研究的主要内容是如何把工质的热能转变为能够被我们利 用的机械能 热能和机械能之间的转化需要通过工质的膨胀或压缩过程实现 因此我们 所采用的工作物质 工质 应具有显著的涨缩能力 即其体积随温度 压力能 有较大的变化 物质的三态 气 液 固中只有气态具有这一特性 因而实现 热能和机械能转化的这些工质一般都采用气态物质 一 理想气体的概念 理想气体是一种实际上并不存在的假想气体 理想气体有两点假设 分子是些弹性的 不具体积的质点 1 分子间没有相互作用力 2 在这两点假设条件下 气体分子的运动规律极大地简化了 分子之间的碰 撞为直线运动 且为弹性碰撞 无动能损失 我们都知道 若组成系统的气体的压力和密度较小 那么系统内分子间的 平均距离就会增大 当气体的压力和密度降低到一定程度时 即平均距离大到 一定程度时 气体分子本身所占的体积就会远远小于分子所活动的空间 分子 间平均距离远到分子间作用力极其微弱的状态时 就很接近理想气体 因此理想气体是气体压力趋近于零 比容趋近于无穷大时的极限状态 自然界中完全符合理想气体假设条件的气体是不存在的 但在我们工程中 常用到的氧气 氮气 氢气 CO 等 以及混合气体 燃气烟气等工质 在通 常使用的温度 压力下都可以作为理想气体进行处理 简化计算 误差一般都 在工程计算允许的精度范围之内 但对于那些离液态不远的气态物质 如蒸汽动力装置中采用的工质水蒸汽 制冷装置的氟利昂蒸汽 氨蒸汽等 它们更接近液态 与理想气体性质差别较 大 分子本身的体积以及分子与分子之间的作用力都不可忽略 因此它们不能 当做理想气体处理 这些工质我们称为实际气体 我们这门课主要研究理想气体 二 理想气体状态方程 理想气体状态方程是用来揭示平衡状态下气体的压力 温度 比容之间相 互关系的方程式 它有几种表达方式 几种表达方式之间是等价的 1122 12 PvP vPv TTT const 即对于一定的系统 只要没有物质交换 不管工质的状态怎么变 他的 Pv 乘积与 T 的比值始终是一个常数 或表示成 PvRT 其中 R 称为气体常数 它是一个只与气体种类有关 而与气体所处状态无 关的物理量 即只要气体一定了 不管状态怎么变 PVT 取何值 R 都是一定 的 是常数 状态方程有很多不同的表达形式 最基本的就是我们前面讲的两种 在后 面我们还会详细介绍其他形式的状态方程 下面我们先讲一下几个概念 三 物质的量 摩尔质量 摩尔容积 1 物质的量 物质的量与我们比较熟悉的 质量 是一样的 都表示物质的多少 物质 的量的单位是 mol 1mol 指的是物质中所包含的的基本单元数与 0 012kg 碳 12 的原子数相同时 这些物质的量就是 1mol 0 012kg 碳 12 所包含的的原子数为 6 0225 1023个 基本单元可以是原子 分子 离子 电子以及其他微粒 在我们热力学中 的工质是气体 那这个基本单元是分子 也就是说 在热力学中 任何物质 6 0225 1023个分子构成的物质的量就 是 1mol 反过来 1