第一章基本概念

1、1第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts and Definition1-1 热能和机械能相互转换过程热能和机械能相互转换过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 平衡状态平衡状态、状态方程式、坐标图、状态方程式、坐标图1-5 准准静态过程与可逆过程静态过程与可逆过程1-6 热热力循环力循环2一、热能动力装置一、热能动力装置(Thermal power plant) 定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备的整套设备。分分类类共同本质：共同本质：由媒

2、介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 气体动力装置气体动力装置(combustion gas power plant) 内燃机内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机装置燃气轮机装置(gas turbine power plant) 喷气发动机喷气发动机(jet power plant) 蒸气动力装置蒸气动力装置 (steam power plant)1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 3二、工质二、工质(working substance; working medium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质

3、。定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求对工质的要求:物质三态中物质三态中气态气态最适宜最适宜。 1）膨胀性）膨胀性 2）流动性）流动性 3）热容量）热容量 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5）对环境友善）对环境友善 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取常见工质常见工质如：水蒸汽、内燃机中工作的燃气如：水蒸汽、内燃机中工作的燃气 制冷剂、常用的气态物质（空气等）。制冷剂、常用的气态物质（空气等）。4三、热源三、热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源高

4、温热源热源热源 （ heat source ） 低温热源低温热源冷源（冷源（heat sink） 恒温热源恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源变温热源51-2 热力系统热力系统 系统系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。研究对象的有限物质系统。 外界外界(surrounding )：与系统发生物质、能量交换的物质系统。与系统发生物质、能量交换的物质系统。 边界边界(boundary)：系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。一、系统、一、系统、外界和边

5、界外界和边界6热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热7边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary89 闭口系（闭口系（closed system） （控制质量（控制质量CM） 没有质量越过边界没有质量越过边界 二、二、 闭口系与开口系闭口系与开口系10开口系（开口系（open system） （控制体积（控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换11三、绝热系统与孤立

6、系统三、绝热系统与孤立系统12孤立系（孤立系（isolated system）与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。13四、系统内部状况四、系统内部状况2、单元系与多元系、单元系与多元系3、均匀系与非均匀系、均匀系与非均匀系 1、单相系与复相系单相系与复相系单相系单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。单元系单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。多元系多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。均匀系均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。非均匀系非均匀

7、系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。14五、简单可压缩系统五、简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 只交换只交换热量热量和和一种容积变化功一种容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功Simple compressible systemMoving Boundary WorkCompression WorkExpansion Work注意：注意： 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）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；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。15六、热力系示例六、热力系示例 1刚性绝热气缸刚

8、性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝闭口系闭口系黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝闭口绝热系闭口绝热系兰线内兰线内孤立系孤立系16闭口系闭口系2刚性绝热喷管刚性绝热喷管取红线为系统取红线为系统取喷管为系统取喷管为系统是开口绝热系是开口绝热系?171234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系181-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数1、 热力学状态（热力学状态（st

9、ate of thermodynamic system） 系统某一瞬间所呈现的宏观物理状况。系统某一瞬间所呈现的宏观物理状况。2、状态参数（状态参数（state properties） 描述系统所处状态的宏观物理量描述系统所处状态的宏观物理量 SHUTvp, 状态参数是宏观物理量状态参数是宏观物理量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平衡状态平衡状态才有状态参数，系统有才有状态参数，系统有多多个状态参数，常用的如个状态参数，常用的如一、热力学状态和状态参数一、热力学状态和状态参数3、状态参数的特性、状态参数的特性其中其中p、v、T称为基本状态参数？称为基本状态参数

10、？容易测量！容易测量！19状态参数的数学特征状态参数的数学特征 状态参数一旦确定，工质的状态也就确定。状态参数状态参数一旦确定，工质的状态也就确定。状态参数变化量与路径无关，只与初、终态有关。变化量与路径无关，只与初、终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化point function20温度温度T 的一般概念的一般概念宏观：物质宏观：物质冷热程度的度量。冷热程度的度量。 （与人的感觉和导热介质等有关）（与人的感觉和导热介质等有关）微观：微观：衡量分子平均平移动能的量度。衡量

11、分子平均平移动能的量度。二、温度和温标（二、温度和温标（temperature and temperature scale）BTwm2222wmw式中分子平移运动的动能，其中m是一个分子的质量，是分子平移运动的均方根速度；B 比例常数；T 气体的热力学温度。21热力学第零定律热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）它是温度测量的理它是温度测量的理论基础论基础 当物体当物体B B同时与物体同时与物体A A和和C C接触而达到热平衡时接触而达到热平衡时, ,物体物体A A和和C C也一定处于热平衡。也一定处于热平衡。 这一事实说明这一事实说明物质具备某种宏观物质具备某种宏观性质。若

12、两个热力性质。若两个热力系统分别与第三个系统分别与第三个热力系统处于热平热力系统处于热平衡，那么这两个热衡，那么这两个热力系统彼此必然处力系统彼此必然处于热平衡。即热力于热平衡。即热力学第零定律学第零定律22处于同一处于同一热平衡热平衡状态的各个热力系，状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量：用于描述此宏观特征的物理量：温度温度 温度是确定一个系统是否与温度是确定一个系统是否与其它系统处于其它系统处于热平衡热平衡的物理量。的物理量。23Temperature measurement温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻水银，铂电阻）特

13、性特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度 Scale温标温标 Temperature scaleReference state24温标温标热力学温标热力学温标: : T T 单位单位 K K（开尔文），取水的三相点为基点并（开尔文），取水的三相点为基点并定义其温度为定义其温度为 273.16 K, 1K273.16 K, 1K是水有三相点温度的是水有三相点温度的1 1273.16.273.16.SISI还规定摄氏温标为实用温标，符号用还规定摄氏温标为实用温标，符号用t t ，单位为，单位为 。 摄氏温标的定义式：摄氏温标的定义式： t t = = T T - 273.15

14、- 273.15 摄氏温度与热力学温度的关系：摄氏温度与热力学温度的关系： T T = 273.15 + = 273.15 + t t 水的三相点水的三相点（冰、水、汽共存的平衡状态点）（冰、水、汽共存的平衡状态点）为为0.01 0.01 是是衡量温度大小的标尺。热力学第零定律是温衡量温度大小的标尺。热力学第零定律是温标的理论依据。标的理论依据。25Temperature Measurement Devices水银温度计水银温度计thermometer ，酒精温度计，酒精温度计，热电偶热电偶 Thermocouple热电阻热电阻 Resistance temperature detector辐

15、射温度计辐射温度计Radiation thermometer铂电阻温度计铂电阻温度计 Platinum激光全息干涉仪激光全息干涉仪26温度计：温度计：根据温标制作的用于测量温度的仪表根据温标制作的用于测量温度的仪表27 单位：单位：Pa 垂直作用在单位面积上的力，气体的压力是大量分子撞垂直作用在单位面积上的力，气体的压力是大量分子撞击容器壁所产生的平均效果。击容器壁所产生的平均效果。 压力的国际制单位：压力的国际制单位： 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa 其它非国际制压力单位：其它非国际制压力单位： 标准大气压标准大气压 atm： 1 atm = 101325 Pa 工程大气压

16、工程大气压 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067104Pa 巴巴 bar，毫巴，毫巴mbar 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱毫米汞柱 mmHg： 1mmHg133.32 Pa 毫米水柱毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O9.8067 PaAFp 三、压力三、压力(pressure)，物理中的压强，物理中的压强28压力压力p测量测量绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的相对值的相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才是才是状态参数状态参数29 压力的测量（压力的测量（1） 当当 p pb时时 ，p = pb + pg p g

17、称为表压（压力表）称为表压（压力表） 当当 p B）式中B当地大气压力Pg高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；H 低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。（P能够足够快恢复新平衡能够足够快恢复新平衡 准静态过程准静态过程Relaxation time51准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程 转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度压力波恢复平衡速度(声速声速)：350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间

18、）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然” “缓缓慢慢”52可逆可逆reversible过程的定义过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系统系统与与外界外界同同时时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为为可逆过程可逆过程。A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings. That

19、is, both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.注意注意可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程二、可逆过程( reversible process) 53可逆过程的实现可逆过程的实现无不平衡势差无不平衡势差+ 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，

20、磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应irreversibilityDissipative effect54Heat transfer常见的不可逆过程常见的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler55常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程 自由膨胀自由膨胀真空真空 Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained ex

21、pansionMixing process56引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分

22、析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。57准静态过程与可逆过程的异同点 对热力系统而言，准静态过程与可逆过程都是由一系列平衡状态组成，在状态图上都可以用连续的曲线来表示；但两者又有一定的区别，可逆过程要求系统与外界随时保持热平衡和力平衡，并且不存在任何的耗散效应，在过程中没有任何能量的不可逆损失，而准静态过程的条件仅限于系统内部的力平衡和热平衡。准静态过程在进行中系统与外界之间可以有不平衡势差，也可以有耗散现象发生，只要系统内部能及时恢复平衡，其状态变化就可以是准静态的。58三、可逆过程的膨胀功（体积功）三、可逆过程的膨胀功（体积功） 膨胀功膨胀功：由于系统容积发生变化（增大或缩小）

23、而通过界面向外界传递的机械功称为膨胀功，也称容积功。59pF外外f W = F外外 dSA如果如果 过程可逆过程可逆dS以汽缸中以汽缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W = p f dS=pdV1kg工质工质 w =pdvF系统系统=F外外=pf1 1、计算式推导、计算式推导60可逆过程的容积变化功可逆过程的容积变化功pF外外2mkg工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于可逆过程可逆过程612、示功图、示功图indicator (p-V) diagram

24、pV. .12. .pF外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW623、可逆过程容积变化功的说明、可逆过程容积变化功的说明pV. .12. .2） p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关， 是是过程量过程量Path function4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀，系统对外界作功为，膨胀，系统对外界作功为正正； dV 0 dS 0系统系统放热放热时为时为负负 Q 0 dS 04、用途：用途：判断热量方向判断热量方向 计算可逆过程的传热量计算可逆过程的传热量69示功图与示热图示功图与示热图pVWTSQ 示功图示功图温熵温熵(示热示热)图图pdVWTdSQ70热量与功的异同：热量与功的异同： 1.均为通过边界传递的能量；均为通过边界传递的能量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；功传递由压力差推动，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；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；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热是物系间通过紊乱的微粒运动