第一章基本概念

1、第一章 基本概念1.1 热能与机械能之间的转化过程从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的一整套设备，统称为热能动力装置，简称动力装置，其中把热能转化为机械能的设备叫做热机。动力装置由于燃料性质、燃烧设备的不同，以及其他因素的影响，可分为蒸汽动力装置、内然动力装置、核动力装置等。热机分内燃机、汽轮机、燃气轮机以及喷射推进式动力机等。1.1.1 蒸汽动力装置蒸汽动力装置的系统简图如图11所示。这是由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组成的一套热力设备。燃料在锅炉中燃烧，使化学能转变为热能，锅炉沸水管内的水吸热后变为蒸汽，并且在过热器内过热，成为过热蒸汽。此时蒸汽的温度、压力比外界介质(大气)的温度及

2、压力高，具有作功的能力。当它被导入汽轮机后，先通过喷管，蒸汽由于膨胀，降力降低，速度增大。这样，具有一定动能的蒸汽推动叶片，使轴转动作功。作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷却，凝结成水，并由泵打入锅炉内加热。如此周而复始，锅炉不断产生蒸汽，汽轮机不断作功。1炉子；2炉墙；3沸水管；4汽锅；5过热器；6汽轮机；7喷嘴；8叶片；9叶轮；10轴；11发电机；12冷凝器(凝汽器)；13、14及16泵；15蓄水池1.1.2核动力装置压水堆核电站是利用压水反应堆释放的热能进行发电的一种核动力装置，图12为其原理流程图。图的左半部分(即虚线框出的部分)称为核供汽系统(或称一回路系统)，它是将反应堆核

3、燃料释放的热能送往蒸汽发生器使之产生蒸汽的装置。现代大功率压水堆核电站的核供汽系统一般有24个并联环路，对称地布置在反应堆压力容器的四周。每一条环路都由一台冷却剂泵、一台蒸汽发生器以及相应的管道阀门组成，分别与反应堆压力容器的进口接管和出口接管连接。此外，核供汽系统还没有一台稳压器，用来稳定系统的压力。整个核供汽系统布置在一个大安全壳内，这样一旦核供汽系统发生冷却剂泄漏时，不致对周围环境造成放射性污染。图的右半部分称为热能电能转换系统(或称二回路系统)，它与常规电站的动力回路设有显著差别。热能电能转换系统主要由饱和蒸汽汽轮发电机组、冷凝器、凝结水泵、低压加热器、给水泵、高压加热器、中间去湿再热

4、装置和相应的管道阀门组成。二回路系统不与带放射性的物质直接接触，因此在正常运行时，它是没有放射性的。图121冷却剂；2稳压器；3蒸汽；4高压汽轮机；5湿汽分离器；6再热器；7低压汽轮机；8发电机；9冷凝器；10凝结水泵；11低压加热器；12给水泵；13高压加热器；14安全壳边界；15冷却剂泵；16反应堆；17蒸汽发生器1.1.3内燃机内燃机主要部分为气缸1（图13）及气缸中的活塞2。当发动机工作时，活塞作往复运动，由于这一运动并借助于连杆3和曲柄4，使发动机轴5转动，以带动工作机器。图13燃料和空气的混合物在气缸中燃烧，使燃气的温度和压力大大高于周围介质的温度和压力，因此这种气体就具有作功的能

5、力。它在气缸中膨胀，向右推动活塞(图13)，这时气体的能量通过曲柄连杆机构传给飞轮6。飞轮装在发动机的曲轴上，以使曲轴转动均匀，并靠它所贮存的部分能量来完成活塞的逆向运动。每经过一定的时间间隔，空气和燃料即被送入气缸中，并在其中燃烧、膨胀，推动活塞作功。这样，飞轮从气体那里所得到的能量，除了部分作为带动活塞逆向运动所需的能量外，其余部分通过各种方法传递给工作机或发电机，以便直接加以利用。1.2 工质、热源、热力系统1.2.1 工质概括地看来，无论哪一种动力装置，总是利用某种媒介物质从某个能源获取热能，使它具有高能量而对机器作功，最后把余下的热能排向大气或冷却水，我们把实现热能转化为机械能的媒介

6、物质叫做工质。例如燃气是内燃机的工质，水和水蒸汽是蒸汽动力装置的工质。作为工质的物质必须具有良好的膨胀性和良好的流动性。热能动力装置所用的工质为气态物质，如空气、燃气和蒸汽。1.2.2 热源供给工质热能的物体叫做热源，或称高温热源；接受工质排出热能的物体叫做冷源，或称低温热源。热能动力装置的工作可以被概括成为工质从高温热源吸取热能，将其中的一部分转化为机械能而作功，并把余下的另一部分传给低温热源的过程。1.2.3 热力系统在分析热力现象时，根据所研究的问题的需要，选取某一定范围内的物体作为研究对象。这种被人为指定的作为研究对象的物体称为热力系统，简称系统。系统之外的物体称为外界。系统与外界之间

7、的分界面叫做边界。边界可以是实际存在的，也要以是假想的；可以是固定的，也可以是尺寸和形状变化的，或者是运动着的。例如当取汽轮机中的工质(蒸汽)作为热力系统时，工质和汽缸之间存在着实际的边界，而进口前后或出口前后的工质之间却并无实际的边界，此外可人为地设想一个边界把系统中的工质和外界分隔开来 见图1-4(a)。又如当取内燃机气缸中的工质(燃气)作为热力系统时，工质和气缸壁之间的边界是固定不动的，但工质和活塞之间的边界却可以移动而不断改变位置见图1-4(b)。图1-4根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可分为各种不同的类型。闭口系统(简称闭系)：系统与外界可以交换能量，但没有物质的

8、交换。例如图1-4(b)所示的系统。此类系统的特点是没有物质穿过边界，其内部的质量将恒定不变。所以，有时亦将闭口系统相应地称为“控制质量”。开口系统(简称开系)：系统与外界既可以有能量的交换，又可以有物质的交换。例如图1-4(a)所示的系统。由于有物质穿过边界，因而这类系统内部的质量，可以保持恒定或发生变化。对于开口系统来说，边界所规定的是系统所占有的空间范围，因此有时亦将开口系统相应地称为“控制容积”。简单热力系统：系统与外界只交换热量和一种形式的功。热能动力工程中最常用的工质(如燃气、水蒸汽等)是一些可压缩流体。由可压缩流体组成的系统，如果与外界只有膨胀功或压缩功的交换，则此种系统称为简单

9、可压缩系统。本书中所研究的热力系统大部分是简单可压缩系统。绝热系统：系统与外界没有热量交换。如果某些实际的热力系统，在某段时间内与外界的传热量很少，对于系统的能量平衡和能量转换所起的作用可忽略不计，则这样的系统可以近似地看作绝热系统。孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质交换。如果某些系统与外界各方面的相互作用都很微弱，由此对系统所产生的影响可忽略不计，则这样的系统可近似地看作孤立系统。热力系统是我们所研究的具体对象的范围，因而研究任何一个热力学问题时，都必须首先明确所考虑的系统及其边界所在。系统的选取应根据所研究问题的实际情况，并以方便解决问题为原则。系统选取的方法对研究问题的结果并无影响

10、，只是与解决问题时的繁简程度有关。1.3 工质的热力状态及其基本状态参数1.3.1 状态及状态参数热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。用来描述和说明系统所处状态的一些宏观物理量(如压力、温度等)则称为状态参数。如果系统由工质组成，则系统内工质在某瞬间所呈现的宏现物理状况常直接称为工质的状态，描述工质状态的参数就称为工质的状态参数。常用的状态参数有压力、温度、比容、内能、焓、熵等。其中前三个参数可以直接测量，称为基本状态参数。其它的状态参数可根据基本状态参数间接计算得到。本节先介绍三个基本状态参数。1.3.1.1压力垂直作用在物体单位面积上的力称为压力(即压强)。

11、压力的测量一般用弹簧管式压力计及测量微小压力的U形管压力计。因压力计本身处在大气压力作用下，因此所测得的压力是工质的真实压力与大气压力之差，叫做表压力。工质的真实压力或绝对压力和大气压力、表压力的关系是：当绝对压力大于大气压力见图1-5(a)时，如工质的绝对压力低于大气压力见图1-5(b)，则式中表示测得的差数，称为真空度，此时测量工质压力的仪表叫做真空计。绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系，可用图1-6说明。图1-6作为工质状态参数的压力是绝对压力。压力的单位由力和面积所取的单位而定。在国际制中，力的单位是牛顿(N)，面积的单位是平方米，则压力的单位是牛顿米2，称为帕斯卡，中文代号

12、“帕”，国际代号Pa，即1Pa工程实用中，以为压力单位常嫌大小，读数不方便，故常取千帕(kPa)、兆帕及巴作为实用单位，它们与帕的关系为 （11）压力的大小也可以用液柱高度表示。若液柱高度为h，则此液柱作用在底面积上的压力为 （12）式中为液体密度，为重力加速度。对于选定的液体(通常是水或汞)，视为常数，这样，液柱的高度与产生的压力成正比，所以，可用液柱的高度代表压力的大小，也就是，可以用单位高度的液柱所产生的压力作为度量压力的单位。常用的有毫米汞柱和毫米水柱。水的密度：（时）。由式(1-2)可得出或 在一般工程计算中，常忽略液体密度随温度的变化。如要求精确计算，需将在大气温度为时所测得的汞柱

13、高度h，按下式换算成0时的汞柱高度 （13）物理学中，将纬度海平面上的常年平均气压定作“标准大气压”或称为“物理大气压”，以此作为度量压力的一种单位。它与其它单位的换算关系如下：在工程制中，力的单位为公斤力，面积的单位为平方米，因而压力的单位为公斤力米2。此单位在工程实用中亦嫌太小，故常取工程大气压作为压力单位，即它与其它单位的换算关系为 例11从气压计上读得当地大气压是755毫米汞柱（mmHg ），将它换算成：帕（Pa）物理大气压（atm）；公斤力米3（kgfm3）；工程大气压（at）；毫巴（mbar）。解（1） （2） （3） （4） （5） 例12若测出容器内气体的表压力为2.50bar

14、，当场大气压力同上题，问容器内气体的绝对压力为多少？解 1.3.1.2温度表征物体冷热程度的物理量称为温度。为了进行温度测量，需要有温度的数值表示法，即需要建立温度的标尺，我们把温度的标尺叫做温标。国际制采用热力学温标为基本温标。用这种温标确定的温度称为热力学温度，符号为T，单位为开尔文，中文代号“开”，国际代号“K”。热力学温标选取水的三相点（水的固、液、汽三相平衡共存的状态）为基本定点，并定义它的温度为273.16K，也就是定义热力学温度的单位开尔文所代表的温度间隔等于水三相点热力学温度的1273.16 。与热力学温标并用的还有热力学摄氏温标，简称摄氏温标。它所确定的温度称为摄氏温度，用t

15、表示，单位为摄氏度，代号。这种摄氏温标与旧的摄氏温标不同，它是由热力学温标导出的。摄氏温度按以下定义式确定 （14）这就是说，规定热力学温度273.15K为摄氏温度的零点（t=0）,同时也规定了两种温度的单位与K所代表的温度间隔相同。因而两种温度只是起点不同，用K表示的温度差也可以用表示，即。在一些资料中，还常见到华氏温标（符号t°F）和兰氏温标（符号T°R）。华氏温标与摄氏温标的换算关系为 （15）兰氏温标与华氏温标的关系为 （16）从微观的角度看，物体的冷热程度取决于物体内部微粒运动的状况。按分子运动理论，气体的热力学温度与气体分子的平均移动动能成正比。因此，如果气体分

16、子的热运动越剧烈，分子的平均移动动能越大，气体的温度也越高。可见，温度标志着物体内部分子无规则热运动的剧烈程度。1.3.1.3 比容单位质量的工质所占有的容积称为比容，用符号表示。如果系统内工质的质量为mkg，所占有的容积为Vm3则比容为 （17）单位容积内工质的质量称为密度，以符号表示。若质量为mkg的工质占有的容积为Vm3,则它的密度为 （18）显然，比容与密度互为倒数，即或1.3.2平衡状态热力系统可能以各种不同的状态存在，但不是任何情况下，系统的状态都可以用确定的状态参数来描述。例如，当系统内各部分工质的压力、温度不一致时，就无法用统一的状态参数描述整个系统内全部工质的状态，这种状态称

17、为不平衡状态。处于不平衡状态下的系统，由于各部分之间存在传热与相对位移，它的状态必将随时间而改变。如果没有外界影响，随着时间的推移，各部分之间的传热与位移必将逐渐减弱，最终系统各部分之间不再有热量的传递，即系统达到了热的平衡；各部分之间也不再有相对位移，即系统达到了力的平衡。当系统达到了热与力的平衡后，若不受外界的影响，它的状态不会自发地改变。如果系统内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。热力学中定义：在没有外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而改变，则系统所处的这种状态称为平衡状态。由此可见，只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡的作用都不存时，系统的一切宏观变化方可停止，此时热力系统所

18、处的状态才是平衡状态。需要注意的是，平衡热力系统（状态参数不随时间而变）不同于均匀热力系统（系统内各处一切状态参数都是均匀的）。例如，密闭容器内水和蒸汽两相平衡共存时，为平衡热力系统。这里，水和蒸汽的压力、温度相同，但它们的比容不同，因而不是均匀热力系统。反之，不平衡热力系统则必定是不均匀热力系统。由气态工质组成的热力系统，当它达到平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比容，即可将它作为均匀热力系统处理。实际上，并不存在完全不受外界影响，状态参数绝对保持不变的系统。因而，平衡状态只是一个理想的概念。但在许多情况下，系统的实际状态偏离平衡状态并不远，可将它作为平衡状态处理，使分析计算大为简化。

19、1.3.3状态公理描述系统特性的参数有许多，它们之间有内在的联系，当某些参数确定后，系统平衡状态便完全确定，所有其它状态参数也随之有确定的值。那么，确定系统平衡状态的独立参数究竟需要几个呢？实践经验表明，对于纯物质系统，与外界发生任何一种形式的能量传递都会引起系统状态的变化，且各种能量传递形式可单独进行也可同时进行，于是归纳出一条状态公理。即确定纯物质系统平衡状态的独立参数n+1 （19）式中n表示传递可逆功的形式，而加1表示能量传递中的热量传递。例如，对除热量传递外只有膨胀功（容积功）传递的简单可压缩系统，n=1，于是确定系统平衡状态的独立参数为112。所有状态参数都可表示为任意两个独立参数

20、的函数。1.3.4状态方程根据状态公理，纯物质简单可压缩系统的三个基本状态参有如下函数关系：以上三式建立了温度、压力、比容这三个基本状态参数之间的函数关系，称为状态方程。它们也可合并为如下的隐函数形式1.3.5 坐标图既然简单可压缩系统的平衡状态可由任意两个独立参数确定，因此，人们常采用由两个参数构成的平面坐标系来描述工质的状态和分析状态的变化过程，如图17所示的图，称为坐标图。图中每一个点代表一个确定的平衡状态。显然，不平衡状态没有确定的状态参数，不能在坐标图上表示。图171.36状态参数的特性状态参数是状态的单值函数，只要系统内工质的状态一经确定，则该状态所对应的所有状态参数的值都随之而定

21、了。也就是说，状态参数的值只取决于状态，而与达到此状态时所经历的变化途径无关。因此，确定状态参数的函数为点函数。由此不难推论，状态参数具有以下数学特性：当系统内工质由初状态1变化到终状态2时，任意一个状态参数（x）的变化量等于在初、终状态下该状态参数的差值，而与如何从初态过渡到终态所经历的途径无关，即 （110）当系统内工质经历一系列状态变化而又回复到初始状态时，其状态参数的变化为零，即 （111）既然，状态参数是与变化的路线无关的点函数，那么它们的微分为全微分。反之，如果某物理量具有上述数学特性，则该物理量也一定为状态参数。状态参数按其数值是否与系统内工质的质量有关，可分为两类：凡与工质的质

22、量多少无关的参数，如压力、温度等，称为强度参数。这类参数不具有可加性。例如，kg工质的压力为1bar,2kg同状态的同种工质的压力并不等于2×1bar。凡与工质的质量有关的参数，如容积、内能、焓等，称为广度参数。这类参数具有可加性，在系统中它的总量等于它在系统各部分中分量之和。例如，总容积为各部分容积之和，或mkg工质的容积为1kg工质容积的m倍。单位质量的广度参数，具有强度参数的性质。如果系统内物质的状态参数均匀一致，那么，系统的广度参数除以系统的总质量，即可得到强度参数。例如，对于容积为、质量为m的系统，比容即为强度参数。如果系统内各部分状态不均匀，则广度参数对质量的微商为强度参

23、数。例如，广度参数对m的微商（某一点处的比容）为强度参数。1.4 工质的状态变化过程1.4.1 准平衡过程热力系统从一个状态连续地变化到另一个状态，它所经历的全部状态的总合称为热力过程，简称过程。热能和机械能的相互转化必需通过工质的状态变化过程才能完成。工质在热力设备中不断进行吸热、膨胀、压缩等过程，使热能不断地转化为机械能而作功。在实际设备中进行的这些过程都是很复杂的。首先，一切过程都是平衡被破坏的结果，系统与外界有了热和力的不平衡才促使系统向新的状态变化，故实际过程都是不平衡的。若系统在平衡被破坏后能自动回复平衡，且回复所需的时间，即所谓弛豫时间又很短，又若过程进行得十分缓慢，则在过程中系

24、统有足够的时间来恢复平衡，随时都不远离平衡状态，即过程中系统所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态，这种过程称为准平衡过程。由此可见，系统在压差作用下实现准平衡过程的条件是：系统和外界之间的压差为无限小，即或 其中为系统的压力，为外界压力。系统在温差作用下实现准平衡过程的条件是：系统和外界之间的温差为无限小，即或 其中为系统的温度，为外界温度。在准平衡过程中，系统所经历的各状态对平衡状态的偏离为无限小，因而，可看作平衡状态。对于准平衡过程，可以应用状态参数进行分析计算。在状态参数坐标图上，准平衡过程用连续的实线表示，如图-中的曲线1-2。而不平衡过程，由于它所经历的不平衡状态没有确定的状态参数

25、，因而不能表示在状态参数坐标图上。有时仅为了对比，在状态参数坐标图上，采用连接始末状态点的虚线予以示意，如图中虚线。但虚线上的点并不真正代表过程中间的状态。图1-8实际过程都是在有限的速度下进行的。严格地说，实际过程都是不平衡过程。但在适当条件下(取决于过程进行的速度与驰豫时间的长短)，可以近似地视为准平衡过程。例如，活塞式机械中，活塞移动的速度一般不超过10m/s，而气体内部压力波的传播速度通常可达每秒几百米。所以，对于这类机器中的气体热力过程，可以按照准平衡过程来研究。1.42可逆过程和不可逆过程图所示的装置中，取气缸中的工质作为系统。工质向热源吸热，并膨胀作功。从状态开始，工质经历一准平

26、衡过程。假设机器是没有摩擦损失的理想机器，因此，过程中工质所作的功全部用来推动飞轮，以动能的形式储存于飞轮中。当工质到达状态后，如果利用飞轮的动能推动活塞逆行，使工质沿原过程线逆向进行一准平衡的压缩过程。由于正向、逆向过程中都没有机械摩擦损失和工质内部的摩擦损失，因而压缩过程所需要的功与原来膨胀过程所产生的功相等。此外，工质被压缩的同时向热源放热，放热量与膨胀时吸收的热量相等。这样，当工质回复到状态时，机器与热源也都回复到了原来的状态。也就是说，过程中所涉及的一切恢复了原状。上述准平衡过程所具有的这种特性称为可逆性。图1-9反之，如果过程是不平衡的，则由于工质内部的热和力的不平衡，将引起各部分

27、工质间的相对移动而导致摩擦，使膨胀过程输出的功减少，并使得将工质压回原状态所需的功增大。这样，膨胀过程中储存在飞轮中的机械能将不足以使工质从状态压回状态，即工质恢复不了原状。此外，由于系统内外热的不平衡，工质吸热时，热源的温度比工质的温度高出一个有限(而不是无限小)值，当过程逆行时，温度较低的工质，不可能将膨胀过程中吸收的热量交还给热源，因此，工质与热源都不能恢复原状。显然，不平衡过程不具备可逆的特性。热力学中，对于具有可逆特必性的过程，给予一个专门的名称叫做可逆过程。其定义如下：当系统完成某一过程后，如果令过程逆向进行而能使过程中所涉及的一切(系统及外界)都回复到原始状态，不留下变化，则此过

28、程称为可逆过程。综上所述，进行可逆过程需要满足下述条件：过程进行中，系统内部、系统与外界之间以及过程所涉及到的外界各物体之间，热与力的不平衡应为无限小。如果过程中存在相变和化学反应，则还应满足相平衡及化学平衡的条件。过程中不存在耗散效应。所谓耗散效应是指由于摩擦、非弹性变形、电流流经电阻等使功不可逆地转变为热的现象。可见，可逆过程首先必须是平衡过程，同时在过程中不应包含任何耗散效应。反之，如果不符合上述两个条件，过程就不具备可逆的特性，即为不可逆过程。凡是导致过程成为不可逆过程的因素(如摩擦、热与力的不平衡等)，称为不可逆因素。显然，对于可逆过程，整个过程中系统以及与系统相互作用的外界都不存在不可逆因素。研究热力过程就是要尽量设法减少不可逆因素，使其尽可能地接近可逆过程，可逆过程是一切实际过程的理想极限，是一切热力设备力求接近的目标。研究可逆过程在理论上具有十分重要的意义。1.4.3可逆过程的功下面我们研究气体工质在可逆过程中所作的功。设有m千克气体工质在气缸中作可逆膨胀，其变化过程由图1-10中连续曲线1-2表示。由于膨胀是可逆的，所以工质的压力与外界压力随时相等，外力就可以用系统内部状态参数来表示，即图