工程热力学第一章

1、工程热力学第一章本章基本要求：本章基本要求：q掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。q掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。q了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。11热能在热机中转变成机械能的过程热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）热能机械能化学能活塞活塞曲柄连杆机构曲柄连杆机构气缸气缸两冲程内燃机工

2、作过程进气排气四冲程内燃机工作过程进气排气燃气热能机械能燃料化学能排入大气压缩燃烧、膨胀吸气排气工作过程：能量转换：工作物质：燃气蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550过过热热器器锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器冷冷却却水水汽汽轮轮机机发电机发电机Q QQ Q12W20高温高压蒸汽高温高压蒸汽WWp蒸汽动力装置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13、14、16泵15蓄水池l燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使之变为蒸汽，并在过热器内过热，成为过热蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；l高温高压（

3、相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）；l作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。蒸汽动力装置工作过程：不同点：构造和工作特性不同。相同点：l从高温热源吸热(吸热过程)l将其中一部分转变为功(对外作功过程)l将其余部分传给低温热源(对外放热过程)l工质提高压力需要耗功(消耗外功) 。结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。比较上述两种热机名词定义：工质工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）热源（高温热源） ：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）冷源（低温热源） ：接受工质排出热能的物系。工质从高温热

4、源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。热能动力装置的工作过程可概括成：热能动力装置的工作过程可概括成：热源冷源热机作功吸热放热12热力系统热力系统为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。热力系统（热力系）：热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统边界：边界：系统与外界之间的分界面外界：热力系统以外的部分外界：热力系统以外的部分边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的一、基本概念一、基本概念系统与边界：以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换以

5、气缸内气体为系统，活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换热热二、热力系统的分类二、热力系统的分类物质物质功功热热物质物质物质物质功功物质物质绝热热力系绝热热力系孤立热力系孤立热力系闭口热力系闭口热力系开口热力系开口热力系 ( (一一) )根据系统与外界物质交换、热量交换的情况： 1. 1.闭口系闭口系系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量; ; 2. 2.开口系开口系系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积; ; 3. 3.绝热系绝热系系统与外界无热量交换； 4. 4.孤立系孤立系系统与外界既无能量交换，也无物质交换。开口举例热力系（管道）开口

6、举例热力系（管道）续15锅炉锅炉的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生主要考虑蒸汽的发生)锅炉锅炉的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型去凝汽器去凝汽器调速器调速器来自锅炉来自锅炉喷管喷管 叶片叶片 汽轮机汽轮机发电机发电机开口热力系 汽轮机示意图轴功轴功（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质汽轮机汽轮机的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型热力系热力系（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质汽轮机汽轮机的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型来自汽轮机的水蒸汽来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水去水泵的凝结水冷却水冷却水冷却水冷却水( (凝结水）凝结水）物质物质蒸汽放热给冷却水蒸汽放热给冷却

7、水冷凝器冷凝器的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型热力系热力系（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质冷凝器冷凝器的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的凝结主要考虑蒸汽的凝结)蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图冷却水带走热量冷却水带走热量（工质放热量）（工质放热量）向外输出功向外输出功（汽轮机）（汽轮机）（水泵耗功）（水泵耗功）（工质吸热量）（工质吸热量）热力系热力系向系统输入功向系统输入功热源供热热源供热蒸汽动力装置的简化热力学分析模型蒸汽动力装置的简化热力学分析模型（二）按照系统内部的情况可划分（二）按照系统内部的情况可划分1.1.均

8、匀热力系均匀热力系: :系统内部各部分化学成分和物理性质都均系统内部各部分化学成分和物理性质都均 匀一致的系统，它是由单相组成的。匀一致的系统，它是由单相组成的。2.2.非均匀热力系非均匀热力系: :由两个或两个以上的相态组成的热力系。由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.3.单元热力系单元热力系: :由一种化学成分组成的热力系。由一种化学成分组成的热力系。4.4.多元热力系多元热力系: :由两种或两种以上物质组成的热力系。由两种或两种以上物质组成的热力系。5.5.可压缩系统可压缩系统: :由可压缩流体组成的热力系。由可压缩流体组成的热力系。6.6.简单热力系统：系统与外界只有热量与一种形式

9、的准静功交换。简单热力系统：系统与外界只有热量与一种形式的准静功交换。7.7.简单可压缩系统简单可压缩系统: :与外界只有热量和机械功交换的可压与外界只有热量和机械功交换的可压 缩系统。缩系统。热力学中大多属于简单可压缩系统热力学中大多属于简单可压缩系统q热力系统的划分要根据具体要求而定，如内燃机在气缸进、排气门关闭时，取封闭于气缸内的工质为系统是闭口系统；而把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程一起研究时，取气缸为划定的空间就是开口系统。13工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态热力学状态：工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。状态参数：状态参数：描述工质所处状态的宏观物

10、理量。如温度、压力等。1）工程热力学只从总体上研究工质所处的状态及其变化，不从微观角度研究个别粒子的行为和特性，因而所采用的物理量都是宏观的物理量。2）状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。状态参数的特性：即满足：3) 状态参数是点函数，其微分是全微分。设Zf(x,y),则：反之，如能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数，全微分是状态参数的充要条件。 0dzdyyzdxxzdzxy4）常用的状态参数有: 压力

11、P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直接用仪器测量可直接用仪器测量，称为基本基本状态参数状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。5）状态参数有强度量与广延量之分：强度量强度量：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。广延量广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。q热平衡定律（热力学第零定律热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的，不可以由其它定律推出。）既然

12、两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量温度来描述。一、温度基本热力学参数q温度的定义：1）宏观上温度是物体冷热程度的标志2）微观上温度是物质分子热运动剧烈程度的标志q温度是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。q测量温度的仪器称做温度计，选作温度计的感应元件的物体应具备特定的物理性质：随物体的冷热程度不同有显著的变化。定义：温标是指温度的数值表示法q温标温标测温物质及其测温属性基准点分度方法温标三要素：任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。

13、热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。 q热力学绝对温标（热力学温度或绝对温）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)。规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K q 摄氏温标 1742年瑞典人摄氏(Anders celsius)提出的。他把一个大气压下纯水的冰点取为0度，沸点取为100度，中间100等分作为温标。符号t、单位。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，把水的

14、三相点定为273.16K，0.01。则0273.15K，t()=T(K)-273.15q 华氏温标： 1724年由德国人华氏（cabridl D Fahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF ，单位 F。q华氏温标与摄氏温标的换算关系为：t()=0 = 32 oF100 = 212oFq郎肯温标：是盎格鲁撒克逊民族（欧洲）用的温标。采用符号T，单位用r。T(r)=9/5 T(K)32)(95FtoF常用温标常用温标绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F100373

15、.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点二、压力二、压力q定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)q 压力计测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。 由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力p （或称绝对压力）与环境压力pb之差，叫做表压力pe或真空度pv 分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。q 绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系)()(时当时当bvbbebpppppppp

16、ppq压力的单位 国际标准单位：帕斯卡(简称帕) 符号：Pa 1Pa=1N/m2标准大气压（atm , 也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O) 工程单位：q各压力单位之间的换算关系：PabaratmatmmHg mmH2O Pa1110-5 0.9869210-5 0.1019710-4 7.500610-2 0.1019712 bar110510.986921.01972 750.062 10197.2 atm101325 1.0132511.03323 76010332.3 at98066.5 0.980660.967841735.5591

17、0000 mmHg133.322 133.32210-5 1.3157910-3 1.3595110-3 113.5951 mmH2O9.80665 9.8066510-5 9.0784110-5 110-4735.55910-4 1三、比体积和密度v与互成倒数，即：v1比体积比体积单位质量物质所占的体积密度密度单位体积物质的质量mVv Vm单位：kg/m3单位：m3/kg14 平衡状态、状态方程式、坐标图q定义：一、平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影响如果在不受外界影响的条件下的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态平衡状态。 如果系统是在外界作用下系统的状态保

18、持不变，则不属于平衡状态，如稳态导热系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。q 实现平衡的充要条件实现平衡的充要条件：热平衡：热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递力平衡：力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移热力平衡状态满足：此外还有化学平衡、相平衡等自然界的物质实际上都处于非平衡状态，平衡只是一种极限的理想状态工程热力学通常只研究平衡状态平衡与稳定平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡与均匀平衡：时间上平衡：时间上均匀：空间上

19、均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的思考题l平衡状态与均匀状态之间的关系？l平衡状态与稳定状态之间的关系？平衡状态是相对时间而言的，均匀状态是相对空间而言的对于处于热力平衡态下的气体、液体（单相），如果不计重力的影响，则系统内部各处的性质是均匀一致的，各处的温度、压力、比体积等状态参数相同。如果考虑重力影响，则系统中的压力和密度将沿高度而有所差别。对于气液两相并存的热力平衡系统，气相和液相的密度不同，因而系统不是均匀的。本书在未加特别说明之处，一律把平衡状态下的单相物系当作是均匀的，各处的状态参数相同。 平衡状态与均匀状态之间的关系就平衡

20、而言，不存在不平衡势是其本质，而状态参数不随时间变化只是其现象平衡必稳定，稳定不一定平衡 平衡状态与稳定状态之间的关系二、状态公理与状态方程二、状态公理与状态方程热力系的平衡状态可以用状态参数来描述，每一个状态参数都是从某一个角度来描述系统的某一方面宏观的性质，但是这些状态参数并不都是独立的，而是相互影响的。系统处于平衡状态时，有几个独立变量呢？ q 状态公理对于组成一定的物质系统，该系统平衡态的独立状态参数有 n +1n表示系统与外界进行准静功交换的数目1表示系统与外界的热交换系统与外界由于某种不平衡势的存在，将发生相互作用，这种作用体现于某种能量的交换，那么系统的状态就要发生变化，这种变化

21、就使这种不平衡势减小，直到消失，系统相应地达到了某种平衡，从而就得到了一种描述这一平衡性质的状态参数。例如，温度不平衡势导致热量的交换，导致系统状态变化，使温度不平衡势消失，从而系统达到了热平衡，得到描述热平衡的状态参数T。那么有多少独立的能量交换，就有多少个独立的状态参数。各种能量交换都可以独立的进行。因此决定系统平衡状态独立变量的数目，等于系统与外界交换能量方式的总数。 对于简单可压缩系统，不存在电功、磁功等其它形式的功，系统与外界能量的交换方式除热之外只有容积变化功（膨胀功或压缩功）一 种形式的功交换。因而描述纯物质的简单可压缩系统平衡状态的独立状态参数只有2个。q 状态方程式简单可压缩

22、系统平衡态的独立参数只有2个，因此一个状态参数均可以用其它任意两个不同的状态参数表示：),(21f对于基本状态参数之间：0),(),(),(),(TvpfvpTTTvppTpvv称为状态方程式。或状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、v、T之间的关系状态方程式的具体形式取决于工质的性质理想气体的状态方程式为：TRpvgq 状态参数坐标图对于简单可压系统，由于独立参数只有两个，可用两个独立状态参数组成二维平面坐标系，坐标图中任意一点代表系统某一确定的平衡状态，任意一平衡状态也对应图上一个点，这种图称状态参数坐标图。只有平衡态才能在状态坐标图上用点表示，不平衡态没有确定的热力学状态参数，无法在图上

23、表示15 工质的状态变化过程（热力过程）就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述，“平衡”意味着宏观是静止的，而要实现能量交换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。11、针阀的开度非常小（p0），内部无压差；过程实施的假设条件：4、活塞与汽缸壁无摩擦；5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。2、工质内部无温差；3、工质内部无化学反应；一、准平衡过程（准静态过程）一、准平衡过程（准静态过程）12v21p2一、准平衡过程（准静态过程）一、准平衡过程（准静态过程） 准静态过程:若过程

24、进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。 准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。 实际过程都是不平衡的。q 实现准平衡过程的条件：推动过程进行的势差无限小。（以保证系统在任意时刻都无限接近于平衡态）AFppAFpppextext0extextTTTTT0TTTTextq 建立准平衡过程概念的好处：1)有确定的状态参数变化描述过程2)在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程准静态过程有实际意义吗？准静态过程有实际意义吗？疑问：理论上准静态应无

25、限缓慢，疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？工程上怎样处理？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件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）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机例：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（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需

26、时间（外部作用时间）（外部作用时间）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准静态过程一般的工程过程都可认为是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”“”“缓慢缓慢”二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程q定义：如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时，能使系统和外界系统和外界都返回到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。q实现可逆过程的条件：实现可逆过程的条件：1) 首先应是准平衡过程2) 过程中不存在任何耗散效应通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应典型的不可逆过程典型的

27、不可逆过程不等温传热不等温传热节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）自由膨胀自由膨胀混合过程混合过程q准平衡过程与可逆过程的区别：准平衡过程与可逆过程的区别：准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以有耗散效应。可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作用可以无条件逆复，过程时行时不能存在任何能量上的耗散。可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是可逆过程的必要条件。16 功和热量一、功一、功q功的力学定义功的力学定义：功是力和力方向上位移的乘积。2121FdxWFdxWq功的热力学定义功的热力学定义：功是热力系统

28、通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物q功的正负功的正负热力学中约定：系统对外界作功取为正，系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。外界对系统作功取为负。q功的单位焦耳（J）mNJ11q比功与功率比功：单位质量物质所作的功，单位：J/kg功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）mWw sJW/11二、可逆过程的功二、可逆过程的功设有质量为m的气体在气缸中进行可逆膨胀，如图过程线12。过程中所作的膨胀功为：2121pdVWpdVpAdxFdxdxFWext21211pdvwpdvpdVmw如果工质为1kg，所作的功为：q 可逆过程的功的计算可逆过程的功的计算功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量过程量。微元过程作功过程量用表示，如微功量用w（状态参数微增量，用d表示，如dp 、 dv 、 dT）膨胀