工程热力学课件

1、第一章基本概念与定义第一章基本概念与定义1 热力设备热力设备2 热力系统热力系统3 状态与基本状态参数状态与基本状态参数4 平衡状态平衡状态 5 准平衡过程与可逆过程准平衡过程与可逆过程 6 功与热量功与热量7 热力循环热力循环 11热能和机械能的转换过程热能和机械能的转换过程 热力设备热力设备1 内燃机内燃机2 燃气轮机燃气轮机3 蒸汽机蒸汽机4 制冷机制冷机1 内燃机内燃机1960年法国勒诺瓦1876年，德国奥托 1892年德国狄塞尔 内燃机（汽油机）的工作原理内燃机（汽油机）的工作原理汽油的热值约为汽油的热值约为 44000kJ/kg。汽油的标号：汽油的标号：90、93、97汽油的密度：

2、汽油的密度：90号：0.72kg/l汽油的密度：汽油的密度：93号：0.725kg/l汽油的密度：汽油的密度：97号：0.737kg/l97号汽油号汽油: 97%的异辛烷，3%的正庚烷。引擎压缩比高，应采用高辛烷值汽油。2 燃气轮机燃气轮机吸热吸热功功放热放热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3 蒸汽机蒸汽机锅炉锅炉水高温、高压的水蒸汽喷喷嘴嘴高速流动的水蒸汽汽轮汽轮机机发电或驱动乏汽加热加热冷凝器冷凝器水泵泵冷却水4 制冷机制冷机吸热吸热功功放热放热PkP0冷凝器蒸发器1245节流装置压缩机PkP0冷凝器蒸发器

3、1245节流装置压缩机水或水或空气空气水或水或空气空气名词定义：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：热源冷源热机作功吸热放热12热力系统热力系统 研究对象研究对象1 系统、环境（外界）、边界系统、环境（外界）、边界2 闭口系、开口系闭口系、开口系3 孤立系、绝热系孤立系、绝热系4 简单可压缩系统简单可压缩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

4、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：外界：热力系统以外的部分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力系统的分类：根据系统与外界物质交换、热量交换的情况开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称

5、控制质量绝热系统：系统与外界无热量交换孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换简单热力系统：系统与外界只有热量与一种形式的准静功交换。可压缩系统：系统由可压缩流体构成简单可压缩系统：系统与外界只有热量与容积功交换热力学中大多属于简单可压缩系统均匀系、非均匀系；单元系、多元系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1 状态、状态参数状态、状态参数2 基本状态参数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

6、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：Z Z2Z13) 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

7、状态参数。badzdz 0dzdyyzdxxzdzxy4）常用的状态参数有: 压力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，称为基本状态参数。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：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。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。基本热力学参数q热平衡定律（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、

8、经验中得到的，不可以由其它定律推出。）既然两个（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

9、标依赖于测温物质的物理性质。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

10、标，称热力学摄氏温标，把水的三相点定为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二、压力q定义：单位面积上所受

11、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bvbbebppppppppppq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

12、力单位之间的换算关系：PabaratmatmmHgmmH2O 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 at98066.50.980660.967841735.55910000 mmHg133.322 133.32210-5 1.3157910-3 1.3595110-3 113.5951 mmH2O 9.80665 9.8066510-5 9.0784110-5 110-473

13、5.55910-4 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1 平衡状态平衡状态2 状态方程式状态方程式3 p-v图、图、T-s图图q定义：一、平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影如果在不受外界影响的条件下响的条件下，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

14、 实现平衡的充要条件实现平衡的充要条件：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：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思考题n平衡状态与均匀状态之间的关系？n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

15、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

16、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

17、，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

18、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。q定义：由一系列连续的平衡态组成的过程称为准平衡过程，也称准静态过程q特点：准平衡过程是实际过程进行得足够缓慢的极限情况。一、准平衡过程（准静态

19、过程）一、准平衡过程（准静态过程）“缓慢”是热力学意义上缓慢，即由不平衡到平衡的驰豫时间远小于过程进行所用的时间。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 建立准平衡过程概论的好处：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，能使系统和外界都返加到原来的状态，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

20、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q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：功是力和力方向上位移的乘积。2121FdxWFdxWq功的热力学定义：功是热力系统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

21、正负热力学中约定：系统对外界作功取为正，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。微元过程作出过程量用表示，如微功量用w（状态参数为微增量，用d表示，如dp 、 dv 、 dT）膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。q 有关功的说明有关功的说明q 有用功有用功系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力作用，余下的才是可被利用的功，称为有用功lruWWWWVpVVpWr0120)()(12021,VVppdVWreu（有用功膨胀功排斥大气功耗散功）其中排斥大气功：对于可逆过程，有用功为：三、热量三、热量q热量的定义：热量的定义：热力系统与外界之间仅仅由于温度不同则通过边界传递的能