华科工程热力学第1章基本概念

1、华中科技大学能源学院 工程热物理教研 第一章 基本概念Every science has a unique vocabulary associated with it, and thermodynamics is no exception. Precise definition of basic concepts forms a sound foundation for the development of a science and prevents possible misunderstandings.华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 q1.1 热能和机械能转换热能和机械能转换q1.

2、2 热力系统与工质热力系统与工质q1.3 状态和状态参数状态和状态参数q1.4 平衡状态平衡状态q1.5 准静态过程准静态过程q1.6可逆过程可逆过程q1.7 热力循环热力循环华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 1.1 热能和机械能转换1 1、蒸汽蒸汽动力装置动力装置热能动力装置热能动力装置华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 内燃动力装置内燃动力装置华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 空气空气华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 燃烧后的废气燃烧后的废气华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 核电站蒸汽动力装置核电站蒸汽动力装置华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2. 制冷装

3、置中热量从低温处传递到高温处的过程蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀 1234华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 热能转换装置三要素热能转换装置三要素q高温热源（库）：高温热源（库）：heat reservoir of high temperatureq低温热源（库）：低温热源（库）：heat reservoir of high temperatureq工质工质: working fluid华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 1.2 热力系统与工质热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：热设备中分离出来热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。作为热力学研究对象的物体。（人为地）

4、（人为地） 外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质1. 系统与边界系统与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 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华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动q边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。图1 压缩中的燃气图2 流动中的工质

5、华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热质、功、热1 1）工质流入工质流出QW系统边界图 3 开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不 一定都是一定都是闭口系统闭口系统QW图4 膨胀中的燃气系统的边界华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 Hot Fluid Control Volume Control Surface Cold Fluid Warm Fluid Concepts & DefinitionsqClose

6、d systemquantity of matter under studyq Control massq Only heat and work can cross boundary of closed systemqOpen systemregion in space on which attention is focusedq Control volumeq Heat and work may cross control surfaceq Mass may also cross control surface Fluid Control Mass Control Surface 华中科技大

7、学能源学院 工程热物理教研室 冷源QW图5 把冷源包括在内的绝热系统华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 1234mQW1 开口系开口系 热力系统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

8、1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 （2）热力系统其它分类方式 其它分其它分类方式类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 （3）简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功膨压缩功膨胀功胀功华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 3.工质q在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借在热机中

9、要使热能不断地转变为机械能，需要借助于助于媒介物质媒介物质。q实现能量转换的媒介物质就称为实现能量转换的媒介物质就称为工质工质。q不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态气态物质物质作为工质。作为工质。 华中

10、科技大学能源学院 工程热物理教研室 1.3 状态和状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量1. 状态参数的特征：1、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 （1）状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初终状态参

11、数变化量与路径无关，只与初终态有关。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华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 （2）状态参数的微分特征设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数 状态参数是系统对应的某种微观特性的统计平状态参数是系统对应的某种微观特性的统计平均结果均结果 BTwm22 状态参数在数学上的组合也是状态参数状态参数在数学上的组合也是状态

12、参数 例如，热力学温度只不过是气体分子运动强度在宏例如，热力学温度只不过是气体分子运动强度在宏观上的反映观上的反映 例如状态参数例如状态参数焓焓的定义式为的定义式为h = u + Pv，式中，式中u、P、v均为状态参数，均为状态参数，h是它们数学上的一种的组合，因此是它们数学上的一种的组合，因此也是系统的一个状态参数也是系统的一个状态参数华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2. 两类状态参数：强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如压力如压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、

13、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比容比容VvmUum比内能比内能Hhm比焓比焓Ssm比熵比熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 Concepts & DefinitionsqExtensive properties properties whose value depends on the amount of matter in systemqMass, volume, energy, etc.qUse upper case letter to designate extensive pro

14、pertiesqIntensive properties properties whose value does not depend on the amount of matter in systemqPressure, temperature, density, energy per unit mass, etc.qUse lower case letter to designate intensive properties华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 3.基本状态参数(1)(1)温度温度 T(2)(2)压力压力 p(3)(3)比容比容 v华中科技大学能源学院 工程热物理教研室

15、(1)温度传统：传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：微观：衡量分子平均动能的量度衡量分子平均动能的量度 T 0.50.5 m w 21) 同同T , 0.50.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气不同，如碳固体和碳蒸气2) T=0 0 0.50.5mw 2=0 0 分子一切运动停止，分子一切运动停止， 零点能零点能华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 热力学第零定律温度的热力学定义温度的热力学定义热力学第零定律热力学第零定律（R.W. Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热热平衡平衡，则两个系统彼此必然处于，

16、则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的理温度测量的理论基础论基础B 温度计温度计华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 温度的热力学定义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，用于描述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此宏观特征的物理量 温度温度。 温度温度是确定一个系统是否与其它系是确定一个系统是否与其它系统处于统处于热平衡热平衡的物理量的物理量华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 温度的测量温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻水银，铂电阻）特性特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度温标温标

17、华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 常用温标绝对绝对K K摄氏摄氏 华氏华氏F F朗肯朗肯R R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67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559.67华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 温标的换算O 273.15T KtCO5( 32)9tCt F 459.67t Ft R华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 注：据测定，含盐注：据测定，含盐30的盐水，冰点为零下的盐水，冰点为零下21。冬天下雪，车辆碾压后路

18、面会结冰变滑影冬天下雪，车辆碾压后路面会结冰变滑影响交通，用盐水喷洒路面使冰点降低而令冰雪融响交通，用盐水喷洒路面使冰点降低而令冰雪融化可以防滑。化可以防滑。小知识：为什么小知识：为什么0808年雪灾时，各地都撒盐化冰？年雪灾时，各地都撒盐化冰？华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 (2)压力 p常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa物理中物理中压强压强，单位单位: Pa , N/m2华中科技大学能源学

19、院 工程热物理教研室 绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 pg当当 p 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华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 准静态过程的工程应用例例1-1：活塞式内燃机转速：活塞式内燃机转速 2000转转/分，分，活塞活塞2冲程冲程/转，行程转，行程0.15米。米。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

20、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”“”“缓慢缓慢”活塞式内燃机华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 摩擦力f的影响若有若有摩擦力摩擦力f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，由于摩擦损失，外界得到的，由于摩擦损失，外界得到的可以再返还给系统的那部分功，只有可以再返还给系统的那部分功，只有W W，而系统此时得到的功为而系统此时得到的功为WT2Q自由膨胀自由膨胀真空真空华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 典型的不可逆过程节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2混合过程混合过程

21、华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 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析，然后考虑不可逆 因素

22、加以因素加以修正。修正。华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-23761.7 热力学循环热力学循环 热机循环热机循环 热力循环由热力循环由若干个若干个热力过程组成热力过程组成 全部由可逆过程组成的循环为可逆循环全部由可逆过程组成的循环为可逆循环热机循环热机循环产生热变功效果的循环产生热变功效果的循环也称作也称作动力动力循环，或循环，或正

23、向正向循环循环 热力学循环热力学循环系统沿封闭路径经历一系列状态变化后重又系统沿封闭路径经历一系列状态变化后重又回复到原有状态的热力过程回复到原有状态的热力过程 热机循环和制冷循环热机循环和制冷循环华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2377PvTs净效应：对外作功净效应：对外作功净效应：吸热净效应：吸热正向循环：顺时针方向正向循环：顺时针方向2112华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2378 热机循环不断地变热热机循环不断地变热为功，其必需条件是工为功，其必需条件是工质从高温热源吸热，并质从高温热源吸热，并将其中的一部分传给低将其中的一部分传给低温热源温

24、热源 Q1Q2W0热机热机热机循环热机循环低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1热机循环的工作原理可热机循环的工作原理可抽象地以右图表示抽象地以右图表示 华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2379Q1Q2W0制冷机制冷机制冷机制冷机- -热泵循环热泵循环低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1 制冷循环制冷循环 以消耗机械能为代价使热量以消耗机械能为代价使热量从低温物体传向高温物体，从低温物体传向高温物体，产生制冷效果的循环过程产生制冷效果的循环过程也称作也称作逆向逆向循环循环制冷循环可抽象地以右图表示制冷循环可抽象地以右图表示 热泵装置也按逆向循环工热泵装置也按

25、逆向循环工作，工作目的为了供热作，工作目的为了供热华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2380PvTs净效应：消耗外功净效应：消耗外功净效应：放热净效应：放热逆向循环：逆时针方向逆向循环：逆时针方向2112华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2381 循环的净热量和净功循环的净热量和净功 净热量净热量J/kg 210qqq 净功净功(w0、W0)J 210QQQJ/kg 2100qqqwJ 2100QQQW 循环的净功等于净热量循环的净功等于净热量 循环中系统与外界功相互循环中系统与外界功相互作用的净效应作用的净效应 循环中系统与外界热相互循环中系统与外界热

26、相互作用的净效应作用的净效应 Ts12（系统自外界吸热量与（系统自外界吸热量与系统向外界放热量之差）系统向外界放热量之差）净热量净热量Pv21（系统对外界作功与（系统对外界作功与外界对系统作功之差）外界对系统作功之差）净功净功华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 2022-5-2382 循环的工作系数（性能系数）循环的工作系数（性能系数） 热机的循环热效率热机的循环热效率 代价收益工作系数)COP(12121101QQQQQQWt按循环中的按循环中的1kg工质表达：工质表达： 12121101qqqqqqwt循环热效率循环热效率收益收益循环的净功循环的净功W0；代价代价从高温热源吸取的热量从

27、高温热源吸取的热量 Q1；工作系数工作系数热效率热效率华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 q2022-5-238321202QQQWQ或按或按1 kg工质表达为：工质表达为：21202qqqwq收益收益从低温热源（冷库）吸取的热量从低温热源（冷库）吸取的热量Q2 代价代价所消耗的循环净功所消耗的循环净功W0 循环的工作系数循环的工作系数制冷系数制冷系数 制冷装置的制冷系数制冷装置的制冷系数 华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 q2022-5-2384 热泵装置的供热系数热泵装置的供热系数 21101QQQWQ或按或按1 kg工质表达为：工质表达为： 21101qqqwq收益收益向高温热

28、源（建筑物室内）的放热量向高温热源（建筑物室内）的放热量Q1代价代价所消耗的循环净功所消耗的循环净功W0循环的工作系数循环的工作系数供暖系数供暖系数 第二次作业第二次作业：*1-15；1-16；1-17华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 A jet engineAn insulated beverage cooler The earth, including its oceans and atmosphereClosed？ - Open？ - Isolated？华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 OpenThis would be a good choice, because it a

29、llows for the flow of air, fuel, and exhaust gases in and out of the engine. Open system formulations are usually best for continuously flowing situations. 华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 This insulated beverage cooler can be treated as an isolated system, even though the ice is melting and the cans are being cooled inside.华中科技大学能源学院 工程热物理教研室 Closed：This would be a good choice if we ignore meteorites（陨星） entering the atmosphere and gas molecules escaping gravity of earth (rea