工程热力学第一章

1、工程热力学第一章基本概念基本概念目录1.热力系统、状态 及状态参数1.1 热力系统与 工质1.2 平衡状态1.3热力状态参数、基本状态参数1.4状态参数坐 标图和状态方程2.热力过程 、功量及 热量2.1 热力 过程2.2 可逆过程的工量和热量3.热力循环第一节热力系统 、状态及状态参数第一章基本概念基本概念工程热力学中，为分析问题方便起见，和力学中取分工程热力学中，为分析问题方便起见，和力学中取分离体的方法一样，离体的方法一样，把热力学分析的对象从周围物体中把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来隔离出来, ,研究它与周围物体之间的能量和物质的传递研究它与周围物体之间的能量和物质的传递. .

2、选取热力系统是热力学分析的选取热力系统是热力学分析的首要步骤首要步骤 目的：目的：明确研究对象所包含的范围和内容明确研究对象所包含的范围和内容 能清楚地显示它与周围事物的相互关系能清楚地显示它与周围事物的相互关系 便于针对热力系统建立定性和定量的关系便于针对热力系统建立定性和定量的关系概 述热能动力装置 定义：定义：从燃料燃烧中得到热能，以及利用热从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备）能得到动力的整套设备（包括辅助设备） 分类分类蒸汽动力装置蒸汽动力装置燃气动力装置燃气动力装置吸热吸热 膨胀做功膨胀做功 排热排热内燃机构造蒸汽动力装置系统简图汽轮机汽轮机冷凝器冷凝

3、器发电机发电机水泵水泵锅炉锅炉 四个主要装置：四个主要装置： 锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵水蒸气动力循环系统锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器燃气轮机燃气轮机结构图活塞活塞热动力装置的本质 利用某一种媒介物从某个能源获取热能，具利用某一种媒介物从某个能源获取热能，具备作功能力并对机器作功，最后把余下的备作功能力并对机器作功，最后把余下的热能排向环境介质热能排向环境介质(大气或冷却水大气或冷却水) 本质特性：吸热本质特性：吸热 膨胀做功膨胀做功 排热排热1.热力系统、状态 及状态参数1.1 热力系统与 工质热力系统：人为划分的一定范围内的研究对象。简称

4、热力系或系统。工质：用来实现能量相互转换的媒介物质。13热力系统（热力系、系统、体系）热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界外界和边界 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 )：与体系发生质、能交换的物系。与体系发生质、能交换的物系。 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）。定义定义14系统及边界示例系统及边界示例 汽车发动机汽车发动机15 移动和虚构边界移动和虚构边界161.系统与外界

5、的作用都通过边界，不画边界进行热系统与外界的作用都通过边界，不画边界进行热力学研究无意义。力学研究无意义。注意：注意：2.热力系统的选取，取决于所提出的研究任务，但热力系统的选取，取决于所提出的研究任务，但不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守统计平不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守统计平均规律。均规律。3.边界可以是：边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的边界特性实际或假想实际或假想固定或运动固定或运动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热力系统的分类按系统按系统与外界

6、与外界质量交质量交换分类换分类闭口系闭口系 closedclosed system system 开口系开口系 open systemopen system 控制质量控制质量CMCM系统系统 通过边界与外界只有能量交换而无物质交换通过边界与外界只有能量交换而无物质交换 控制体积控制体积CV CV 通过边界与外界有能量与物质交换通过边界与外界有能量与物质交换热力系统的分类绝热系统绝热系统 adiabatic system孤立系统孤立系统 isolated system 系统系统与外界无热量交换与外界无热量交换（理想化）（理想化） 如如汽轮机、喷管汽轮机、喷管 系统系统与外界无任何形式的质能交换与

7、外界无任何形式的质能交换(理想化理想化) 一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象成孤立系统抽象成孤立系统工质：工质：实现热能与机械能相互转化的媒介物质实现热能与机械能相互转化的媒介物质热源：热源：工质从中吸取热能的物系，或称高温热源工质从中吸取热能的物系，或称高温热源冷源：冷源：接受工质排出热能的物系，或称低温热源接受工质排出热能的物系，或称低温热源 基本概念热能热能吸热吸热 膨胀膨胀 作功作功 排气排气机械能机械能热动力装置的工作过程：热动力装置的工作过程：工质从高温热源吸热，将工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并将余下部分传其

8、中一部分转化为机械能而作功，并将余下部分传给低温热源给低温热源 21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22为使热能源源不断地转化为机械能必须：为使热能源源不断地转化为机械能必须：1. 凭借工质作为媒介物质；凭借工质作为媒介物质；2. 工质源源不断地从高温热源吸收热量；工质源源不断地从高温热源吸收热量；3. 工质热力学状态发生循环往复的连续变化；工质热力学状态发生循环往复的连续变化；4. 向温度较低的热源排出一部分热量。向温度较低的热源排出一部分热量。23工质

9、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。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，易大量获取工质是实现能量转换必不可少的内部条件工质是实现能量转换必不可少的内部条件热力学中的工质是气（汽）态物质以及涉及气态物质相变的液体。状态状态: 某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况状态

10、参数状态参数: 描述工质所处状态的宏观物理量，如描述工质所处状态的宏观物理量，如T，P状态参数的特征：状态参数的特征：1.状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态确定，则状态参数也确定，反之亦然. 状态参状态参数的全部或部分变化，则工质的状态发生了变化。数的全部或部分变化，则工质的状态发生了变化。 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：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关（无关，只与初终态有关（物理特征物理特征）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（数学特征数学特征）1.热力系统、状态 及状态参数状态参数的积分特征 状态参数变化量与路

11、径无关，只与初终态状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关有关, ,数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz 例如例如：温度变化：温度变化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热力学中常见的状态参数基本状态参数：温度基本状态参数：温度T 压力压力p 体积体积V 可以直接用仪表测量出来可以直接用仪表测量出来其他：内能其他：内能U、焓、焓H、熵、熵S、自由能等、自由能等 可以根据基本状态

12、参数间接计算出来可以根据基本状态参数间接计算出来281.2 平衡状态平衡状态（thermodynamic equilibrium state）1 1、定义：、定义：在在不受外界影响不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 温差温差 热不平衡势热不平衡势 压差压差 力不平衡势力不平衡势 化学反应化学反应 化学不平衡势化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势1.热力系统、状态 及状态参数29平衡与稳定平衡与稳定稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时

13、间变化稳定稳定但存在但存在不平衡势差不平衡势差去掉去掉外界影响，则外界影响，则状态变化状态变化若以若以（热源（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系为系统，又如何统，又如何？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30平衡与均匀平衡与均匀平衡平衡：时间上：时间上均匀均匀：空间上：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32为什么引入平衡概念？为什么引入平衡概念？ 如果如果系统平衡系统平衡，可用，可用一组一组确切的参确切的参数（数（压力、温度压力、温度）描述描述但平衡状态是但平衡状态是死态死态，没有能量交换，没有能量交换能量交换能量交换

14、状态变化状态变化破坏平衡破坏平衡如何描述如何描述33 热力学状态（热力学状态（state of thermodynamic system） 系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数（状态参数（state properties） 描述物系所处状态的宏观物理量描述物系所处状态的宏观物理量 SHUTVp, 1状态参数是宏观量状态参数是宏观量，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，只有平平衡态衡态才有状态参数，系统有才有状态参数，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如状态参数的特性和分类状态参数的特性和分类1.热力系统、状态 及状态参数1.3热力学状态参数、基本状态

15、参数1.3.1 热力学状态参数342状态的单值函数状态的单值函数 物理上物理上与过程无关与过程无关； 数学上数学上其微量是全微分其微量是全微分。1a21b2dd0dxxx状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否是可判断是否是状态参数状态参数yyzxxzzxyddd353状态参数分类状态参数分类 (1)广延量参数广延量参数（extensive property）: 与系统的量有关，有可加性；如体积、热力学能与系统的量有关，有可加性；如体积、热力学能等；等； (2)(2)强度量参数强度量参

16、数（intensive propertyintensive property ）：）： 与系统的量无关，无可加性，如温度、压力等。与系统的量无关，无可加性，如温度、压力等。 mVv 又：又：广延量的比性质具有强度量特性，广延量的比性质具有强度量特性，如比体积如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。36系统状态相同的充分必要条件系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件：系统两个状态相同的充要条件： 所有所有状态参数一一对应相等状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件：简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的两个

17、独立的状态参数对应相等状态参数对应相等1.3热力学状态参数、基本状态参数1.3.2 基本状态参数1.热力系统、状态 及状态参数工程热力学中常用的状态参数有工程热力学中常用的状态参数有比体积、压比体积、压力、温度、比热力学能、比焓、比熵力、温度、比热力学能、比焓、比熵等，其等，其中可以中可以直接测量直接测量的状态参数有的状态参数有比体积、压力比体积、压力温度，温度，称为称为基本状态参数基本状态参数38（1）比体积和密度）比体积和密度比体积比体积(specific volume) mVv单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度(density)mV单位体积工质的质量单位体积工质的质量1v3m

18、/kg3k g / m两者关系两者关系:比体积比体积和和密度密度二者相关，通常以比体积作为状态参数二者相关，通常以比体积作为状态参数 。1.3.2 基本状态参数39定义：单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）定义：单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）（2）压力）压力(pressure)FpA单位单位 : Pa （帕帕），），1 Pa =1 N/ m2 ，1 MPa = 103 kPa =106 Pa ： 1 bar（巴巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压标准大气压） = 1.013 105 Pa 1 at （工程大气压工程大气压） = 0.981 105 Pa 1 mmH2O（毫米

19、水柱毫米水柱） = 9.81 Pa1 mmHg （毫米汞柱毫米汞柱） = 133.3 Pa 40压力压力p测量测量一般是一般是工质工质绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 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 才才是是状态参数状态参数41绝对压力绝对压力 p(absolute pressure)表压力表压力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure)真空度真空度 pv(vacuum; vacuum pressure)bvb()ppppp当地大气压当地大气压pb(local atmospheric pressure)b

20、eb()ppppp单位单位: Pa , N/m2常用单位：常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665 104 Pa绝对压力：绝对压力：通常用垂直作用于器壁单位面通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力（压强）大小积上的力来表示压力（压强）大小压力p的测量压力p的测量相对压力相对压力: : 压力计指示的压力是压力计指示的压力是工质的工质的绝对压绝对压 力力与与环境压力环境压力的的相对值，相对值，随地理位置及气候条随地

21、理位置及气候条件等因素而变化件等因素而变化 注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p p 才才是是状态参数状态参数PbppPePvPb绝对压力与相对压力当当 p 表压力表压力 pe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2.1热力过程2.1.2 可逆过程准平衡过程（由一系列平衡状态组成的热力过程）过程中无任何耗散效应的过程2.热力过程 、功量及 热量68可逆过程可逆过程( reversible process) 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时同时恢复到初始状态，而不留下任何痕恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此

22、过程为迹，则此过程为可逆过程可逆过程。(1)(1)可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。(2)(2)可逆过程是一个理想过程。实际过程都是可逆过程是一个理想过程。实际过程都是不可逆过程不可逆过程，如，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等 。注意：注意：69可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差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，磁阻等）磁阻

23、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 准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果内部及系统与外界作用的总效果70引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义(1)(1)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。 (2)(2)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的工质的状状态参数态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。易分析

24、。 (3)(3)实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，用系统参数加以分）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以析，然后考虑不可逆因素加以修正。修正。2.2可逆过程的功量和热量热力系实施热力过程，会与外界发生两种方式的能量交换-做功和传热功是系统与外界间在力差的推动下，通过宏观有序（有规则）运动方式传递的能量。功是与过程有关的过程量，只有在能量的传递过程中才有意义。热量是系统与外界在温差的推动下，通过微观粒子无序（无规则）运动的方式传递的能量。2.热力过程 、功量及 热量72功功(work)的定义

25、和可逆过程的功的定义和可逆过程的功 1功的力学定义功的力学定义:力力在力的方向上的位移在力的方向上的位移 2功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。效果可表现为举起重物。3可逆过程功的计算可逆过程功的计算212211ddWWpA xp V功是过程量功是过程量功可以用功可以用p- -V图上过程线图上过程线与与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示pAF xFWd2.2.1 体积变化功73 系统对外作功为系统对外作功为“+ +”外界对系统作功为外界对系统作功为“- -”5功和功率的单位：功和功率的单位：JkJ或J /sWk J /sk W附

26、：附：1kW h3600kJ4功的符号约定：功的符号约定：单位质量工质所作的功，用单位质量工质所作的功，用w表示，单位：表示，单位：J/kg746讨论讨论有用功有用功(useful work)概念概念pluWWWW其中其中:W膨胀功膨胀功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大气功。排斥大气功。pbf75用外部参数计算不可逆过程的功用外部参数计算不可逆过程的功21dWpVVpAHpW00?76广义功广义功(generalized work)简介简介弹性力功弹性力功表面张力功表面张力功 电极化功及磁化功等电极化功及磁化功等772.2.2 热

27、量（heat）1定义：定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而 通过边界传递的能量通过边界传递的能量。2符号约定：系统吸热符号约定：系统吸热“+”； 放热放热“-”3单位：单位： JkJ4计算式及状态参数图计算式及状态参数图21d(dQT SQT S可逆过程）热量是过程量热量是过程量（T-S图上）表示图上）表示2.热力过程 、功量及 热量2.2可逆过程的功量和热量78熵的初步了解：熵的初步了解：过程量过程量可逆过程公式可逆过程公式过程推动力过程推动力过程标志过程标志WVpWdpdVQSTQdTdSP，T为强度量，V广延量熵熵S为广延量，单位：为广延量，单位：J/K比熵比熵s，单位：，单位：J/(kg

28、K）熵的定义式：熵的定义式：TQSrevd79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，体积变化是作功标志；功传递由压力差推动，体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，熵变化是传热的标志；热量传递由温差推动，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发生相互作用而传递的能量。能量。功功2.均为过程量；均为过程量；热是无条件的；热是无条件的；热热功是有条件、限度的。功是有条

29、件、限度的。80思考题：思考题：容器为刚性绝热，抽去隔板，容器为刚性绝热，抽去隔板，重又平衡，过程性质。重又平衡，过程性质。逐个抽去隔板，又如何？逐个抽去隔板，又如何？ 第三节热力循环第一章基本概念基本概念82要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环定义：定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为列变化过程称为热力循环热力循环。不可逆循环不可逆循环分类：分类：可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环封闭的热力过程，特性封闭的热力过程，特性：一切状态参数恢复原值一切状态参数恢复原值，即即0d x3.热力循环83正

30、向循环正向循环pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正向循环：顺时针方向正向循环：顺时针方向2112 0W 0Q84逆向循环逆向循环 0WpVTS净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆向循环：逆时针方向逆向循环：逆时针方向2112 0Q85热力循环的评价指标热力循环的评价指标1QWt吸热净功代价收益正向循环：净效应（对外作功，吸热）正向循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率动力循环：热效率10t数值范围：87热力循环的评价指标热力循环的评价指标逆向循环：净效应（对内作功，放热）逆向循环：净效应（对内作功，放热）2QW收 益代 价吸 热耗 功WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数数值：088热力循环的评价指标热力循环的评价指标逆向循环：净效应（对内作功，放热）逆向循环：净效应（对内作功，放热）1QW收 益代 价