热工基础(第一周)

希杰沈阳生物科技有限公司热源厂2012年2月1日气体的基本性质、工质的状态参数热工基础希杰沈阳

热源厂一、气体的分子状况1、分子具有一定的质量和体积

1mol气体系统的分子数：6.022×1023mol-1

摩尔是表示物质的量的单位，每摩物质含有阿伏加德罗常数个微粒。摩尔简称摩，符号为mol。国际上规定，1mol粒子集体所含的粒子数与0.012KgC12中所含的碳原子数相同,即NA=6.02×1023个。

1mol氢气的总质量为：2.0×10-2kg每个氢分子的质量则为：3.3×10-27kg

1mol水的体积为：18×10-6m3每个分子体积约3.0×10-29m3在标态下，即（温度为273.15K,压强为101325Pa）时，已知1mol分子的质量和体积，可估算以上数据。希杰沈阳

热源厂2、分子处于永不停息的热运动之中

分子热运动的一般形式：布朗运动。例如：（1）气体、液体、固体的扩散。水和墨水的混合相互压紧的金属板（2）布朗运动希杰沈阳

热源厂3、分子之间以及分子与器壁之间进行着频繁碰撞

布朗运动实际上是液体和气体分子热运动的缩影，在热运动过程当中中系统中分子之间以及分子与容器器壁之间进行着频繁的碰撞。每个分子的运动速率和运动方向都在不断地发生变化，分子在运动路径上与一个或多个分子发生碰撞，或与器壁上的固体分子发生了碰撞。

碰撞引起系统中动量的均匀化，同样碰撞还将引起系统中分子能量的均匀化、分子密度的均匀化、分子种类的均匀化等。与此相应，系统表现了一系列宏观性质的均匀化。

宏观性质的均匀化表现为：该系统内部各部分温度、压强趋于相等。希杰沈阳

热源厂4、分子之间存在分子作用力（1）分子之间存在相互吸引力液体分子变为蒸汽分子需要持续加热来克服分子间的吸引力；

胶水、浆糊的粘合作用是来源于分子间的吸引力；

（2）分子之间存在相互排斥力液体、固体很难被压缩；

排斥力的作用半径就是两个分子刚好接触时的两分子质心间的距离，对同种分子而言即分子直径；排斥力随分子质心间距的减小而剧烈增加；（3）分子间距离等于r0时，引力与排斥力相互平衡希杰沈阳

热源厂分子力r=r0f=0平衡位置r＞r0f＜0引力起主要作用

r＜r0f＞0斥力起主要作用

r＞Rf≈0R-分子有效作用半径

10-8m

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热源厂二、工程热力学基本概念1、热力系统定义热力学中，为了方便分析问题人为的划定一定范围作为研究对象，范围内的所有物质组成热力系，简称系统。热力系与外界的分界面称为边界热力系以外的物质称为外界

边界可以是真实存在的，如左图中的汽缸。

边界也可以是实际不存在的假象界面，如在汽轮机热力系统中，

进出口处的边界便是假象界面。希杰沈阳

热源厂2、热力系统分类开口系统：闭口系统：孤立系统：绝热系统：可压缩系统：与外界有物质交换的系统，又称控制容积。与外界无物质交换的系统，又称控制质量。与外界有热量交换的系统。与外界既无物质交换，又无能量交换的系统。系统由可压缩流体构成，是工程热力学主要讨论的系统。希杰沈阳

热源厂3、工质的基本状态参数工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。（水、蒸汽等）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：描述系统内工质所处状态的宏观物理量称为状态参数。基本状态参数：可以用仪器直接测量得到的参数，称为基本状态参数。常用状态参数：压力p、温度T、比容v、热力学能U、焓H、熵S等。基本状态参数包括压力p、温度T、比容v等。希杰沈阳

热源厂比容单位质量工质所占有的体积称作比容，也称比体积。用符号v表示，单位是m3/kg，如容积为V(m3)的容器内有质量为m(kg)的工质，则其比体积为：密度单位容积的工质所具有的质量称为密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3，可表示为：比容v与密度ρ互成倒数，即:比体积与密度两者不是独立参数，都是用来描述工质聚集的疏密程度。希杰沈阳

热源厂压力

单位面积上所受的垂直作用力称为压力，即压强。压力的国际标准单位是帕斯卡，简称帕，符号Pa，1Pa=1N/m2工程单位兆帕(MPa),1MPa=106Pa标准大气压(atm)，1atm=760mmHg=101325Pa巴(bar),1bar=0.1MPa=105Pa工程大气压(at),1at=1kgf/cm2=98066.5Pa毫米汞柱(mmHg),1mmHg=133.3224Pa毫米水柱(mmH2O),1mmH2O=9.80665Pa希杰沈阳

热源厂几种压力概念的说明绝对压力：以绝对真空为基准，高于绝对真空的压力,即工质的真实压力。正压：差压：负压(真空)：表压力：以大气压力为基准，高于大气压力的压力。以大气压力为基准，低于大气压力的压力。两个压力之间的差值(两点或两个系统的压力之差)。以大气压力为基准，压力表所指示的小于或大于大气压力的压力。希杰沈阳

热源厂压力表概念：以大气压力为基准，用于测量小于或大于大气压力的仪表。

由于机械式压力表的弹性敏感元件具有很高的机械强度以及生产方便等特性，使得机械式压力表得到越来越广泛的应用。

当被测介质通过接口部件进入弹性敏感元件(弹簧管)内腔时，弹性敏感元件在被测介质压力的作用下其自由端会产生相应的位移，位移则通过齿轮传动放大机构和连杆机构转换为对应的转角位移，与转角位移同步的仪表指针就会在示数装置的度盘刻线上指示出被测介质的压力。希杰沈阳

热源厂压力表的分类按测量精度可分为精密压力表、一般压力表。按弹性元件分为弹簧管(波登管)、膜片、膜盒压力表等。按测量范围分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压力表及高压表。精密压力表：0.1、0.16、0.25、0.4、0.05级一般压力表：1.0、1.6、2.5、4.0级真空表用于测量小于大气压力的压力值；压力真空表用于测量小于和大于大气压力的压力值；微压表用于测量小于60000Pa的压力值；低压表用于测量0~6MPa压力值；中压表用于测量10~60MPa压力值；高压表用于测量100MPa以上压力值。希杰沈阳

热源厂压力表图例隔膜压力表精密压力表压力表真空真空表希杰沈阳

热源厂温度宏观上：温度是物体冷热程度的标志。微观上：温度是物质分子热运动剧烈程度的标志。如何测量温度？热力学第零定律如果两个物体分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必然处于热平衡。第零定律表明：要判断两个物体的温度是否相同，可以用第三个物体分别与他们接触便可判断。这就为温度测量提供了理论依据，解决了温度测量的可行性。温度计用来测量物体温度的仪器

原理：当温度计与被测系统接触时，温度计中测温物质的状态将发生变化，直至与被测系统达到热平衡时为止，从而将测系统的温度显示出来。希杰沈阳

热源厂温标描述或量度物体温度高低的统一衡量标尺称为温标。温标具体规定了温度的基准点和温度间隔的冷热程度。热力学温标热力学温标是国际单位制温度基本标准，也是我国法定计量温度标尺。按国际单位制(SI)规定：热力学温度用符号T表示，单位为开[尔文]，符号为K。热力学温标规定：纯水的三相点温度(即气相、液相、固相三相平衡时的温度)为基准点，规定为273.16K，而每1K的间隔则为水的三相点温度值的1/273.16。摄氏温标由1742年瑞典人摄氏(Anderscelsius)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。符号为t，单位为摄氏度，符号为℃。希杰沈阳

热源厂摄氏温标每1℃的冷热程度与热力学温标的每1K完全相同，它的定义式为：双金属温度计利用不同膨胀系数的双金属元件来测量温度的温度计。应用双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表。可直接测量各种生产过程中的-80℃~+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质温度。式中：T——热力学温度，K；

273.15——一个标准大气压下纯水的冰点热力学温度值。当t=0℃时，对应的热力学温度为T=273.15K(冰点)。当t=100℃时，对应的热力学温度为T=373.15K(沸点)。t=T-273.15希杰沈阳

热源厂双金属温度计原理

利用二种不同温度膨胀系数的金属，为提高测温灵双金属温度计敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状，当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。希杰沈阳

热源厂希杰沈阳

热源厂三、理想气体及其状态方程式1、理想气体的分子模型（1）分子本身尺寸比分子间距小得多而忽略不计——质点；（2）除碰撞瞬间，分子之间无相互作用力；（3）分子之间及分子与器壁的碰撞是完全弹性碰撞；（4）分子的运动遵从经典力学的规律。现实当中没有理想气体但是,当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。希杰沈阳

热源厂2、理想气体状态方程理想气体在任一平衡状态时p、v、T之间关系的方程式即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙(Clapeyron)方程。式中——绝对压力,单位Pa;——热力学温度，单位K；——比容，单位m3/kg；——气体常数，与气体种类有关，而与气体状态无关，单位N·m/(kg·K)或J/(kg·K)；平衡状态：系统内部以及与外界之间同时满足各类平衡，各种不平衡势差全部消失。势差全部消失，系统的状态就不会发生变化。希杰沈阳

热源厂四、热力过程、准平衡过程、可逆过程1、热力过程热力系由一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏。平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述“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(准静态过程)。希杰沈阳

热源厂2、准平衡过程定义：在热力过程中，不平衡势差无限小，热力系所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、力差、化学势差)

应为无限小。即Δp→0ΔT→0(Δμ→0)

特点：有确定的状态参数变化描述过程，在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程。

准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得缓慢到极限的情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，当系统不平衡势差较小时，可将实际过程近似当做准平衡过程。1456372Pv0mn希杰沈阳

热源厂3、可逆过程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。准静态过程

+无耗散效应

=可逆过程无不平衡势差耗散效应通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）。定义：可逆过程的实现

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

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热源厂五、热量、比热容1、热量热力系与外界之间依靠温度差传递的能量称为热量，用符号Q表示，单位工质所传递的热量(比热)，用q表示。热量定义：热量单位：热量正负：系统吸收热量，则热量为正；系统放出热量，则热量为负。热量单位焦耳J或kJ，比热单位J/kg或kJ/kg。希杰沈阳

热源厂2、比热容定义：单位物量的物体，温度升高1K或1℃所吸收的热量，称为该物体的比热容，用符号c表示。c:

质量比热容Cm:

摩尔比热容c’:

容积比热容Cm=M·c=22.414C’特定过程比热容定容比热容定压比热容希杰沈阳

热源厂六、热力学第一、第二定律1、热力学第一定律

一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不能被消灭，但它可以从一种形态转变为另一种形态，从一个物体转移到另一个物体，在转移和转换过程中，能量的总量保持不变。能量转换与守恒定律

热力学第一定律是能量转换及守恒定律在热现象中的应用。可表述为：热能和机械能在转移和转换时，能量的总量必定守恒。

第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机：一种不花费能量就能产生动力的机器。Q–W=△E希杰沈阳

热源厂2、热力能(内能)分子热运动形成的内动能f(T,v)f(T)构成原子的原子能构成分子的化学能分子间相互作用形成的内位能热能、机械能转移转换过程中，不涉及化学变化和核反应热力学能只考虑内位能和内动能U=f(T,v)内能是指储存于热力系统内部的能量，符号U，单位是J，比内能符号u,单位J/kg。希杰沈阳

热源厂3、焓(H)焓的定义：H=U+pV

单位J。单位工质的焓称为比焓：h=u+pv单位J/kg。焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。焓的性质：1、焓是系统的状态函数,焓不是能量！

2、焓是一人为的组合函数,无明确的物理意义。焓变：焓=流动内能+推动功ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量。ΔH=

ΔU+Δ(pV)在恒压条件下，ΔH(焓变)可以表示过程的热力学能变。

第二类永动机是不可能制造成功的。希杰沈阳

热源厂4、热力学第二定律一切热力过程都是不可逆的克劳修斯表述：热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。开尔文表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其他影响。真空AB从单一热源取热并使之完全变成功的热机。熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；熵的变化只与初、终态有关，与过程的路；不可逆过程的熵变可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。

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热源厂5、熵定义：熵熵是组成系统的微观粒子运动无序性的量度。熵增原理：在孤立系中所进行的自然过程(不可逆过程)总是沿着熵增大的方向进行,而在孤立系中发生的一切可逆过程,其熵不会改变。功转变为热的过程，从微观上看是分子作有序定向运动的能量向作无序热运动的能量转化，这种熵增过程是没有限制的。反之单纯热转化为功的过程是熵减过程，不可能简单发生。希杰沈阳

热源厂七、热量传递的基本方式热辐射热对流热传导热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理

必须存在温差、物体之间直接接触。温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象。希杰沈阳

热源厂1、热传导定义：特点：机理：

例如，手握正在加热的金属棒。金属＞非金属固体＞液体＞气体导热率：希杰沈阳

热源厂2、热对流与对流换热

热对流：若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。对流换热：流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。两者区别举例：流体内部为热对流；流体与固体表面之间为对流换热。希杰沈阳

热源厂3、热辐射辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。

热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。特点：a)任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b)热辐射需要媒介,可以在真空中传播；c)在热辐射的过程中伴随能量形式的转换；d)物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的高温物体低温物体辐射换热：当物体之间存在温差时，这种以热辐射的方式进行能量交换的结果使高温物体失去热量，低温物体获得热量，这种热量传递现象称为辐射换热。希杰沈阳

热源厂八、流量计简介1、分类按目前比较广泛的分类方法可分为：差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、明渠流量计等。2、差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的