第01章 基本概念

第一章

基本概念及定义

本章基本要求1.深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、功、体积变化功、过程热量、热力循环等概念。2.掌握温度、压力、比容的物理意义。3.掌握状态参数的特点。4.掌握可逆过程体积变化功的计算方法。5.掌握循环经济性指标。本章重点热力系统的选取，平衡状态，可逆过程，体积变化功。§1.1热能在热机中转变成机械能的过程高温热源：向其他系统供热的热源（热源）；低温热源：吸收其他系统放出热量的热源（冷源）。锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器

工质：工作介质，即能量的载体。热源：与工质进行热交换的物质系统。吸热、膨胀、排热燃气轮机装置空气能量转换：

热能→机械能→电能压气机燃气轮机燃烧室废气吸热、膨胀、排热制冷空调装置能量转换：电能→机械能→热能吸热、压缩、排热、膨胀、§1.2

热力系统热力系统(热力系、系统)：把物体中相互联系的一部分或全部人为地分割开来，作为热力学研究对象。外界：系统以外的所有物质1、系统与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界系统外界边界热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热边界特性真实、虚构固定、活动热力系统分类绝热系统：与外界无热量交换。孤立系统：既无能量（W、Q）交换，又无质量交换一般系统：既有能量交换，又有质量交换1、按系统与外界是否有质量交换分为：闭口系统：无质量交换开口系统：有质量交换2、按系统与外界是否有能量交换分为：简单可压缩系统：只交换热量和一种准静态的容积变化功（膨胀功、压缩功）-----最常见、最重要的系统1234mQW1

开口系几种常见热力系统的关系非孤立系＋外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口1+2+3+4孤立系系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便选取不同系统，只影响分析问题的难、易，不影响结果。热力系统其它分类方式

其它分类方式

物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相可压缩系统和简单可压缩系统可压缩系统：在热力工程中，能量转换是通过工作物质的状态变化来实现的，最常用的工质是一些可压缩流体(如蒸汽动力装置中的水蒸气，燃气动力装置中的燃气等)。由可压缩流体构成的热力系称为可压缩系统。简单可压缩系统：可压缩系统若与外界可逆功交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式，则该系统称为简单可压缩系统。工程热力学讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。思考题系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？开口系统与外界有物质交换，而物质与能量又不可分割，所以开口系统一定不是绝热系统，这种观点对否，为什么？§1-3热力状态与状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特性：(1)状态确定，则状态参数也确定，反之亦然(2)积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。(3)微分特征：全微分。设z=z(x,y)基本状态参数（可直接测量得到）：导出状态参数（由基本状态参数计算得到）p,v,Tu,h,s强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数

如压力

p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积

V、内能

U、焓

H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol

具有强度量的性质基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）一、压力

p

物理中压强，单位:Pa

,N/m21、常用单位：

(表1-1)

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绝对压力p：气体的真实压力2、绝对压力、表压、真空度相对压力：压力计显示的压力表压力pe真空度pv若大气压用pb表示，则：p=pb+pg

；p=pb-pv问:一密闭绝热的储气罐，其上压力表的读数可能变化吗？注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数！问:容器上真空表读数20kPa,大气压100kPa,容器的真空度=？压力测量----压力表精密压力表二、温度T宏观：表征物体冷热程度的物理量

微观：物质分子热运动强烈程度的量度T0.5

mw21、一般定义：2、温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标3、常用温标绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点671.67459.67491.67559.67经验温标，与测温介质有关→误差与测温介质无关4、温标的换算选择题：－40℃与－40°F的关系为：

A.＜

B.＝C.＞D.不确定温度测量方法日常：水银温度计，酒精温度计，水温度计工业：热电偶，热敏电阻计量：铂电阻温度计依据：两个不同温度的物体接触最终会达到热平衡（热力学第零定律）原理：测温介质受热膨胀比容v［m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]1.4平衡状态、状态方程式、坐标图1、平衡状态定义：

在不受外界影响的条件下（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。温差

—热不平衡势压差

—力不平衡势化学反应

—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势差势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的均匀一定平衡。为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的状态参数（压力、温度）描述系统所处的状态。如果系统不平衡，则不能！工程热力学研究的正是这种平衡状态。2、状态方程状态方程：基本状态参数（p,v,T)之间的关系如：理想气体的状态方程：实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质例：R134a的维里型状态方程3、状态参数坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图211.一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，它们的温度与压力分别相等，不随时间变化。试问汽水混合物是否已处于平衡态？汽水混合物的各种参数量是否到处均匀？2．铁棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，经过一段时间，铁棒各点温度保持恒定，试问，铁棒是否处于平衡状态？§1-5工质的状态变化过程（热力过程）热力过程：在不平衡势差的作用下，系统从一个状态变化到另一个状态所经历的历程。问题：热力学研究：平衡状态无势差状态不变热力过程不能实现热力学研究：能量转换途径：状态变化条件：有势差平衡被破坏可见：“平衡”和“过程”是一对矛盾体，如何解决？一、准平衡过程（准静态过程）p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..（1）一般过程（2）准静态过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态实现准静态过程的条件：不平衡势差为无限小→过程进行得无限缓慢准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上有意义吗？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）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。“突然”“缓慢”二、可逆过程、不可逆过程可逆过程：系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到初始状态，而不留下任何痕迹（包括系统和外界）。不可逆过程：不满足上述条件的过程系统不能恢复到初态；或：能恢复，但外界留下痕迹包括：实现可逆过程的条件准静态过程+无耗散效应=可逆过程通过摩擦使功变热的效应（摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）不可逆因素不平衡势差耗散效应∴只有系统和外界均不存在不可逆因素的过程才是可逆过程典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••典型的不可逆过程节流过程

(阀门）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★引入可逆过程的意义

准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程，为评价实际过程的完善程度提供了一个比较基准。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。1.不可逆过程，就是工质不能恢复到原状态的过程，这种说法对吗？2.任何可逆过程都是准静态过程，这种说法对吗？3．判断下列过程是否为可逆过程：（1）对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃。（2）高压气体突然膨胀至低压。（3）摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。4.温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：冰水混合物经历的是准静态过程吗？加热过程是否可逆？§1-6过程功和热量一、功的热力学定义热力学中对功的定义：功是热力系统通过边界与外界传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。热力学最常见的功：容积变化功

定义：因系统容积变化与外界交换的功（包括：膨胀功和压缩功）。拉伸功，表面张力功，电极化功、磁化功力学中的功：W＝Fx

其他功：广义功：二、可逆过程的功以汽缸中mkg工质为系统:活塞向右移动微元距离dx，dx

很小，近似认为

p不变，可视为准静态过程.pp0Adx系统对外界作的膨胀功为：W=pAdxmkg：W=pdVw=pdv1

kg：()=pdV示功图----p-V图pV.12.pp021W说明:1）单位为[kJ]

或[kJ/kg]2）是过程量，与路径有关3）正负号规定：4）适于准静态下任何工质对外为正对内为负5）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数6）公式只适用可逆过程四、过程热量2、符号：Q（q）3、单位：J（J/kg）4、正、负号：系统吸热为正，放热为负1、定义：热量是系统与外界在温差的推动

下传递的能量。五、Q与W类比能量传递方式

W

Q性质推动力标志参数公式公式适用条件图示pVWTSQP-V(示功图)T-s（示热图）过程量过程量ΔTΔpdS

,dsdV,dv准静态或可逆可逆§1-7热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：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热力循环。分类：（1）按是否可逆分不可逆循环可逆循环（所有过程均可逆）（2）按能量转换目的分逆循环（制冷）正循环（动力）正循环净效应：对外作功净效应：吸热正循环（Q→W）：顺时针方向pV21TS12逆循环净效应：对内作功净效应：放热逆循环（W→Q

）：逆时针方向pV21TS12热力循环的评价指标正循