《发电厂热力设备及系统》第一章 热力学基本概念

一、热力系统（热力系、系统、体系）、外界和边界１、定义：•

系统：人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统

•

外界：与体系发生质、能交换的物系。•边界：系统与外界的分界面（线）。第一章热力学基本概念与基本定律第一节热能转换的基本概念2２、系统及边界示例•汽车发动机3•汽缸-活塞装置（闭口系例）２、系统及边界示例•移动和虚构边界２、系统及边界示例1）系统与外界的人为性2）边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的注意：

闭口系

（控制质量CM）

—没有质量越过边界

开口系

（控制体积CV）

—通过边界与外界有质量交换３、

系统分类：按系统与外界质量交换

1）闭口系与系统内质量不变的区别；

2）开口系与绝热系的关系；

3）孤立系与绝热系的关系。注意：简单可压缩系

—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。绝热系—

与外界无热量交换;

孤立系—

与外界无任何形式的质能交换。按能量交换３、

系统分类：以系统与外界关系划分：

有无是否传质开口系闭口系

是否传热非绝热系

绝热系

是否传功

非绝功系绝功系是否传热、功、质

非孤立系孤立系1234mQW1

开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系

热力学状态

—系统宏观物理状况的综合

状态参数

—描述物系所处状态的宏观物理量

(1)．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如二、热力学状态和状态参数１、状态参数的特性和分类(2)．状态的单值函数。物理上—与过程无关；数学上—其微量是全微分。(3)．状态参数分类

广延量（extensiveproperty）

强度量（intensiveproperty

）

又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。２、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：

所有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：

两个独立的状态参数对应相等1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态•热平衡

：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处温度相等。•力平衡：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力相等。•热力平衡的充要条件

—系统同时达到热平衡和力平衡。三、平衡状态讨论：

1）系统平衡与均匀2）平衡与稳定—平衡可不均匀—稳定未必平衡四、纯物质的状态方程

状态方程1．理想气体状态方程

Rg—气体常数R—通用气体常数

摩尔质量状态方程——对简单可压缩热力系统，参数服从一定的关系；五、状态参数坐标图

一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO１、准静态过程(准平衡过程）

定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。进行条件：

破坏平衡的势—

过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小六、工质的状态变化过程２、可逆过程定义：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程。可逆过程与准静态过程的关系非准平衡(高温传热至低温)不可逆准平衡可逆非准静态过程

准静态过程，不可逆准静态过程，可逆３、作功过程pFfpb1.可逆=准静态+没有耗散效应

2.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

3.一切实际过程都不可逆

4.可逆过程可用状态参数图上实线表示讨论：１、功的定义和可逆过程的功

功的力学定义

沿力的方向的位移与力的乘积

功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。可逆过程功的计算▲功是过程量▲功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示七、功和热量

系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”功和功率的单位：附：功的符号约定：讨论有用功概念其中:

W—膨胀功

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大气功。pbf２、热量定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。符号约定：系统吸热“+”；放热“-”单位：

计算式及状态参数图热量是过程量（T-s图上）表示３、热量与功的异同：

（1）.均为通过边界传递的能量；

（3）.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；功（2）.均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。八、热力循环１、定义：

封闭的热力过程特性：一切状态参数恢复原值，即２、可逆循环与不可逆循环３、动力循环（正向循环）输出净功；在p－v图及T－s图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。汽轮机水泵冷凝器锅炉简单蒸汽动力循环过程图锅炉(热源):燃料燃烧产生热量,将水变成蒸汽(吸热过程)汽轮机:将蒸汽携带的热能→动能→转子旋转机械能(对外作功过程)冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水(对外放热过程)水泵:提高水的压力,将水送入锅炉(消耗外功)３、动力循环（正向循环）４、逆向循环

▲制冷循环

▲热泵循环

一般地讲：输入净功；在状态参数图逆时针运行；吸热小于放热。蒸发器压气机冷凝器节流阀蒸汽压缩式制冷示意图吸收低温处的热量向外界环境散失热量M４、逆向循环

动力循环：热效率逆向循环：制冷系数供暖系数九、循环经济性指标：第二节热力学第一定律一、热力学第一定律可表述为：热可以转变为功，功也可以转变成热；一定量的热消失时，必然伴随产生相应量的功；消耗一定量的功时，必然出现与之对应量的热。

第一类永动机（可以不消耗能量而连续作功）是造不成的。二、热力学能热力学能是工质微观粒子所具有的能量。对于不包括化学反应和核变化的简单可压缩系统，热力学能仅包括分子的内动能和分子的内位能。

U=U(T,V)

单位质量工质的热力学能称为比热力学能

三、热力学第一定律基本表达式

加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dE或EE+dE定义dU=

Q-

W

内能U

状态函数

Q=dU+WQ=U+W闭口系热一律表达式两种特例：

绝功系

Q=dU

绝热系

W=-dU四、闭口系循环的热一律表达式闭口系基本能量方程式

闭口系：

忽略宏观动能Uk和位能Up，第一定律第一解析式—功的基本表达式热讨论：

对于可逆过程39门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱40以房间为系统

闭口系闭口系能量方程T空调QAir-conditioner门窗紧闭房间用空调降温41自由膨胀一刚性绝热容器，抽去隔板，求△U解：取（A+B）为热力系

—闭口系？开口系？?强调：功是通过边界传递的能量！Q=△U+WQ=0W=0△U=0即U1=U242

如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？例题：43例题：解（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，则44（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量外界对气体做功热量为负值，表示该过程为放热过程。例题：五、稳定流动能量方程稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。2）ΔECV=0，ΔSCV=0，ΔmCV=0ּ···

稳定流动系统定义：系统内部各点状态参数不随时间变化的流动系统。稳定流动系统的能量方程;

：轴功若流入、流出系统的工质为单位质量，则有：焓：H=U+PV

比焓:h＝u+pv焓是状态参数，在开口系中，焓表示流入（流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。六、稳定流动能量方程式的应用1.叶轮式机械(1)蒸汽轮机

流进系统：

流出系统：内部储能增量：0(2)压气机，水泵类流入流出内部贮能增量0(2)压气机，水泵类2.换热器（锅炉、加热器等）

流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差３、节流与外界交换热量忽略不计q=0，忽略动能差、位能差，与外界无功量交换：第三节

热力学第二定律一、热力过程的方向性

经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如：

1、热功转化功转换成热的试验。如图，重物下降，搅动容器中的流体使流体温度升高，但不能让流体自动冷却而产生动力把重物举起。即重物下降能使流体温度升高，但流体温度降低不能使重物上升

１、热—功转换的方向性

热功转换模拟图A物体B物体2、热量传递的方向性AB热量传递的方向性图热量传递方向真空3、

自由膨胀与压缩过程的方向性４、混合与分离过程的方向性上述诸现象说明自然过程具有方向性，即只能自发地向一个方向进行，如果要逆向进行，就必须付出代价，或者说具备一定的补充条件，即自然过程是不可逆的。自然过程的方向性

由于人们分析问题的出发点不同，所以“热力学第二定律”有各种各样的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。

二、热力学第二定律的表述1、克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。2、开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。(第二类永动机是不可以实现的)

“克氏”是从传热的角度出发，“开氏”是从功热转换的角度出发。二、热力学第二定律的表述１、卡诺循环卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环，它是由四个可逆过程组成：一个可逆热机在二个恒温热源间工作。三、卡诺循环和卡诺定理d－a可逆绝热压缩a－b

T1下的可逆等温吸热Q1

b－c可逆绝热膨胀

c－d

T2下的可逆等温放热Q2循环热效率：重要结论：（1）效率只取决于、，提高和降低都可以提高热效率；（2）循环效率小于1：（3）当=时，=0，所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的。实际循环不可能实现卡诺循环原因：a）一切实际过程不可逆；b）气体实施等温吸热，等温放热困难；c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微。２、卡诺定理定理一：

在相同温度的高温热源(T1)和相同温度的低温热源(