《工程热力学》第一章 基本概念

1、1,第一章 基本概念,Basic Concepts and Definition,1-1 热力系统,1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-3 平衡状态,1-4 工质的状态变化过程,1-5 功和热量,1-6 热力循环,2,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。,对工质的要求:,物质三态中 气态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,3,三、热源(heat source; heat reservoir),定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。

2、, 高温热源热源 （ heat source ） 低温热源冷源（heat sink）,4,研究方法 主要内容：热一热二、工质的热力性质、热工设备的工作过程分析。 发展简史 瓦特 卡诺 克劳修斯及汤姆逊,5,1-1 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界, 系统(thermodynamic system, system),将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，成为热力系统，简称系统。, 外界(surrounding )：,边界以外与系统相互作用的物体, 边界(boundary)：,分隔系统与外界的分界面（线）。,一、定义,6, 汽缸-活塞装置（闭口系例）,7, 移动

3、和虚构边界,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,8,三、热力系统的分类,按组元数 单元系：由一种化学成分组成的系统，例如纯水、纯氧、 纯氮等。 多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统 注：空气在不发生相变时，其化学组成不变，常可当作纯物质看待。,2.按相数 单相系：由单一物相组成的系统 复相系：由两个相以上组成的系统，如固、液、气组成 称三相系统,1. 按组元和相,9,闭口系（closed system） （控制质量CM） 没有质量越过边界,开口系（open system） （控制体积CV） 通过边界与外界有质

4、量交换,2. 按系统与外界质量交换,10,1）闭口系统与系统内质量不变的区别； 2）孤立系统与绝热系统的关系。,注意：,绝热系统（adiabatic system） 与外界无热量交换; 孤立系统（isolated system） 与外界无任何形式的质能交换。 一切热力系统连同与之相互作用的外界可抽象为孤立系统。,3. 按能量交换,11,四、热力系示例,1刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,红线内 闭口绝热系,黄线内不包含电热丝 闭口系,黄线内包含电热丝 闭口绝热系,蓝线内 孤立系,12,1-2 工质的热力学状态和基本状态参数,热力学状态（state of thermodynamic sys

5、tem） 系统宏观物理状况的综合 状态参数（state properties） 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，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如,一、热力学状态和状态参数,二、状态参数的特性和分类,13,2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（extensive property） 强度量（intensive property ）,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(比参数)。,14,平衡状态,1、平衡状态是指组成热力系统各个部分之间 a

6、：无热量传递（温度均匀一致）热平衡 b：无相对位移（压力均匀一致）力平衡 c：若存在化学反应，应包括化学平衡 2、热力系统当处于平衡状态时各参数都有确定的值。 3、热力平衡状态系统只要不变外界影响，它的状态就不会随时间变化，平衡也不会自动被破坏。 4、处于不平衡状态的系统，在没有外界影响下总会自发趋于平衡。,15,状态方程式,对于由气态工质所组成的热力系统，当处于平衡状态时，各部分具有相同的状态参数，例P、V、T等这些参数并不是不相关的。 例如：当V一定时，TP 当P一定时，TV 若V、P一定，则T一定，则状态被确定，即只要两个状态参数确定，其它参数也确定了。 T=f(P、V) V=f（T、P

7、） P= f（T、V） 对于平衡状态，这三个基本参数间总有一定的关系F(P、V、T)=0，这个关系式即为气体的状态方程式。,16,四、温度和温标（temperature and temperature scale）,温度的定义 测温的基础热力学零定律 热力学温标和国际摄氏温标,17,华氏温标和朗肯温标,华氏温标和摄氏温标,附：,T R=t +459.67,t =5/9t -32 t =9/5t +32,18,五、压力(pressure),压力的定义 绝对压力 p(根据p=F/或 ) 表压力 pe（pg） 真空度 pv,当地大气压pb,19,常用压力单位：,例A4001441,20,六、比体积和

8、密度,比体积(specific volume),单位质量工质的体积,密度(density),单位体积工质的质量,两者关系:,21,1-3 平衡状态,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（thermal equilibrium） ： 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（mechanical equilibrium）： 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。,热力平衡的必要条件 系统热平衡和力平衡。,一、平衡状态（thermodynamic equilibrium state）,22,三、纯物质的状态方程,状态方程,1理

9、想气体状态方程,Rg 气体常数 （gas constant）,R通用气体常数,摩尔质量,23,四、 状态参数坐标图（parametric coordinates）,一简单可压缩系用两个独立参数可确定其平衡状态，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：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,24,一、准静态过程,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,1-4 工质的状态变化过程,25,

10、二、可逆过程( reversible process),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两者区别：,可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程,26,非准静态过程,准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,作功过程,p,F,f,pb,27,1.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 3.一切实际过程不可逆 4.可逆过程可用状态参数图上实线表示,讨论：,补充习题：,一容器被一刚性壁分为两部分，如图所示。压力表D读数为175kPa，C读数为110kPa，如大气压为97kPa

11、，试求表A的读值。,气体初态p1=0.5MPa，v1=0.172m/kg，按pv=常数的规律，可逆膨胀到p1=0.1MPa，试求膨胀工。,30,一、功(work)的定义和可逆过程的功,1功的力学定义,2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。,3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,1-6 功和热量,31,系统对外作功为“+” 外界对系统作功为“-”,5功和功率的单位：,附：,4功的符号约定：,32,6讨论,有用功(useful work)概念,其中: W膨胀功 Wl摩擦耗功； Wp排斥大气功。,pb,f,例A7001331,33

12、,三、热量（heat）,1定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。,2符号约定：系统吸热“+”； 放热“-”,3单位：,4计算式及状态参数图,热量是过程量,（T-s图上）表示,34,四、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；,4.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能量。,功,2.均为过程量；,热是无条件的；,热,功是有条件、限度的。,35,第五节 热力循环,分析循环的目的,在热力学基本定律的基础上分析循环能量 转化的经济性，寻求提高

13、经济性的方向及途径。,分析循环的一般步骤,1.实际循环（复杂不可逆）可逆理论循环,抽象、简化,影响经济的主要因素和可能改进途径,分析可逆循环,指导改善,实际循环,2.分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失 的部位、大小、原因及改进方法。,36,三、动力循环（正循环）（power cycle; direct cycle ）,输出净功； 在pv图及Ts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。,动力循环：工质连续不断地将高温热源取得的热量 一部分转换成对外的净工。,研究目的：合理安排循环，提高热效率。,蒸汽动力循环,蒸汽动力循环是正循环，以蒸汽为工质，将蒸汽的热能 在动力装置中转换为机械功的循环。,蒸汽的卡诺循环,朗肯循环,1.工作原理,正循环中热转换工的经济性指标,循环热效率：,其中： q1工质从热源吸收的热量 q2工质向冷源放出的热量 w0循环所做的净工 w0=q1-q2,42,四、逆循环 以获得制冷量为目的制冷循环 以获得供热量为目的热泵循环,制冷循环工质从冷源吸取热量q2,热泵循环工质将从冷源吸收的热量q2，连同 循环中消耗的净工w0，一并向较高温度的供热系统供给热量q1，其中q1=q2+w0,逆循环的经济指标：,工作