石油大学热工学第2章1基本概念

1、第一节 热能转换的基本概念,基本知识点： 热力系统、工质 平衡状态、状态参数及基本状态参数 热力过程、准静态过程 、可逆过程 功量和热量 热力循环,一、热力系统、状态与状态参数,（一）热力系与工质 1.热力系 分析热力现象时，根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象 称为热力系统，简称热力系或系统。 外界热力系以外的物体（有相互作用的） 边界热力系与外界的交界,边界的特点,可以是真实的，可以是假想的。,可以是固定的，可以是运动的；,系统与外界通过边界进行物质和能量的交换,固定、真实,移动的,固定、真实,假想的,4, 移动和虚构边界,热力系统选取的人为性,B,T,P,发电

2、机,给水泵,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,C,热量,无能量交换,电能,热力系统的选取，决定于所提出的研究任务。 可以是一群物体、一个物体或物体的某一部分。 可以是很大，也可以很小。 但不能小到只含少量分子，以至不能遵守统计平均规律。 同一物理现象，由于划分系统的方式不同而成为不同的问题。,教材P55 习题2-6,刚性绝热,热力系的分类,根据热力系统与外界相互作用情况 闭口系与外界没有物质交换的系统 （质量不变，控制质量CM） 开口系与外界有物质交换的系统 （通常划在一定的空间范围内，控制体积CV） 绝热系统与外界没有热量交换的系统 孤立系统与外界没有任何能量和物质交换的热力系

3、 （一切相互作用均发生在孤立系统内部）,非孤立系相关外界孤立系,1 开口系,热力系统,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,9,系统及边界示例, 汽车发动机,开口系统,10, 汽缸-活塞装置 （闭口系统）, 喷气式发动机 （开口系统）,简单可压缩系,热力系由可压缩流体构成，与外界只有热量和一种容积变化功的交换。 最重要的系统,容积变化功,压缩功膨胀功,热 源,与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度有较大变化的热力系统。 根据热源温度的高低和作用分为： 高温热源（热源） 低温热源（冷源）,热源,冷源,例：锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等,例：大气环境、冷却水等

4、,热源的概念,在能量转换过程中与工质有热量交换的物体。 高温热源温度较高的物体，简称热源 例如锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等 低温热源温度较低的物体，简称冷源 例如环境大气、冷却水等 可以是恒温，也可以是变温的.,“抽象-简化”,热力系统其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,单元系 多元系,相态,单相 多相,2. 工质,定义：用来实现能量相互转换的媒介物质。 工质是实现能量转换必不可缺少的内部条件。 要求: 1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取 物质三态中，气态最适宜。 例如：空气、燃气、烟气、水蒸气、氟里昂等都是常用的工质。

5、 不同性质的工质对能量转换有直接影响。,（二）平衡状态,1、热力状态 热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况，简称状态 。 热力系可以呈现不同的状态，其中具有特别意义的是平衡状态。,2、平衡状态,定义：在没有外界影响（重力场除外）的条件下，热力系统的宏观性质不随时间而变化的状态。 充要条件：系统内部以及系统与外界之间各种不平衡势差的消失是系统建立起平衡状态的充要条件。,温差热量传递,温差消失热平衡,力差相对位移,力差消失力平衡,化学势差有相变或化学反应,化学势差消失化学平衡,处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度、压力等参数，可用确定的压力、温度等宏观的物理量来描述。,稳定状态（稳态） 均匀状

6、态 系统与外界之间,（三）状态参数和基本状态参数,1、状态参数 用于描述工质所处状态的宏观物理量。 如压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等。 状态参数的特征： 1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然。 2）状态参数的积分特征：状态参数的变化只取决于给定的初态与终态，而与中间所经历的一切中间状态或路径无关 。 3）状态参数的微分特征：全微分,点函数,1,a,b,2,（三）状态参数和基本状态参数,1、状态参数 描述热力系状态的宏观物理量。 状态与状态参数的关系： 1）状态确定，则状态参数也确定；若状态发生变化，则至少有一种状态参数会随意改变。 2）状态参数一旦确定，则状态确定；若状态参数

7、发生变化，表示状态改变。 3）状态参数的数值仅决定于系统的状态，而与达到该状态所经历的途径无关。,工质的状态参数,状态参数的数学特性,系统的状态参数是其状态的单值函数。 在数学上表现为点函数，其微分是全微分。 1 积分特征 点函数 2 微分特征 全微分,1,2,a,b,状态参数的分类,（1）强度量参数 给定状态下，与系统内所含工质的数量无关。 如压力 p、温度T等 （2）广延量参数 给定状态下，与系统内所含工质的数量有关。 如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 具有可加性,（3）比参数 单位质量的广延量参数、具有强度量参数的性质。 用相应的小写字母表示: 如比体积v、比热力学能 u、比焓

8、 h、比熵s,2、基本状态参数,压力 p、温度 T、比体积 v 可以直接并容易用仪器测定。 非基本状态参数依据基本状态参数间接地导出。,密度 单位体积工质的质量，用符号表示，单位kg/m3。,（1）比体积,单位质量的工质所占的体积，用符号v表示，单位m3/kg。 比体积v反映了工质聚集的疏密程度。,比体积和密度互为倒数，通常以比体积作为状态参数。,（2）压力,单位面积上所受的垂直作用力。 国际单位：帕斯卡，简称帕【Pa】 1 Pa=1 N/m2 1 MPa =106 Pa 1kPa = 103 Pa 其它单位： 巴bar 1 bar = 105 Pa 标准大气压atm 1 atm = 1.01

9、3105 Pa 毫米汞柱mmHg 1 mmHg =133.3 Pa 毫米水柱mmH2O 1 mmH2O9.8067 Pa 工程大气压at 1 at = 9.80665104 Pa 工质的真实压力称为绝对压力，用p表示。,压力p测量,压力计（压力表或真空表） 处于大气环境中，测量值为工质绝对压力与环境压力的差值。,压力表,真空表,测量值,表 压 力,真 空 度,当 p pb,表压力 pg,当 p ,有足够时间恢复新平衡,2、可逆过程,定义如果系统完成某一过程后，在沿原来的路线逆向进行时，能使系统与外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。 特征： 首先是准平衡过程； 其次无任何

10、耗散效应。 表示： 在状态参数坐标图中，用实线描绘。,（通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应）,（有限势差存在必导致不可逆）,可逆过程实现的充要条件 准平衡过程 + 无任何耗散效应,涉及到热力过程能量传递的计算时，必须引出：,引入可逆过程的意义,准平衡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（不引起任何能量损失）。 可逆过程的功量与热量完全可以用系统状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系。 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）分析处理，然后考虑不可逆因素用一些经验系数加以修正。,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,思考题：,容器为刚性绝热，

11、抽去隔板， 重又平衡，过程性质？,逐个抽去隔板，又如何？,（二）功量和热量,1、 功（W，w） （1）定义 在热力学中，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。,力学中：,功与过程进行的性质、路径有关； 功是过程量，不是状态参数！,热力学规定：系统对外界做功时，取为正值； 外界对系统做功时，取为负值。,单位：J（焦耳） 1J=1 N.m 1kJ=1000 J,（2）可逆过程的体积变化功,定义： 直接由系统体积变化和外界发生作用而传递的功. 意义： 在热力学中，热和功的相互转换是通过气体的体积变化功 (膨胀功或压缩功)来实现的。 计算公式推导：,dx,p,pou

12、t,对于m kg工质：,1,2,（3）示功图,p,V,.,1,2,.,mkg工质,W = pdV,1kg工质,w = pdv,可逆过程的功可由系统的状态参数计算，不需考虑往往未知的外界参数。 热力学约定： 正值代表气体膨胀对外做功； 负值代表外界压缩气体耗功。,W,dV,p,功是过程量， 与过程进行的路径有关。,可逆过程的功量可用压容图上热力过程线下面的面积来表示。,p-v图,p-V图,2、热量,（1）热量的定义 热力系统与外界之间依靠温差传递的能量，即在温差的推动下，通过微观粒子的无序运动方式传递的能量。 热力学中规定： 系统吸热时热量取正值；系统放热时热量取负值。,物理学中，利用比热容c计算：,单位 J 或 kJ,（2）可逆过程的热量计算公式,是否可以用类似于功的表达式？,？,引入“熵”,热量与体积变化功,能量传递方式 体积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力（势） 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,计算公式,条件 可逆 可逆,（3）状态参数熵（ Entropy）,可逆 reversible,熵的引入,kJ/(kgK) 比熵,可逆微元过程的热量除以传热温度T所得的商。,清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,kJ/K 广延量,熵的说明,1、熵是状态参数 2、符号规定 系统吸热时为正 Q 0