工程热力学：第一章 基本概念 (2)

1、南京航空航天大学第一章第一章 基本概念基本概念南京航空航天大学本章基本本章基本要求要求了解几种典型热力系统的工作原理掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系统、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。南京航空航天大学1-1 热能与机械能的相互转换的过程热能与机械能的相互转换的过程南京航空航天大学热能动力装置热能动力装置热能动力装置分为两大类：热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）燃气动力装置（内燃机

2、、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）热能热能机械能机械能化学能化学能从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。南京航空航天大学内燃机工作过程内燃机工作过程n 内燃机（汽油机）内燃机（汽油机）燃气燃气热能热能机械能机械能燃料燃料化学能化学能排入大气排入大气能量转换：能量转换：南京航空航天大学航空发动机工作过程航空发动机工作过程n 燃气轮机燃气轮机燃气燃气热能热能机械能机械能燃料燃料化学能化学能排入大气排入大气能量转换：能量转换：南京航空航天大学7n 蒸汽轮机蒸汽轮机l燃料在锅炉中燃料在锅炉中燃烧燃烧，加热加热水，变为蒸汽，并水，变为蒸汽，并过热过热，化学能转为热能化

3、学能转为热能l高温高压高温高压蒸汽膨胀推动汽轮机作功蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）（机械能）l作功后的乏汽进入冷凝器，冷凝成水，并由泵送入锅炉加热作功后的乏汽进入冷凝器，冷凝成水，并由泵送入锅炉加热热力发电站工作过程热力发电站工作过程南京航空航天大学n 不同点：不同点：结构、工作特性不同结构、工作特性不同1.1. 存在存在媒介物质媒介物质获得能量（如内燃机中混合气，蒸汽轮机中的获得能量（如内燃机中混合气，蒸汽轮机中的水）水）2.2. 存在能提供热能的存在能提供热能的热量源热量源；3.3. 余下的热能排向余下的热能排向环境介质环境介质n 相同点：相同点：n 结论结论 各种热机都存在以下相同的热

4、力过程：各种热机都存在以下相同的热力过程：吸热、膨胀吸热、膨胀作功和排热作功和排热两类热能动力系统的对比两类热能动力系统的对比南京航空航天大学工质工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）热源（高温热源） ：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）冷源（低温热源） ：接受工质排出热能的物系。南京航空航天大学工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。热能动力装置的工作过程热能动力装置的工作过程热源热源冷源冷源热机热机作功作功吸热吸热放热放热南京航空航天大学1-2 热力系统热力系统南京航空航天大学为了研究问题方便，热力学通常选取一定的工质或空间作

5、为研究对象，称为热力系统。热力系统的定义热力系统的定义系统完全由研究者自系统完全由研究者自己来设定。己来设定。我的系统，听我的！我的系统，听我的！南京航空航天大学热力系统的定义热力系统的定义外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质边界边界( (界面界面) )：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界南京航空航天大学界面可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可是移动的；可以是规则边界，也可以不规则曲面围成。热力系统的定义热力系统的定义南京航空航天大学热力系统的定义热力系统的定义南京航空航天大学思思 考考 系统和外界通过边界会有哪些

6、系统和外界通过边界会有哪些相互作用？相互作用？南京航空航天大学热力系统的分类热力系统的分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况开口系统开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积（control volume )闭口系统闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量 (Control mass ) 绝热系统绝热系统：系统与外界无热量交换(adiabatic system )孤立系统孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换 (isolated system)南京航空航天大学以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口

7、系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系热力系统的分类热力系统的分类南京航空航天大学闭口系统是指系统本身质量不改变的系统。闭口系统是指系统本身质量不改变的系统。开口系统的质量一定会发生改变。开口系统的质量一定会发生改变。孤立系统的质量不可能发生改变。孤立系统的质量不可能发生改变。闭口绝热系统的温度不可能改变。闭口绝热系统的温度不可能改变。例例 题题南京航空航天大学简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的系统最重要的系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和一

8、种和一种准静态的容积变化功准静态的容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功南京航空航天大学1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数南京航空航天大学工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的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称为宏观物理状况称为热力学状态热力学状态，简称，简称状态状态。状态参数：状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。热力学状态与状态参数热力学状态与状态参数 南京航空航天大学状态状态和状态参数和状态参数 系统状态参数的全部或一部分发生变化，即表系统状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物

9、质的状态变化也必然可明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。 南京航空航天大学状态参数的特征：1 1、单值性单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2 2、状态参数的变化量、状态参数的变化量与路径无关与路径无关，只与初终态有关，只与初终态有关状态状态和状态参数和状态参数南京航空航天大学状态参数的积分

10、特征状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数1 2ab 0dz例：温度变化山高度变化point function南京航空航天大学状态参数的微分特征状态参数的微分特征设 z =z (x , y)yxzzdzdxdyxy充要条件：22zzx yy x 可判断是否是状态参数南京航空航天大学状态参数状态参数基本状态参数：基本状态参数：压力、温度、比体积压力、温度、比体积不可测参数：不可测参数： 热力学能、焓、熵等热力学能、焓、熵等复合参数：复合参数： 吉布斯函数、亥姆霍兹函数吉布斯函数、亥姆霍兹函数 南京航空航天大学状态参数状态参数强度量强度量：与系统质量无关

11、，如与系统质量无关，如P P、T T。强度。强度量不具有可加性。量不具有可加性。广延量广延量：与系统质量成正比，如与系统质量成正比，如V V、U U、H H、S S。广延量具有可加性。广延量的比参数。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。有强度量的性质，不具有可加性。南京航空航天大学基本状态参数基本状态参数温度温度一般定义一般定义宏观上：物体冷热程度的标志宏观上：物体冷热程度的标志微观上：衡量分子平均微观上：衡量分子平均动能动能的度量的度量热力学定义热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某

12、处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量就是就是温度温度南京航空航天大学温度温度T T 的微观意义的微观意义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m v 2负的开尔文温度?T=0 0.5mv 2=0 分子一切运动停止，零点能南京航空航天大学物理意义物理意义标志物体冷热程度；其高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱热平衡状态的判据，即温度相等 热平衡热力学第零定律热力学第零定律如果两个物体中的每一个都如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平分别与第三个物体

13、处于热平衡，则这两个物体彼此也必衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡处于热平衡 温度测量的理论依据温度测量的理论依据C基本状态参数基本状态参数温度温度南京航空航天大学为什么叫做热力学第为什么叫做热力学第零零定律定律热力学第热力学第零零定律定律 19311931年年 热力学第热力学第一一定律定律 18401840 18501850年年 热力学第热力学第二二定律定律 18541854 18551855年年 热力学第热力学第三三定律定律 19061906年年南京航空航天大学定义定义：温标是指温度的数值表示法测温物质及其测温属性测温物质及其测温属性基准点基准点分度方法分度方法温标三要素温标三要素：任选一

14、种物质的某一测温属性，采用以上温标的任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为规定所得到的温标称为经验温标经验温标，经验温标依赖，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标立一种不依赖于测温物质的性质的温标, ,即即热力热力学绝对温标学绝对温标。 温温 标标南京航空航天大学 开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。 符号为T，单位为K(称“开尔文”)。 规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.1

15、6K。William Thomson KELVIN热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）南京航空航天大学 摄摄 氏氏 温温 标标 1742年瑞典人摄氏(Anders celsius)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t、单位。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，把水的三相点定为273.16K，0.01。则0273.15K，t()=T(K)-273.15摄尔修斯 1701-1744 Anders CELSIUS 南京航空航天大学华氏温标与摄氏温

16、标的华氏温标与摄氏温标的换算关系为换算关系为： t()= 0 = 32 oF 100 = 212oF32)(95FtoF 1724年由德国人华氏（ Daniel Gabriel Fahrenheit ）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF ，单位 F。华伦海特1686-1736Daniel Gabriel Fahrenheit华华 氏氏 温温 标标南京航空航天大学Comparison of temperature scales.Celsius scaleKelvin s

17、caleFahrenheit scaleRankine scale温温 度度 转转 换换南京航空航天大学日常日常：水银温度计，酒精温度计，：水银温度计，酒精温度计， 工业工业：热电偶：热电偶 热电阻热电阻 辐射温度计辐射温度计测测 温温南京航空航天大学热电偶工作原理热电偶工作原理南京航空航天大学 压力P 单位面积上的垂直作用力称为压力，它是表征宏观系统力平衡性质的平衡状态参数。AFP 分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果的平均结果。基本状态参数基本状态参数压力压力南京航空航天大学国际标准单位：帕斯卡(简称帕) 符号：Pa 1Pa=1N/

18、m2标准大气压（atm , 也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O) 工程单位：工程单位：压力的单位压力的单位南京航空航天大学各压力单位之间的换算关系各压力单位之间的换算关系南京航空航天大学压压 力力 p p 测测 量量压力表中显示的压力即为状态参数？注意：只有绝对压力 p 才是状态参数液柱式弹簧式南京航空航天大学绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当 p pb表压力 peebppp当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。“突然突然”，“缓慢缓慢”南京

19、航空航天大学建立准平衡过程的好处建立准平衡过程的好处1)1)有确定的状态参数变化描述过程有确定的状态参数变化描述过程2)2)在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程南京航空航天大学 系统经历某一过程后，如果能使系系统统与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不留不留下任何痕迹下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。可逆可逆reversiblereversible过程过程南京航空航天大学 可逆过程必须是准平衡过程可逆过程必须是准平衡过程，即必须在势差足够小、变化足够慢的条件下进行。这样，每个中间状态都可以看作是平衡状态。

20、而且，一旦改变势差的方向，即可改变过程的方向。可逆过程必须满足的条件可逆过程必须满足的条件 I I南京航空航天大学 可逆过程中不存在任何耗散效应可逆过程中不存在任何耗散效应，如摩擦、扰动、电阻、永久变形等。即可逆过程是无耗散效应的准静态过程。可逆过程必须满足的条件可逆过程必须满足的条件IIII南京航空航天大学可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 不平衡势差不可逆根源 耗散效应 耗散效应南京航空航天大学常见的不可逆过程常见的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2

21、Q节流过程节流过程 (阀门）p1p2p1p2南京航空航天大学常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空南京航空航天大学引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化理想化过程， 但并非最优最优过程，可逆过程是最优最优过程。 可逆过程的功与热完全完全可用系统内系统内工质 的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想理想情况（可逆过程可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正修正。南京航空航天大学可逆过程和准平衡过程的区别可逆过程和准平衡过程的区别? ?思思 考考南京航空航天大学准平衡过程与可逆过程的区别准平衡过程与可逆过程的区别准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以有耗散效应。可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作用可以无条件逆复，过程完成时不能存在任何能量上的耗散。可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是