《发电厂热力设备及系统》第一章 热力学基本概念

1、一、热力系统（热力系、系统、体系）、 外界和边界、定义： 系统：人为分割出来，作为热力学系统：人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统研究对象的有限物质系统 外界外界：与体系发生质、能交换的与体系发生质、能交换的物系。物系。 边界：系统与外界的分界面边界：系统与外界的分界面（线）。（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第一节热能转换的基本概念2 汽车发动机汽车发动机3 汽缸-活塞装置（闭口系例） 移动和虚构边界移动和虚构边界 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）边界可以是：）边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的）刚性的或可变形的或有弹性的 b）

2、固定的或可移动的）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的）实际的或虚拟的注意： 闭口系闭口系 （控制质量（控制质量CM） 没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系 （控制体积（控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换、 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；）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；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：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。换容积变化功的

3、有限物质系统。绝热系 与外界无热量交换与外界无热量交换; 孤立系 与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。按能量交换、 系统分类：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 闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 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1234mQW1 开口系开口系 热力系统非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系 热力学状态 系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数 描述物

4、系所处状态的宏观物理量描述物系所处状态的宏观物理量 SHUTVp, (1)状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，应，只有只有平衡态平衡态才有状参，系统有才有状参，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如二、热力学状态和状态参数、状态参数的特性和分类、状态参数的特性和分类(2)状态的单值函数。状态的单值函数。 物理上物理上与过程无关；与过程无关； 数学上数学上其微量是全微分。其微量是全微分。1 21 2d0ddbaxxx(3)状态参数分类状态参数分类 广延量广延量（extensive property） 强度量强度量（intensive proper

5、ty ） mVv 又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积又：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。工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。、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：系统两个状态相同的充要条件： 所有所有状态参数一一对应相等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：简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等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

6、在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处温处处温度相等。度相等。力平衡： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外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。界处处压力相等。热力平衡的热力平衡的充要条件 系统同时达到热平衡和力平衡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）系统平衡与均匀2）平衡与稳定平衡与稳定 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡状态方程状态方程0,Tvpf1理想气体状态方程 gpvR T23Pa N/mm /kgKpvTgpVmR TnRTpV Rg 气体常数气体常数R通用气体常数通用气体常数 J/(kg K)8.

7、3145J/(mol K)R gRMR摩尔质量摩尔质量状态方程状态方程对简单可压缩热力系统，参数服从一定的关系；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：标上找到对应点，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO、准静态过程(准平衡过程） 定义：定义：偏离平衡态无穷小，随时偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程恢复平衡的状态变化过程。进行条件进行条件： 破坏平衡

8、的势破坏平衡的势 Tp ,过程进行无限缓慢过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用准静态过程可在状态参数图上用连续实线连续实线表示表示无穷小无穷小六、工质的状态变化过程 、可逆过程定义定义：系统可经原途径返回原来状系统可经原途径返回原来状 态而在外界不留下任何变化态而在外界不留下任何变化 的过程的过程。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非准静态过程 准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准静态过程，可逆bcospAFfp AbcospAFfp Abcos(0)pAFp AfpFfpb 1.

9、1.可逆可逆= =准静态准静态+ +没有耗散效应没有耗散效应 2.2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于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系统内部及系统与外界作用的总效果 3.3.一切实际过程都不可逆一切实际过程都不可逆 4.4. 可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论：、功的定义和可逆过程的功、功的定义和可逆过程的功 功的力学定义功的力学定义 沿力的方向的位移与力的乘积沿力的方向的位移与力的乘积 功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。效果可表现为举起重物。

10、可逆过程功的计算可逆过程功的计算212211ddWWpA xp V功是过程量功是过程量功可以用功可以用p- -v图上过程线图上过程线与与v轴包围的面积表示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：功和功率的单位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ功的符号约定：讨论讨论有用功概念有用功概念pluWWWW其中其中:W膨胀功膨胀功 Wl摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大气功。排斥大气功。pbf、热量定义：定义：仅仅由于温差而通过边界传递仅仅由于温差而通过边界传递的能量的能量。符号约定：系统吸热符号约定：系统吸热“+”； 放热

11、放热“-”单位：单位： JkJ计算式及状态参数图计算式及状态参数图21d(dQT SQT S可逆过程）热量是过程量（T-s图上）表示图上）表示、热量与功的异同： （1 1）. .均为通过边界传递的能量；均为通过边界传递的能量； （3 3）. .功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；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；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；功功（2 2）. .均为过程量；均为过程量；热是无条件的；热是无条件的；热热功是有条件、限度的功是有条件、限度的。、定义、定义： 封闭的热力过程封闭的热力过程 特性特性：一切状态参数恢复

12、原值一切状态参数恢复原值，即d0 x 、可逆循环与不可逆循环可逆循环与不可逆循环、动力循环（正向循环）输出净功；输出净功；在在pv图及图及Ts图上顺时针进行；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。膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。汽轮机汽轮机水泵水泵冷凝器冷凝器锅炉锅炉、动力循环（正向循环）、逆向循环 制冷循环制冷循环 热泵循环热泵循环 一般地讲：输入净功；一般地讲：输入净功； 在状态参数图逆时针运行；在状态参数图逆时针运行； 吸热小于放热。吸热小于放热。蒸发器蒸发器压气机压气机冷凝器冷凝器节流阀节流阀吸收低温吸收低温处的热量处的热量向外界环向外界环境散失热境散失热量量

13、MM、逆向循环 动力循环：动力循环： 热效率热效率逆向循环：逆向循环： 制冷系数制冷系数供暖系数供暖系数1netqw九、循环经济性指标：nett1wq2netqw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；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，必然出现与之的功；消耗一定量的功时，必然出现与之对应量的热。对应量的热。第一类永动机第一类永动机（可以不消耗能量而连续作（可以不消耗能量而连续作功）是功）是造不成造不成的。的。二、热力学能热力学能是工质微观粒子所具有的能热力学

14、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。能和分子的内位能。U=U(T,V)U=U(T,V) 单位质量工质的热力学能称为比热力学能单位质量工质的热力学能称为比热力学能mUu 加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和= 热力系热力系总储存能的增量总储存能的增量EE+dEi imeQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e内部贮能的增量内部贮能的增量：dEtotdjjiiQEe me mW 或

15、21totjjiiQEe me mW EE+dEi imeQWjjm ed定义定义 d dU = U = Q - Q - WW 内能内能U U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系热一律表达式闭口系热一律表达式两种特例：两种特例： 绝功系绝功系 Q Q = d = dU U 绝热系绝热系 W W = - d= - dU U 闭口系基本能量方程式21totjjiiQEe me mW 闭口系：闭口系： 00ijmm忽略宏观动能忽略宏观动能U Uk k和位能和位能U Up p，EU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达

16、式热热讨论：讨论： 对于可逆过程对于可逆过程ddQUp VddQUWQUWquwquw 3939T电电冰冰箱箱QU W 0W 0UW0Q 4040T空空调调 QAir-conditionerQU W 0W0QUQ WQW4141Q=W=0U=0 即即 U1=U242424343)(452570212121kJWQUaaakJUUba452121)(454590212121kJUQWbbb4444kJUc4512kJW30)(753045121212kJWUQccc五、稳定流动能量方程稳定流动特征稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。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

17、化。）各截面上参数不随时间变化。2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0? 稳定流动稳定流动系统系统定义：系统内部定义：系统内部各点状态参数不随时各点状态参数不随时间变化的流动系统间变化的流动系统。21QH+2shm cmg zW 21+2shqhcg zw 稳定流动系统的能量方程; shW：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: hu+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1.1.叶轮式机械叶轮式机械(1)(1)蒸汽轮机蒸汽轮机 流进系统：流进系统：1111hvpu

18、流出系统：流出系统：2222s,up vhw内部储能增量：内部储能增量： 0 012sthhww(2)压气机，水泵类流入流入2f111s,2chgzw流出流出2f 222,2chgzq内部贮能增量内部贮能增量 0 0s21whhq(2)压气机，水泵类2.2.换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等） 流入：流入：12221f113f331122mmqhcgzqhcgz流出：流出：12222f 224f 441122mmqhcgzqhcgz内增：内增： 0 0若忽略动能差、位能差若忽略动能差、位能差124312mmqhhhhq、节流n与外界交换热量忽略不计q=0，忽略动能差、位能差，与外界

19、无功量交换：20hhh或第三节 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 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热量传递方向真空3、 自由膨胀与压缩过程的方向性、混合与分离过程的方向性自然过程的方向性 由于人们分析问题的出发点不同，所以由于人们分析问题的出发点不同，所以“热力学第二定律热力学第二定律”有各种各样的说法，有各种各样

20、的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映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，即自然界的了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有一切自发过程有方向性方向性。二、热力学第二定律的表述1 1、克劳修斯说法（克劳修斯说法（18501850）：）： 不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。变化。2 2、开尔文说法（开尔文说法（18511851）：）： 不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而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。不引起其它变化。( (第二类永动机是不可以实现的第二类永动

21、机是不可以实现的) ) “克氏克氏”是从传热的角度出发，是从传热的角度出发，“开氏开氏”是从功热是从功热转换的角度出发。转换的角度出发。二、热力学第二定律的表述、卡诺循环、卡诺循环 卡诺循环是卡诺循环是18241824年法国青年工程师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逆过程组成：一个可逆热机在二个恒温热源间工作。热源间工作。 三、卡诺循环和卡诺定理循环热效率：121TTc重要结论：重要结论：（1） 效率效率 只取决于只取决于 、 ，提高，提高

22、和和降低降低 都可以提高热效率；都可以提高热效率；（2） 循环效率小于循环效率小于1：（3） 当当 = 时时 ， =0，所以借助单一，所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的。热源连续做功的机器是制造不出来的。c2T1T1T2T1T2Tc实际循环不可能实现卡诺循环n原因：原因： a）一切实际过程不可逆；）一切实际过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难；）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输太小，若考虑摩擦，输出净功极微。出净功极微。 、卡诺定理定理一：定理一： 在相同温度的高温热源在相同温度的高温热源(T T1 1)和相同温

23、度的和相同温度的低温热源低温热源(T T2 2)之间工作的一切可逆循环，其热之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪一种工质也无关。哪一种工质也无关。定理二：定理二： 在温度同为在温度同为T T1 1的热源和温度同为的热源和温度同为T T2 2的冷源的冷源间工作的一切不可逆循环间工作的一切不可逆循环 ，其热效率必小于，其热效率必小于可逆循环。可逆循环。01ttcwq01ttcwq01ttcwq211tcTT 结论： 在同样的两个温度不同的热源间工作的在同样的两个温度不同的热源间工作的热机，以可逆热机热效率最大，不可逆热热机，