工程热力学第一章

1、第一章 基本概念Basic Concepts and Definition1-1 热能动力装置 定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。 分类：燃气动力装置: 内燃机 燃气轮机动力装置 喷气动力装置 （一）蒸汽动力装置的工作原理蒸汽动力装置系统简图1-炉子；2-炉墙；3-沸水管；4-汽锅；5-过热器；6-汽轮机；7-喷嘴8-叶片；9-叶轮；10-轴；11-发电机；12-冷凝器；13、14、16-泵；15-蓄水池 （二）内燃机的工作原理内燃机的主要部分为汽缸、活塞。内燃机的主要部分为汽缸、活塞。内燃机工作过程的特点是：燃料内燃机工作过程的特点是：燃料在气缸内燃烧，所产生的燃气直在

2、气缸内燃烧，所产生的燃气直接推动活塞作功。接推动活塞作功。 （三）燃气轮机装置的工作原理燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置，最简单的燃气轮机装置燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置，最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件：压气机、涡轮和燃烧室。包括三个主要部件：压气机、涡轮和燃烧室。不同点：结构和工作方式不同。相同点： 1）存在某一种媒介物质以获得能量，从而具备作功的能力；(内燃机中混合气，蒸汽机中的水） 2）存在能提供热能的能量源； 3）只有一部分热能转变为功，余下的热能排向环境介质。讨论：上述三种热机的比较概括看来概括看来: 吸热、膨胀作功、排热对任何一种热能动力装置吸热、膨胀作功、排热对

3、任何一种热能动力装置都是共同的，也是本质的。都是共同的，也是本质的。1）工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。2）热源：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。高温热源； 低温热源； 恒温热源； 变温热源 两个重要概念：n热能动力装置的工作过程可概括成：工质自高温热源吸热，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。high-temperature sourceEngineLow-temperature sourceAbsorb heatWorkGive out heat1-2 热力系统定义：根据研究问题的需要，人为地选取一定范围内的物质作为热力学分析对象，称其为热力系统。 热

4、力系统以外的物质称为外界；热力系统与外界的交界面称为边界。边界的选取可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可以是运动的；还可以是几种边界的组合。活塞活塞汽缸汽缸管气体气体1122分类： 按系统与外界的质量和能量交换的不同，热力系可分为:闭口系热力系与外界无物质交换。由于系统所包含的物质质量保持不变，亦称为控制质量系统。对于闭口系，常用控制质量法来研究。开口系热力系与外界有物质交换。开口系通常总是取一相对固定的空间，又称为控制容积系统。对于开口系，常用控制容积法来研究。绝热系热力系与外界无热量交换。孤立系热力系与外界无任何能量和物质的交换。简单可压缩系热力系由可压缩流体构成，与外界只有可

5、逆体积变化功交换的系统。工程热力学讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分为均匀系（各部分性质均匀）、非均匀系（各部分性质不均匀）；单元系（由单一的化学成分组成）、多元系（由两种及以上的化学成分组成）。注意事项:1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）闭口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系；按系统与外界之间能量交换的具体情况分：1-3 热力学状态和基本状态参数基本概念:1)热力学状态 热力学系统所处的宏观物理状况。2)状态参数 描述系统热力学状态的宏观物理量，如压力 p、比体积 v、温度T 、 比内能 u、比焓 h、比熵 s 。3)基本状态参数 可

6、以直接测量得到的状态参数 （ p、v、T ） 。注意: 状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。反之， 一组确定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化可表示为（以压力 p 为 例）： 相应地，状态参数的微增量具有全微分的性质，即 基本状态参数：p、v、T1）比体积：v =V/m，单位：2）压力（压强）p ，单位：帕，绝对压力：工质的真实压力，用p表示。 相对压力：压力计显示的压力 注意：表压力 pe（pg） 、真空度 (pv）、大气压力 pb 3m /kg21Pa=1N/m)(ppbbeppp)(bvbppppp弹性

7、弯管式压力计U形管压力计63252N1Pa11MPa=1 10 Pa1kPa=1 10 Pam1bar1 10 Pa1atm101325Pa760mmHg1mmHg133.32Pa1H O9.80665Pamm 附: 常用压力单位：例题第一章A4001441.ppt 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peAA4001441解：61 0 1 3 2 5 P a0 .2 5 4 31 0P a3 5 5 6 0 0 P aBbe Bppp(133.32300) P a355600 P a0.

8、3956 M P aABpHp0.3956MPa0.101325MPa0.2943MPaAbeAeAAbpppppp强调：pb是测压仪表所在环境压力3）温度T ：温度T是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的状态函数。（热平衡的唯一判据） 温标：温度的数量表示法；温标的建立一般需要选定测温物质及其某一物理性质，规定基准点及分度方法。 热力学温标：是建立在热力学第二定律基础上的而完全不依赖测温物质性质的温标（符号为T）。单位：开尔文（K）水的汽、液、固三相平衡共存的状态点为基准点，规定此点的温度为273.15K。 摄氏温标： t / T / K 273.15，即摄氏温度的零点相当于热力学温度的2

9、73.15 K，且温度间隔完全一样，即t= T。 华氏温标：t(F)=9/5t（ ）+32Celsius: Triple point of waterBoiling point of waterAbsolute zero-273.15 0100 Kelvin: K0 K273.15K373.15KFahrenheit: F32F212F100parts100parts180parts各种温标的比较上一节课内容回顾1 1、什么是热能动力装置？热能动力装置可分为哪几类？、什么是热能动力装置？热能动力装置可分为哪几类？2 2、什么是表压力，什么是真空度？、什么是表压力，什么是真空度？3 3、闭口系与

10、外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质、闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系吗？量保持恒定的热力系一定是闭口系吗？4 4、有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量、有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系，对不对，为什么？不可分割，所以开口系不可能是绝热系，对不对，为什么？1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。热力系统没有热量传递热的平衡没有相对位移力的平

11、衡热力平衡状态存在化学反应化学平衡实现热力平衡的充要条件：系统内部及系统与外界各种不平衡势差（力、温度、化学势差）的消失。讨论：1）系统平衡与均匀2）平衡与稳定 稳定未必平衡平衡不一定必须均匀工程热力学只研究系统的平衡状态二、状态方程 简单可压缩热力系平衡态的独立参数只有2个，原则上可选取p、v、T中的任意两个独立参数作为自变量，其余参数为因变量，对于基本状态参数之间的关系可写成： T=T(p,v), p=p(T,v), v=v(p,T)或者也可写作隐函数形式： F=F(p,v,T) 上述关系式称为状态方程式。三、状态参数坐标图 一简单可压缩系的平衡状态只有两个独立参数，所以可用平面坐标图上一

12、点确定其状态，反之热力系任一平衡状态可在平面坐标图上找到对应点。由热力系状态参数所组成的坐标图热力状态坐标图只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3压容（p-v）图温熵（T-s）图压温（p-T）图1-5 工质的状态变化过程一、准平衡过程（准静态过程）弛豫时间：物系由平衡被破坏到建立新平衡所需时间。pv12p1Pout12p 初始状态（平衡点1）： P1=Pout1p 过程中： Pout2=Pout1-P=恒定值p 新的平衡（点2）新平衡建立的条件：平衡的恢复率外界条件的变化率弛豫时间与物性关系：气体的弛豫时间比液体短；粘性大的流体比粘性小的流体长。弛

13、豫时间与平衡恢复率的关系：二者互为倒数。 进行条件： A、物系平衡恢复的速度过程进行的速度（外界条件变化率的大小）p 准平衡过程：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。准平衡过程中，物系随时具有力、热和化学的平衡，因而状态变化的轨迹可用热力状态坐标图上的过程曲线表示。B、过程进行无限缓慢举例：活塞运动速度10m/s气体分子运动速度、 压力波的传播速度几百米/s按准平衡过程考虑注意：无限缓慢不等于静止不动，为准静态过程。二、可逆过程与不可逆过程定义：系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，这一过程称为可逆过程；不满足上述条件的称为不可

14、逆过程。可逆过程实现的条件：无耗散(通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应)的准静态过程。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. 关于可逆与准静态的讨论：1-6 过程功和热量一、功的定义与单位定义：热力系通过边界与外界交换的能量,其全部效果可表现为举起重物。约定：系统对外界作功取正，外界对系统作功为负。单位：1J=1N m比功：单位质量的物质所作的功，w=W/m （J/kg)功率：单位时间完成的功，1W=1J/s WFdx211-2WFdx例如：功率为1KW的

15、发动机，工作1h所作的功为千瓦小时，显然1KW h=3600KJ功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。功不是系统的状态参数，是一个与过程特性有关的过程量。可逆过程的功可以应用系统内部的状态参数计算。Vp12dvdxWnm如果工质是1kg，则所作的比功为：21211pdvwpdvpdVmw21212121pdVpAdxFdxWpdVpAdxFdxW设质量m的气体工质，可逆膨胀：1212pdvw约定：正值代表气体膨胀对外作的功；负值表示外力压缩气体所消耗的功。（dv为负值）ab（1）（2）p 有用功：其中: W 膨胀功； Wl 摩擦耗功； Wr 排斥大气功pbfp 体积变化功：由气态工质组

16、成的简单可压缩系统，当其反抗外力（或在外力作用下）进行膨胀或压缩时，与外界交换的功相应地称为膨胀功或压缩功。lruWWWW由于大气压力可作定值，故VpVVpWbbr)(12而可逆过程不包含任何耗散效应，可用功简化成：)(1221,VVppdVWbreu注意：在不平衡过程中，由于无法确定p=f（v）关系，因而不能用公式(1)、(2) 计算。当系统内部存在扰动和摩擦，使机械能耗散，状态变化复杂。对不平衡或存在摩擦过程，体积变化功常借助于外参数（F和V）来确定。例题第一章A7001331.ppt例题第一章A4002771.ppt总的来说，体积变化功是过程量，计算时必须考虑过程信息：n确定过程性质（能

17、否视为内部可逆过程或可逆过程）n过程种类（确定过程方程（）n选用适当的方法计算用外部参数计算不可逆过程的功用外部参数计算不可逆过程的功21dWpVVpAHpW00?三、过程热量 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“+”；系统放热“-”。 单位：国际制为J (kJ)；公制为cal（kcal）。 计算式及状态参数图21d(dQT SQT S可逆过程）n热量是过程量；n可逆过程热量在图上用过程线下方的面积表示。1cal=1/860W h1cal=4.1868J讨论：热量与功的异同 1.通过边界传递的能量，即能量传递的度量； 1.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；

18、热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；2.功是物系间通过宏观有序运动（有规则运动）的方式传递的能量；作功过程往往伴随能量形态的转化. 功2.过程量；功是有条件的热热是无条件 3.只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量。3.热是物系间通过微观粒子的无序运动（无规则运动）的方式传递的能量；传热过程不出现能量形态的转化.相同点不同点1-7 热力循环 定义：工质由某一初态出发，经历一系列热力状态变化后，又回到初态的热力过程称为热力循环。（例） 特性：一切状态参数恢复原值. 分类：按性质：可逆循环（全部由可逆过程组成的循环）和不可逆循环（含有不可逆过程的循环）；按目的：正向循环（即热动力循环将热能转化为机械能）和逆向循环（即制冷循环或热泵循环将热量从低温热源传给高温热源） 热动力循环（正向循环）膨胀过程：1-2-3，过程功：1-2-3-n-m-1, “+”压缩过程：3-4-1，消耗功：3-4-1-m-n-3 ,“-”循环功：工质完成一个循环后对外作出的净功,wnet，1-2-3-4-1wwnetnRTpVppvv4242n 膨胀过程线位置高于压缩过程线n