第1章基本概念

1、第一章第一章 基础概念基础概念 什么是工质什么是工质？v定义：实现能量转化的媒介物质定义：实现能量转化的媒介物质v制冷工程中又称为制冷剂制冷工程中又称为制冷剂v对工质的要求对工质的要求: :1 1）膨胀）膨胀性性 2 2）流动）流动性性3 3）热容量热容量 4 4）稳定性）稳定性，安全性，安全性5 5）对环境友善对环境友善 6 6）价廉）价廉，易大量获取，易大量获取v物质三态中气态最适宜作为工质物质三态中气态最适宜作为工质工质的举例工质的举例v火力发电、核电等火力发电、核电等 水蒸气v太阳能、地热发电、制冷设备等太阳能、地热发电、制冷设备等 低沸点物质：氨、氟里昂v内燃机、燃气轮机内燃机、燃气

2、轮机 燃气和空气什么是热力系统？什么是热力系统？v被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统物质系统v外界：系统以外的所有物质外界：系统以外的所有物质v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、外界和边界系统、外界和边界边界特性边界特性 固定、活动固定、活动 真实、虚构真实、虚构1-锅炉；锅炉；2-汽轮机；汽轮机；3-凝汽器；凝汽器；4-水泵水泵a）以锅炉为热力系统；以锅炉为热力系统；b）以汽轮机为热力系统；以汽轮机为热力系统； c）以整个蒸汽动力装置为热力系统以整个蒸汽动力装置为热力系统划分热力系统举例划分热力系统举例

3、热力系统分类热力系统分类v以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无有无质量传递有无质量传递 开口系开口系闭口系闭口系有无热量传递有无热量传递 非绝热系非绝热系绝热系绝热系有无能量、物质传递有无能量、物质传递 非孤立系非孤立系孤立系孤立系热力系统其他分类热力系统其他分类关于热力系统关于热力系统v重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系v热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。性，选取不当将不便于分析。v一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。v系统

4、与外界的作用都通过边界，看是否有质量交系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。简单可压缩系统简单可压缩系统 v工程热力学中最常见、最重要的热力系统 因为热能动力装置常用工质都是因为热能动力装置常用工质都是可压缩可压缩流体流体（水蒸气、空气、燃气等）（水蒸气、空气、燃气等） 系统与外界只交换热量和一种准静态的系统与外界只交换热量和一种准静态的体积变化功体积变化功（膨胀功和压缩功）（膨胀功和压缩功） 体积变化功只与体积变化功只与工质的压力和体积的变工质的压力和体积的变化量化量有关有关 工程热力学中讨论的大部分系统

5、都是工程热力学中讨论的大部分系统都是简简单可压缩系统单可压缩系统温度温度v温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。 v微观意义：是物质微观热运动的宏观体现，与分微观意义：是物质微观热运动的宏观体现，与分子平均动能成正比子平均动能成正比 事实上确定分子的平均速度是非常困难的事实上确定分子的平均速度是非常困难的； 温度还需一个更严谨的定义，这就有赖于热力温度还需一个更严谨的定义，这就有赖于热力学第零定律学第零定律。2B3k Tmv式中：式中：T是热力学温度是热力学温度，K； kB=1.3805410-23 J/K，波尔兹曼常，波尔兹曼常数；数； v为分子移动的均方根速度。为

6、分子移动的均方根速度。热力学第零定律热力学第零定律v热力学第零定律：热力学第零定律：当两个系统各自与第三个系统当两个系统各自与第三个系统处于热平衡时，则这两个系统彼此也处于热平衡处于热平衡时，则这两个系统彼此也处于热平衡。 热力学第零定律热力学第零定律v温度的热力学定义：温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个处于同一热平衡状态的各个热力系统，必定有某一宏观特征彼此相同，用于热力系统，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为温度描述此宏观特征的物理量为温度。 v热力学第零定律为温度测量提供了热力学第零定律为温度测量提供了科学科学基础基础：即即被测物体与温度计处于热平衡时，就可

7、以从温度被测物体与温度计处于热平衡时，就可以从温度计的读数确定被测物体的温度值。计的读数确定被测物体的温度值。 v温度计的工作原理：温度计的工作原理：当当一个物体的温度改变时，一个物体的温度改变时，物体的其它性质也随之改变，可根据这些性质中物体的其它性质也随之改变，可根据这些性质中的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值。v温度计的分类：温度计的分类： 气体温度计、膨胀式温度计、电气体温度计、膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶和光学温度计等。阻温度计、热电偶和光学温度计等。温度的测量温度的测量温度计分类温度计分类温度计温度计测温参数测温参数测温范围测温范围

8、/气体温度计气体温度计压力或体积压力或体积-270-1100膨胀式温度计膨胀式温度计体积体积-200750(液液)-30600(固固)电阻温度计电阻温度计电阻电阻-200800热电偶热电偶热电动势热电动势-2001300光学温度计光学温度计辐射强度辐射强度-50-2000接触式测温接触式测温非接触式测温非接触式测温一等标准铂电阻温度计其精度可达一等标准铂电阻温度计其精度可达0.001电厂过热器气温等一般采用热电偶测温电厂过热器气温等一般采用热电偶测温 温标温标v温标温标：为量度物体温度而赋予温度的数值。：为量度物体温度而赋予温度的数值。 v摄氏温标摄氏温标：将标准大气压下水的冰点和沸点之间：将

9、标准大气压下水的冰点和沸点之间的温度等分为的温度等分为100份，并以冰点作为零点。份，并以冰点作为零点。 v华氏温标华氏温标：水的冰点与沸点分别定义为：水的冰点与沸点分别定义为32 和和212 。isi( )(C) 100 x xt xx x isi( )( F)32180 xxt xxx依赖于实际测温物质，依赖于实际测温物质，测温工质不测温工质不同结果会不同，这同结果会不同，这是经验温标是经验温标siiisi()tttxxtxx热力学温标热力学温标三三个恒温个恒温热源间热源间的卡诺循环的卡诺循环 ),(2121ttQQ),(3232ttQQ),(3131ttQQ322131QQQQQQ)()

10、(),(2121tftftt因此有因此有：)()(HLHLtftfQQ由此可以断定由此可以断定：直接用函数直接用函数f(t)=T作为温标作为温标),(),(),(322131tttttt)()(),(3232tftftt T1 T3 T2 Q1 Q2 Q2 Q3 Q1 Q3 A B C WA WB WC 根据卡诺定理有根据卡诺定理有：LLHHQTQT理想气体温标理想气体温标v气体压力气体压力p0时，气体呈现出理想气体特性，利时，气体呈现出理想气体特性，利用理想气体定压下体积随温度变化的特性或定容用理想气体定压下体积随温度变化的特性或定容下压力随温度变化的特性，作为度量温度变化的下压力随温度变化

11、的特性，作为度量温度变化的标准，这种温标称为理想气体温标。标准，这种温标称为理想气体温标。v理想气体温标是一种经验温标；理想气体温标是一种经验温标；v气体温度计有定容式和定压式，定容式温度计的气体温度计有定容式和定压式，定容式温度计的测量原理：测量原理：trtrTppT )(lim16.273)(0KpppTtrptrTptr气体气体A气体气体B气体气体C23(1)PVRTB pCDpp气体的维里方程为：气体的维里方程为：如如左左图所示，所有气体图所示，所有气体压力当压力当p0时，其时，其PV性质性质都趋于一相同的特性。都趋于一相同的特性。特别是定容式温度计内特别是定容式温度计内装的气体量趋于

12、零时，所装的气体量趋于零时，所有气体的温度指示趋于同有气体的温度指示趋于同一数值，这说明理想气体一数值，这说明理想气体定容式温度计与气体性质定容式温度计与气体性质无关。无关。理想气体温标理想气体温标理想气体温标理想气体温标定容式气体温计示意图定容式气体温计示意图将将气体温度计的盛气小泡浸没在大气体温度计的盛气小泡浸没在大气压下的饱和水气压下的饱和水与与饱和蒸汽的混合物饱和蒸汽的混合物中，当温度改变时通过改变水银柱内中，当温度改变时通过改变水银柱内水银量水银量(增加或减少增加或减少)，控制盛气小泡，控制盛气小泡的气体体积保持不变，记录下该固定的气体体积保持不变，记录下该固定点温度点温度ts与此时

13、的压力与此时的压力ps；再把盛气小泡浸没再把盛气小泡浸没在在大气压下冰水大气压下冰水混合物中，保持气体容积不变，记录混合物中，保持气体容积不变，记录下该固定点温度下该固定点温度ti和小泡内压力和小泡内压力pi；然后再用温度计测量某一目标的温然后再用温度计测量某一目标的温度，将温度计盛气小泡与目标接触，度，将温度计盛气小泡与目标接触，记录下温度记录下温度t与小泡内的压力与小泡内的压力p。v理想气体温标理想气体温标根据根据理想气体温度计的原理，在理想气体温度计的原理，在1标准大气压下经过冰点标准大气压下经过冰点(角标角标i)和沸点和沸点(角标角标s)标定后，其压力和温度关系如下标定后，其压力和温度

14、关系如下：因此：因此：重复上面的温度测量过程，不同的是需从盛气小泡中取出重复上面的温度测量过程，不同的是需从盛气小泡中取出一部分气体，使小泡内的压力进一步降低，更加接近理想气一部分气体，使小泡内的压力进一步降低，更加接近理想气体的性质，分别得出更低压力下的体的性质，分别得出更低压力下的p、t、ti、 pi、 ts、ps。iisisittppttppiisisi/1/1p pttttppsisii1/1ittpttppp理想气体温标理想气体温标t、ti、ts不变，不变，ps /pi和和p/pi同步变化，同步变化，t=f(p/pi)。随着小泡内的气体不断被取走当随着小泡内的气体不断被取走当p0时，

15、时，pi0与与ps0。根据前述理想气体一致性特性，此时虽然根据前述理想气体一致性特性，此时虽然pi0与与ps0，但，但冰点和沸点的温度对所有气体都趋于冰点和沸点的温度对所有气体都趋于ti与与ts ，而任意测量的温，而任意测量的温度特性对应的温度应该有度特性对应的温度应该有p0、ttc的特性，并且不论使用的特性，并且不论使用任何气体，在任何气体，在p0、 pi 0、ps 0都有都有ttc ，这就是，这就是A、B、C三种气体当小泡内测量压力三种气体当小泡内测量压力p0时趋于一致性的结果，即时趋于一致性的结果，即理想气体温度计与气体性质无关。理想气体温度计与气体性质无关。存在一个普遍情况，经多次改变

16、定容式气体温度计内的气存在一个普遍情况，经多次改变定容式气体温度计内的气体量，使得冰点和沸点时气体温度计的读数体量，使得冰点和沸点时气体温度计的读数pi与与ps不断减小，不断减小，达到达到pi0与与ps 0的目的。结果发现即使的目的。结果发现即使pi 0与与ps 0时，其时，其比值比值ps / pi总是为一固定数值不变：总是为一固定数值不变： ps / pi =1.3661理想气体温标理想气体温标摄氏温标表示的各项温度数值摄氏温标表示的各项温度数值ti=0与与ts =100代入代入 ：有：有：当当p0，而，而p/piconst，ttc，此时，此时pipps。当当p0且且p/pi 0时，表示时，

17、表示ppi ，此时测量的是低于冰点的，此时测量的是低于冰点的温度范围温度范围(实际实际p0与与p/pi 0意味着测量绝对零度的温度意味着测量绝对零度的温度)， tt0 =-273.15 。上式变换有。上式变换有sisii1/1ittpttpppii100001273.1511.3661 1pptppi273.15273.15ptpi273.15pTp理想气体温标理想气体温标v理想气体温标理想气体温标国际温标国际温标规定，以水的三相点作为绝对温标的基准温度点。规定，以水的三相点作为绝对温标的基准温度点。用单固定点作为温标基准的同时，必须要给出温标的单位才用单固定点作为温标基准的同时，必须要给出温

18、标的单位才能最终确定温标具体数值。水的三相点的温度能最终确定温标具体数值。水的三相点的温度Ttr=273.16，水，水的三相点的三相点(固、液、汽三相共存固、液、汽三相共存)的压力为的压力为ptr，则定容式气体，则定容式气体温度计的读数用下式表示温度计的读数用下式表示：外推外推ptr0时不同气体对目标物体温度的测量的一致性，并时不同气体对目标物体温度的测量的一致性，并获得温度测量值。下式定义理想气体温标获得温度测量值。下式定义理想气体温标(开氏开氏)： trtrTpTptrtrtr273.16ppTTpptr0tr( )273.16 lim()ppT pVp为常数温标温标热力学温标、摄氏温标、

19、热力学温标、摄氏温标、朗肯朗肯温标、和华氏温标的关系温标、和华氏温标的关系热力学温度热力学温度1854年，开尔文提议将水三相点年，开尔文提议将水三相点(triple point)的温度，的温度，Ttr=273.16K，作为热力学温度的基准，于，作为热力学温度的基准，于1954年被第十届国年被第十届国际计量大会采纳。同时用际计量大会采纳。同时用K表示理想气体绝对温标的单位表示理想气体绝对温标的单位。受水中氢氧同位素的影响，不同三相点瓶结果差异达受水中氢氧同位素的影响，不同三相点瓶结果差异达50 K。目前国际上通过波尔兹曼常数目前国际上通过波尔兹曼常数kB来确定热力学温度。来确定热力学温度。20t

20、0c MRTBARk N20Bt0Ac MkTN国际温标及其发展国际温标及其发展理想气体温度计的主要缺点：理想气体温度计的主要缺点： 温度特别低的情况下，气体会冷凝，偏离理想气体的温度特别低的情况下，气体会冷凝，偏离理想气体的性质；性质； 在高温下发生离解；在高温下发生离解； 容积随温度的升降会张缩，不易准确测定；容积随温度的升降会张缩，不易准确测定； 不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。需要有一种简单、容易再现，便于使用的二级标需要有一种简单、容易再现，便于使用的二级标准温度计准温度计 。国际计量委员会于国际计量委员会于1968年开始采用国际实用温

21、标（年开始采用国际实用温标（IPTS-68），以取代早期的温度标度。），以取代早期的温度标度。1990年开始使用年开始使用1990年国际温标，以取代年国际温标，以取代1968年国际实年国际实用温标（用温标（IPTS-68）。）。1990年国际温标明确规定了：（年国际温标明确规定了：（1）容易复现的固定点的）容易复现的固定点的气体温标温度和用以检定仪器的二级参考温度；（气体温标温度和用以检定仪器的二级参考温度；（2）二）二级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的公式。为了完整起见，这是列出了规定的热力学温标的公式。为了完整起见，这是列出了

22、规定的热力学温标固定温度点。（固定温度点。（ITS-90）将适用于温度测量和内插的方法）将适用于温度测量和内插的方法概括为四个分区概括为四个分区。国际温标及其发展国际温标及其发展vITS-90温标温标从从0.65到到5.0K根据根据3He和和4He的蒸气压测量，后者又进一步的蒸气压测量，后者又进一步分为两段。每一段用分为两段。每一段用12项多项式项多项式(polynomial)表示蒸气压与表示蒸气压与温度的关系温度的关系。从从3.0到到24.5561K用氦气定容气体温度计测量，该温度计用氦气定容气体温度计测量，该温度计3到到5K用氦气的蒸气压测定一个温度点、一个氢气的三相点用氦气的蒸气压测定一

23、个温度点、一个氢气的三相点温度和一个氖气的三相点温度，共三个固定点标定。温度和一个氖气的三相点温度，共三个固定点标定。从从13.8033到到1234.93按照技术规范用在表中的固定点标按照技术规范用在表中的固定点标定的标准铂电阻温度计测量，并在四个子分区内用状态方程定的标准铂电阻温度计测量，并在四个子分区内用状态方程作进一步校正，也可更加细分这些分区作进一步校正，也可更加细分这些分区。高于高于1234.93K通过测量可见光谱的辐射强度，与通过测量可见光谱的辐射强度，与Ag，Au或或Cu凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐射方程确定的温度值。射方程确定的温度值。国际温标及其发展国际温标及其发展vITS-90温标