热工基础第一章

第一章

基本概念

§1-1热力系统1、热机能源转换利用的关系热能电能机械能风能水能化学能核能地热能太阳能光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换

热机种类

发电（火力、核能）40%

车辆发动机（内燃机）25~35%

轮船发动机25~35%

航空发动机

20~30%能量利用率火电厂系统图火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器基本特点：1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)航空发动机（燃气循环）活塞燃气发电装置活塞燃气装置基本特点：1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气单缸汽油发动机构造（内燃机）

图6-15单缸汽油机构造示意图-火花塞2-气缸盖3-出水口4-气缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞销9-进水口10-连杆11-飞轮12-曲轴13-机油管14-曲轴箱15-机油泵16-曲轴正时齿轮17-凸轮正时齿轮18-凸轮轴19-排气管20-进气管21-进气门22排气门23-化油器内燃机装置空气、油废气吸气点火膨胀排气内燃机装置基本特点：1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)制冷空调装置基本特点：1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环

(加压、放热、膨胀、吸热)动力装置共同基本特点：

1、热源，冷源

2、工质

3、容积变化功

4、循环§1-1热力系统热力系统(热力系、系统)：人为选取的研究对象外界：系统以外的所有物质2、系统与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热边界特性真实、虚构固定、活动热力系统分类以系统与外界关系划分：

有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系1234mQW1

开口系§1-1热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式

其它分类方式

物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统

简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功§1-2状态和状态参数状态：某一瞬间工质所呈现的宏观状况状态参数：描述工质平衡状态的物理量状态参数的特征：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：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数

如压力

p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积

V、热力学能

U、焓

H、熵S比参数：比体积比热力学能比焓比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质§1-3基本状态参数压力

p、温度T、比体积v

（容易测量）1、压力

p

物理中压强，单位:Pa

,N/m2常用单位：

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg=9.80665104

Pa

1psi=0.006895MPa压力p测量示意图一般是工质绝对压力与环境压力的相对值

——相对压力注意：只有绝对压力

p

才是状态参数绝对压力与相对压力示意图当

p>pb表压力pe当

p<pb真空度pvpbpeppvp环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。

见习题1－4大气压随时间、地点变化。物理大气压

1atm=760mmHg=1.013105

Pa其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器温度T的一般定义传统：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

T0.5

mw2T=0

0.5mw

2=0

分子一切运动停止热力学第零定律温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B

温度计热力学第零定律热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年

S热力学第三定律1906年

S基准温度的热力学定义

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温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标常用温标绝对K摄氏℃

华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点温标的换算温度测量方法日常：水银温度计，酒精温度计，水温度计工业：热电偶，热敏电阻计量：铂电阻温度计比体积v［m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡状态1、定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的宏观性质不随时间变化，则该系统处于平衡状态。

温差

—

热不平衡势压差

—

力不平衡势化学反应

—

化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？

如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述§1-5状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差

达到某一方面平衡

消除一种能量传递方式而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数

=能量转换方式的数目

=各种功的方式+热量=n+1n

容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N

=n

+1=2状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质例：R134a的维里型状态方程座标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图21§1-6准平衡过程、可逆过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准平衡（准静态）过程一般过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..准静态过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果

p外微小可视为准静态过程dl以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdl=pdV1kg工质w=pdvdl很小，近似认为p不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1注意：

上式仅适用于准静态过程示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW准静态容积变化功的说明pV.12.2）

p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，功是过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）

dV<0，压缩外内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W′<W若外界将得到的功W′再返还给系统，系统得到的功W<W′则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。摩擦损失的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W′＝W若外界将得到的功W'再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。可逆过程的定义

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，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。可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=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

耗散效应典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••典型的不可逆过程节流过程

(阀门）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★引入可逆过程的意义

准静态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。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，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，先按理想情况（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。完全可逆、内可逆与外可逆

完全可逆

可逆内部可逆，外部不可逆

外部可逆，内部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆§1-7功量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义(外文参考书）

a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。例：火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器功的表达式功的一般表达式热力学最常见的功容积变化功

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等§1-8热量与熵1、热量定义：

热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。

另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p

温度T标志

dV,dv

dS

,ds公式条件准静态或可逆可逆熵（Entropy）的定义reversible熵的简单引入比参数

[kJ/kg.K]ds:可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

广延量

[kJ/K]熵的说明1、熵是状态参数

3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程

传热的大小与方向2、正负号规定系统吸热时为正

Q>0dS>0系统放热时为负

Q<0dS<04、用途：判断可逆过程的热量方向计算可逆过程的传热量示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图第一章小结基本概念：热力系、热机平衡、稳定、均匀准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功、热量、熵

p-V图、T-S图第一章小结

热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系

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。

一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W′W′Q′热量：残留气体从放逸气体吸热Q′(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W-W′热量：Q-Q′WQW′Q′(4)以容器为系统开口系功量：W′热量：Q′W′Q′(5)以气缸为系统开口系功量：W-W热量：Q-QWQWQ强度量与广延量速度动能高度

位能

热力学能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）思考题5有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型