工程热力学第1章

第一章

基本概念热能和机械能相互转换的过程主要概念:热能动力装置工质热源冷源动力装置工作过程热能动力装置

从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)热能动力装置蒸汽动力装置燃气动力装置汽油机柴油机喷油嘴二冲程汽油机燃气轮机锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器泵热能动力装置的共性经历相同的过程:吸热,膨胀作功,排热工质

实现热能与机械能相互转化的媒介物质热源

工质从中吸取热能的物系冷源

接受工质排出热能的物系工作过程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热力系统主要概念:热力系统边界热力系统的分类简单可压缩系热力系统具体制定的,用界面分离出来的,作为热力学分析对象的有限物质系统边界系统与外界之间的分界面边界可以是实际的也可以是假想的,可以是固定不变的,也可以是有位移和变形的

Boundary

SurroundingsSystem

热量功热力系统分类按热力系与外界的相互关系:闭口系(控制质量)

系统与外界只有能量交换而无物质交换开口系(控制容积)

系统与外界有能量和物质交换返回绝热系统系统与外界无热量交换孤立系统系统与外界无能量和物质交换思考:系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?开口系一定不可能是绝热系?

按内部状况不同分类:单元系只包含有一种化学成分物质的热力系多元系包含有两种以上化学成分物质的热力系均匀系内部具有相同的化学成分和物理性质非均匀系内部具有不同的化学成分和物理性质可压缩系统

由可压缩流体构成的热力系统(水蒸汽,燃气,空气等)简单可压缩系统

可压缩系统与外界只有体积变化功(膨胀功,压缩功)状态和状态参数主要概念:状态平衡状态状态参数状态参数的特征基本状态参数广延量强度量状态某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况状态参数描述工质状态的宏观物理量

压力、温度、体积、热力学能、焓、熵状态参数的特征状态确定,状态参数也确定,反之亦然状态参数为单值函数,与状态有关,与达到这一状态的过程无关状态参数是点函数:广延量

状态参数与系统质量成正比,具有可加性,对于任意给定的平衡及非平衡系,其都有确定值(体积、热力学能、焓、熵)强度量

状态参数与系统质量无关,不具有可加性,对于平衡状态才有确定的数值,在非平衡状态下一般没有具体值(压力、温度)以及(广延量的比参数)一、温度

标志物体冷热程度的物理量,其数值称为温标,其是用来判断一个系统与另一个系统是否处于热平衡的状态参数分类摄氏温标:用t表示，单位为℃标准大气压下纯水的冰点为0℃,汽点为100℃热力学温标：用Ｔ表示，单位为Ｋ

以水的汽、液、固三相共存的状态点为基准点,其温度为273.16K,即0.01℃两者之间的关系：

二、压力

单位面积上所承受的垂直作用力，以p表示.是表征热力系力平衡性质的状态参数

绝对压力⑴表压力

当气体绝对压力高于大气压力时，压力计显示的绝对压力超过大气压力的部分

⑵真空度

当气体绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分

如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的读数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数工程计算中，必须选取绝对压力压力单位：国际单位为Ｐa，

1Pa=1N/m21MPa=106Pa

pbpeppvp习题:测得容器内气体的表压力为0.25MPa，当地大气压为755mmHg，求容器内气体的绝对压力,并分别用:(1)MPa,(2)bar,(3)atm,(4)at表示

三、比体积

单位质量工质所占有的体积

密度：单位体积工质的质量

m3/kgkg/m3平衡状态主要概念:平衡状态平衡状态的特性状态方程参数坐标图平衡状态定义:在没有外界影响的情况下，系统内工质的宏观性质（状态）不随时间而改变的状态，或者，一个热力学系统如果没有引起状态变化的非平衡趋势，那么这个系统就处于平衡状态之中

条件:同时满足各类平衡或各种不平衡势差全部消失各类平衡：热平衡，力平衡，化学平衡等非平衡趋势：温差，压差，化学位能等平衡状态的特性各状态参数都不随时间而变只有平衡状态下才可以用确定的状态参数来描述工质的状态特性无新的外界作用,将一直停留在这个状态,无时间上的限制微观方面并不平衡，气体在热动平衡时，气体分子总是在连续不断的作无秩序的运动平衡状态与稳定状态的关系稳定状态是指热力系的状态参数不随时间变化,但有可能有外界作用处于稳定状态并不一定是平衡状态处于平衡状态一定是稳定状态区别:是否存在外界作用两者的结合稳定平衡热力系经任何扰动后，都能回到原来状态亚稳定平衡热力系经微量扰动后,仍能回到原来状态不稳平衡热力系原来是平衡的,但只要存在某种扰动就能使系统发生大变化,它与稳定平衡的区别是,系统一离开平衡状态就不再恢复到原始状态,而是转移到新的稳定平衡状态平衡状态与均匀状态的关系平衡相对时间而言的，均匀是相对于空间而言的对气相或液相系统等单相系统，达到平衡时系统也是均匀的对于复相系，当处于相平衡时，虽然系统内部各处压力,温度是均匀的，但各相的比体积或密度却相差很大，因此，整个系统并不一定是均匀的问：热力系处于均匀状态时一定是平衡态吗？注1：在本门课中，把平衡状态下单相系一律当作均匀的注2:工程热力学通常只研究平衡状态几种状态的关系平衡态一定是稳定态稳定态不一定是平衡态平衡态不一定是均匀态均匀态不一定是平衡态

状态方程

处于平衡状态的简单可压缩热力系统，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式

那么对于一个具体的系统需要多少个独立变动的特性才可以确定其状态呢？

自由度:一个热力系的独立自变量个数

自由度的计算:热力学特性个数-约束方程个数例：某系统有特性：p,v,T,m,ρ,Ke(介电常数），约束方程：m=constantρ=m/vV=v(m,p,T)Ke=Ke(p,T)求该系统的热力学自由度？状态公理：确定一个系统平衡状态所需要的独立变量的数目等于可能存在的可逆功方式的数目加一．简单可压缩热力系平衡状态的独立状态参数只有两个参数坐标图

由于两个参数可以完全确定简单可压缩系的平衡状态，所以由任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意一点，都相应于热力系的某一平衡状态，同样，热力系每一平衡状态总可在这样的坐标图上用一点来表示．

定义：用任意两个独立的参数组成的一个平面直角坐标图pv0p1p2v1v212此图为p-v图，称为压容图只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示Ts0T1T2s1s212此图为T-s图，称为温熵图图上的每一点表示一个平衡状态热力过程热力过程工质从一个状态过渡到另一个状态所经历的全部状态的总和,即热力学状态连续的变化分类：(1)经历的状态：平衡过程，非平衡过程(2)作用的效果：可逆过程，不可逆过程(3)过程的途径：定压过程，定温过程等准平衡过程（准静态过程）工质从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态,是由一系列无限接近平衡状态的状态所组成的热力过程

条件：推动过程进行的势差无限小

压力差下温差下

特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可近似称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线．

注：准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程

可逆过程

当工质完成某一热力过程之后，若能沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹．反之，为不可逆过程．

条件：过程必须是准平衡过程没有任何耗散效应可逆过程必定是准平衡过程准平衡过程不一定是可逆过程可逆过程的充分必要条件是在准平衡过程的基础上无耗散或不可逆因素准平衡过程与可逆过程的关系两者的区别准平衡过程工质的内部平衡，过程进行时可能有能量耗散可逆过程工质与外界所产生的总效果，工质内部要求平衡，同时过程进行时不存在任何能量耗散不可逆因素内不可逆：热力系内部存在不可逆因素（非平衡态）外不可逆：外部存在不可逆因素（热力系与外界之间的摩擦或温差传热等）只有热力系内部，外部都不存在不可逆因素时，过程才是可逆过程提出可逆过程的意义可逆过程不产生任何能量损失,理论上热功转换效率最大，可作为实际过程中能量转换效果比较的标准和努力的方向不可逆因素太复杂,不容易直接去研究,可逆过程比较简单,有助于理论上的分析研究在很多情况下,实际过程与可逆过程偏差不大,可以先按可逆过程处理,在根据实验进行修正.功、热量功的热力学定义可逆过程的功的计算过程热量功的热力学定义在物理学中，把物体通过力的作用而传递的能量称为功，功等于力Ｆ和物体在力的作用方向上的位移△x乘积热力学定义：热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物功的符号和单位：用符号W表示，单位J或kJ，单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg功率可逆过程的体积功Ｗ的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示，如图所示．单位质量气体的膨胀功为：功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，只是一个过程量可逆过程的功体积变化功

可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量，它只与气体的压力和体积的变化量有关，同形状无关规定功是传递过程中的一种能量形式.它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功

习题某种气体工质从状态１可逆膨胀到状态２，膨胀过程中(a)工质的压力服从p=a-bV，其中a,b为常数，(b)工质的pV恒定为p1V1．分别求两过程中气体的膨胀功．

习题某气缸中气体由0.1m3膨胀到0.2m3，膨胀过程中气体的压力和体积的关系为，其中压力的单位为MPa，体积的单位为m3。试求：⑴气体所做的功；⑵当活塞和气缸间的摩擦力为1000N，而活塞面积为0.2m2时，求减去摩擦消耗的功后，活塞输出的功和有用功。已知环境压力为0.1MPa。

过程热量

在热力学中，热量为热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量

热量的符号和单位：用符号Ｑ表示，单位J或kJ，１kg工质与外界交换的热量用q表示，单位J/kg或kJ/kg

规定：系统吸热热量为正系统放热热量为负热量的计算

Tsq１２dss1s20对于可逆过程功与热量的共性都是能量传递的度量，是过程量，只有在能量传递过程中才有功和热量，都不是状态参数功与热量的不同功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随有能量形态的转化，热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化

功与热量的比较性质：都是过程量标志：

功，dV＞０，热力系对外作功，＝０不作功，＜０，外界对热力系作功

热量，dS＞０，热力系吸热，＝０绝热，＜０热力系放热计算公