工程热力学基本概念

工程热力学基本概念第1页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.1热能在热机中转变成机械能的过程

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）。分类燃气动力装置(combustiongaspowerplant)

内燃机(internalcombustiongasengine)

燃气轮机装置(gasturbinepowerplant)

喷气发动机(jetpowerplant)蒸汽动力装置(steampowerplant)第2页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、内燃机的工作原理（2）工作介质：混合气

（3）主要用途：汽车、轮船、发电机组

（4）工作过程：升压、吸热、膨胀、放热

（1）组成：气缸体、两大机构、五大系统第3页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、蒸汽动力装置的工作原理（2）工作介质：蒸汽（3）主要用途：火力发电厂（4）工作过程：升压、吸热、膨胀、放热

（1）组成：锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵等第4页，共80页，2023年，2月20日，星期一第5页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、工质工质－实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

对工质的要求：（1）膨胀性（2）流动性（3）热容量（4）稳定性、安全性（5）对环境友善（6）价廉，易大量获取物质三态中气态最合适第6页，共80页，2023年，2月20日，星期一四、热源热源－与工质进行热交换的物质系统。高温热源－热源（heatsource）：工质从中吸取热能的物系。低温热源－冷源（heatsink）：接受工质排出热能的物系。注意：热源可以是恒温的，也可以是变温的。第7页，共80页，2023年，2月20日，星期一五、总结1、实现能量的转换，要有工作介质（工质）。2、工质状态的连续变化才能实现能量转换。3、热能动力装置经历的过程一般为：升压、吸热、膨胀、放热。4、热能只能部分转变为机械能。5、热能动力装置的工作过程可概括为：工质自高温热源吸热，将其中的一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。第8页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.2热力系统热力系统(thermodynamicsystem)：人为分割出来，作为热力学分析对象的有限物质系统，即热力学的研究对象。外界(surrounding)：系统外的一切物质（与热力系发生质量和能量交换）。边界(boundary)：系统和外界之间的分界面。第9页，共80页，2023年，2月20日，星期一注意：（1）热力系统与外界的人为性；（2）边界可以是实际的，也可以是假象的；边界可以是固定不动的，也可以有位移和变形；边界可以刚性的，也可以是有弹性的。第10页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、系统及边界示例第11页，共80页，2023年，2月20日，星期一第12页，共80页，2023年，2月20日，星期一第13页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、热力系统的分类根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统的可分为：1、闭口系统（closedsystem）热力系统和外界只有能量交换而无物质交换。又称为控制质量，用CM表示。第14页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、开口系统（opensystem）又称为控制体积，用CV表示。热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换。第15页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、绝热系统（adiabaticsystem）热力系统和外界之间完全没有热量交换。4、孤立系统（isolatedsystem）热力系统和外界既无能量交换又无物质交换。第16页，共80页，2023年，2月20日，星期一简单系统：与外界之间只存在热量及一种形式准静态功交换的系统。可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。5、简单可压缩系统（simplecompressiblesystem）——由可压缩物质组成，无化学反应、与外界可逆的功交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式的有限物质系统。第17页，共80页，2023年，2月20日，星期一注意：（1）闭口系统与系统内质量不变的区别；（2）开口系统与绝热系统的关系；（3）孤立系统与绝热系统的关系。第18页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、热力系示例示例1：刚性绝热气缸－活塞系统，B侧设有电热丝红线内－闭口绝热系统黄线内不包括电热丝－闭口系统黄线内包含电热丝－闭口绝热系统蓝线内－孤立系统第19页，共80页，2023年，2月20日，星期一示例2：

刚性绝热喷管取喷管为系统—开口系绝热系?第20页，共80页，2023年，2月20日，星期一示例3：A、B两个部落“鸡犬之声相闻，民至老死不相往来”若A部落为系统－闭口系统若A＋B部落为系统－孤立系统AB第21页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.3工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态（stateofthermodynamicsystem）：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况，简称状态。状态参数（stateproperties）：描述工质所处状态的宏观物理量。例如：第22页，共80页，2023年，2月20日，星期一注意：（1）状态参数是宏观物理量，反映了大量分子运动的宏观平均效果；（2）状态与状态参数对应关系；系统两个状态相同：所有状态参数一一对应相等。简单可压缩系两个状态相同：两个独立的状态参数对应相等。（3）系统状态相同的充分必要条件。第23页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、状态参数的特征状态参数是热力系统状态的单值函数。（1）物理上－与如何达到某一状态的过程无关。（2）数学上－点函数，其微元差是全微分。第24页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、状态参数的种类1、广延参数（extensiveproperty）：在给定状态下，与系统内所含物质的数量有关的状态参数。广延参数具有可加性；例如，体积、质量、热力学能、焓和熵。2、强度参数（intensiveproperty）：在给定状态下，与系统内所含物质的数量无关的状态参数。强度参数不具有可加性；例如，压力、温度、密度。第25页，共80页，2023年，2月20日，星期一注意：单位质量的广延参数具有强度参数的性质，不具有可加性。例如，比体积、比热力学能、比焓、比熵。第26页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、基本状态参数1、温度2、压力3、比体积及密度第27页，共80页，2023年，2月20日，星期一1、温度热平衡（温度相等）：

当两个系统相互接触时，如果它们的任何性质均不发生改变，我们就说这两个系统具有相等的温度。换句话说，如果两个系统处于热平衡状态，则要求它们的温度相等。热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统的温度相等，则这两个系统的温度也彼此相等。第28页，共80页，2023年，2月20日，星期一温度（temperature）：确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观物理量。

说明：（1）温度是物体的冷热程度的标志；（2）温度实际上是物质分子热运动激烈程度的一个尺度；（3）温度是状态参数；（4）只有温度才是热平衡的判据。第29页，共80页，2023年，2月20日，星期一温标（temperaturescale）：温度的标尺，即温度的数值表示方法。确定测温手段；确定温标的基准点；确定分度方法。第30页，共80页，2023年，2月20日，星期一（1）经验温标：选定任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标。例如，摄氏温标，华氏温标。依赖测温物质的性质；各种方法所测温度值有差异；不能作为度量温度的标准。第31页，共80页，2023年，2月20日，星期一（2）绝对温标（热力学温标）：根据热力学第二定律的基本原理制定的，与测温物质性质无关的温标。单位：开尔文，开，K；基准点：水的三相点，规定为273.16K；分度：1K等于水的三相点温度的1/273.16。第32页，共80页，2023年，2月20日，星期一（3）热力学摄氏温标：规定摄氏温度由热力学温度移动零点来获得，即第33页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、压力压力（pressure）：单位面积上所受到的垂直作用力。

单位：帕斯卡，巴，标准大气压，工程大气压，毫米汞柱，毫米水柱，第34页，共80页，2023年，2月20日，星期一环境压力：测压环境的压力，绝对压力：工质的真实压力，表压力或真空度：工质的真实压力与环境介质压力之差，第35页，共80页，2023年，2月20日，星期一当绝对压力大于大气压时当绝对压力小于大气压时注意：（1）作为工质状态参数的压力是绝对压力；（2）测定当时当地的大气压，才能得到工质的真实压力。第36页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、比体积及密度比体积（specificvolume）：单位质量物质所占的体积，即密度（density）：单位体积物质的质量，即注意：比体积和密度不是互相独立的参数。第37页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.4平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态二、状态方程式三、状态参数坐标图第38页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、平衡状态平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）：

一个热力系统，在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变（或系统的状态参数不随时间变化）的状态。

注意：（1）若系统受到外界影响，就不能保持平衡状态。

（2）处于不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发地趋于平衡状态。（3）处于平衡状态的系统，只要不受外界影响，平衡不会自发地破坏。（4）若系统受到外界影响，但其状态参数不随时间变化，则系统处于稳定状态，而不是平衡状态。第39页，共80页，2023年，2月20日，星期一讨论：（1）平衡与均匀（2）平衡与稳定平衡可不均匀、稳定未必平衡第40页，共80页，2023年，2月20日，星期一实现平衡的条件：（1）热平衡：温差消失。（2）力平衡：力差消失。（3）相平衡或化学平衡：不平衡势差消失。就平衡状态而言，不存在不平衡势差是其本质，状态参数不随时间变化是其现象，所有不平衡势差的消失是实现平衡的必要条件。系统内部、系统与外界处处温度、压力相等。第41页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、状态方程式状态方程式（stateequation）：简单可压缩系统处于平衡状态时，各状态参数服从一定的关系式。对于简单可压缩系统，可用两个独立的状态参数描述其平衡状态，即第42页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、状态参数坐标图

热力状态坐标图（parametriccoordinates）

：由热力系统状态参数所组成的坐标图。注意：（1）简单可压缩系统与坐标图上一点对应。（2）只有平衡状态才能表示在坐标图上。（3）非平衡状态不能在坐标图上表示。pv1p1v1Ts2T2s2T3p3T3OOOp第43页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.5工质的状态变化过程一、过程二、准平衡过程三、可逆过程和不可逆过程第44页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、过程定义：系统状态的连续变化称为系统经历了一个热力过程，简称为过程。第45页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、准平衡过程（quasi-equilibriumprocess）定义：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近某个平衡态，这样的过程就称为准平衡过程（准静态过程，quasi-staticprocess）。注意：（1）偏离平衡态无穷小，随时可恢复平衡状态。（2）弛豫时间。（3）实际过程接近准平衡过程的条件。第46页，共80页，2023年，2月20日，星期一实现准平衡过程的条件：（1）破坏平衡的势差－无穷小；（2）过程进行的无限缓慢；（3）工质有回复平衡的能力。第47页，共80页，2023年，2月20日，星期一例：判断过程是否为准平衡过程？第48页，共80页，2023年，2月20日，星期一建立准静态过程的好处：（1）可以用确定的状态参数变化来描述过程；（2）可以在坐标图上用连续实线来表示过程；（3）可以用状态方程进行必要的计算；（4）可以计算过程中系统与外界交换的热和功。第49页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、可逆过程和不可逆过程工质、机器和热源组成热力系统。工质沿1－3－4－5－6－7－2进行准平衡的膨胀过程：工质沿2－7－6－5－4－3－1压缩，工质、机器和热源回复到原来状态。可逆过程若过程是不平衡的：不可逆过程第50页，共80页，2023年，2月20日，星期一1、定义当完成了某一个过程后，如果工质可以沿相同的路径逆行而回复到原来的状态，并使相互作用中所涉及的外界亦回复到原来的状态，而不留下任何改变，则这一过程就称为可逆过程(reversibleprocess)

。不满足条件的过程就称为不可逆过程。第51页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、实现可逆过程的条件（1）过程为准平衡过程；

（2）过程中不存在耗散效应。

耗散效应是指因摩擦等造成机械功转变成热的现象。可逆过程=准静态过程+没有耗散效应第52页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、准平衡过程与可逆过程的区别

（1）准平衡过程着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系；可逆过程着眼于工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复。（2）准平衡过程进行时可能发生能量耗散；可逆过程进行时不存在任何能量的耗散。（3）可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。（4）可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。（5）实际过程都是不可逆的。第53页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.6功和热量一、功二、准平衡体积变化功－膨胀功和压缩功三、热量第54页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、功1、功(work)（1）功的力学定义：

（2）功的热力学定义：功是热力系统穿越边界而传递的能量，且其效果可表现为举起重物，用W表示。

第55页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、单位：焦耳，J3、比功：单位质量的工质所作的功，w，J/kg

4、热力学中对功的约定：

系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。第56页，共80页，2023年，2月20日，星期一5、功率：单位时间内完成的功，P单位：瓦特，W附：第57页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、可逆过程的功设有质量为m的气体工质在气缸中进行可逆膨胀，其变化过程如图中连续曲线1－2表示。第58页，共80页，2023年，2月20日，星期一说明：（1）准平衡体积变化功在p-v图上的表示。（2）功不是状态参数，是过程量。

（3）体积变化功只与气体的压力和体积的变化量有关，而同形状无关。（4）工程热力学中对准平衡体积变化功约定：正值表示气体膨胀对外作的功；负值表示外力压缩气体所消耗的功。第59页，共80页，2023年，2月20日，星期一讨论：1、有用功（usefulwork）闭口系工质的膨胀功膨胀功－W，摩擦耗功－W1，排斥大气功－Wr，有用功－Wu注意：当大气压力取定值时，可逆过程的有用功可以表示为：第60页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、非平衡功注意：（1）在p-v图上过程线下方的面积仅代表准平衡过程的功。（2）非准平衡过程的功不能用计算；要么对于特殊过程是已知的，要么必须用其他方法确定。（3）例1-2第61页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、热量热量（heat）：热力系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量，用Q表示。

单位：焦耳，J。工程热力学中对热量的约定：系统吸热，热量为正；系统放热，热量为负。第62页，共80页，2023年，2月20日，星期一1、热量的计算式：系统在可逆过程中与外界交换的热量：第63页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、功和热量的比较：（1）功和热量都是系统与外界交换的能量，是能量传递的度量；（2）功和热量都不是状态参数而是过程量；（3）只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程也就没有功和热量；第64页，共80页，2023年，2月20日，星期一（4）功是由无限小的压差引起的能量传递，比体积变化是作功的标志；热量是由无限小的温差引起的能量传递，比熵的变化是传热的标志。（5）功是有规则的宏观运动能量的传递，往往伴随着能量形态的转化；热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，不出现能量形态的转化。（6）功转变成热是无条件的，而热转变成功是有条件的。2、功和热量的比较：第65页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.7热力循环一、循环概述二、正向循环三、逆向循环第66页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、循环概述热力循环：工质从初始状态出发经历某些过程后又回复到初始状态，称为工质经历了一个热力循环。注意：在状态参数坐标图上，可逆循环的全部过程一定构成一个闭合曲线。第67页，共80页，2023年，2月20日，星期一可逆循环（reversiblecycle）：全部由可逆过程组成的循环。

不可逆循环（irreversiblecycle）：包含（部分或全部）不可逆过程的循环。第68页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、正向循环在p－v和T－s图上，