工程热力学基础知识

工程热力学基础知识制冷与空调技术理论基础第二部分工程热力学基础知识一、热力学的基本概念（一）、热力系统与工质1.热力系统1.热力系统在热力学研究中，研究者所指定的具体研究对象称为热力系统，简称系统系统。和系统发生相互作用（热力系统，简称系统。和系统发生相互作用（能量交换或质量交换）的周围环境称为外界质量交换）的周围环境称为外界，或称为环境。系统与环外界，或称为环境环境。系统与环境的分界面称为边界境的分界面称为边界。边界。闭口系：与外界没有质量交换的系统，称为闭口系统。闭口系：开口系：开口系：与外界有质量交换的系统，称为开口系统。绝热系：绝热系：与外界没有热量交换的系统，称为绝热系统。完全绝热的系统实际上是不存在的，工程上将与外界换热量相对很小的系统近似为绝热系统。2.工质2.工质在制冷与空调工程及其他热力设备中，热能与机械能的转换或热能的转移，都要借助于某种携带热能的工作物转换或热能的转移，都要借助于某种携带热能的工作物质的状态变化来实现，这类工作物质称为工质。质的状态变化来实现，这类工作物质称为工质。制冷系统中使用的工质称为制冷剂制冷系统中使用的工质称为制冷剂，也叫冷媒制冷剂，也叫冷媒（二）系统的热力状态及其基本参数1.热力状态1.热力状态某时刻，系统中工质表现在热力现象方面某时刻，系统中工质表现在热力现象方面的总的状况称为系统的热力状态的总的状况称为系统的热力状态，简称状热力状态，简称状态。描述系统状态的物理量称为状态参数描述系统状态的物理量称为状态参数状态参数的取值完全由状态确定。如果工质的状态参数可以在一段时间内保持稳定的数值，不随时间变化而变化，则称为热力平衡态称为热力平衡态，简称平衡态。热力平衡态，简称平衡态平衡态。2.基本状态参数2.基本状态参数如果系统的状态发生了变化，那么将表现为状态参数的变化，换而言之，我们可以通过观测系统状态参数的变化来了解系统的变化。表示系统状态变化的参数有六个，分别为:表示系统状态变化的参数有六个，分别为:压力、温度、比体积（或密度）、内能、）、内能压力、温度、比体积（或密度）、内能、焓、熵，其中温度、压力、比体积可以直接或者间接的用一起测出，称为基本状态接或者间接的用一起测出，称为基本状态参数。参数。（三）理想气体状态方程有关理想气体的定义和性质以及理想气体状态方程属于高中物理内容，不再赘述。（四）内能、焓、和熵内能：系统中工质分子做热运动动能和分子势能内能：的总和称为系统内能。用字母U的总和称为系统内能。用字母U表示，单位质量工质的内能用u工质的内能用u表示。焓：这是一个组合状态参数，在数值上等于工质内能加上压力和体积的乘积，用字母H内能加上压力和体积的乘积，用字母H表示，单位质量工质的焓（也叫比焓）用字母h位质量工质的焓（也叫比焓）用字母h表示，焓和内能的数学关系可以用公式：h=u+pv内能的数学关系可以用公式：h=u+pv和H二U+pV表示。焓的量纲和内能一样，都是焦耳，说明焓也具有能量意义，实际上在焓比内能更加全面的代表了工质的能量。个人认为：焓就是工质所包含的和热力学相关的能量的总和。热力学相关的能量的总和。真空真空p1V1p2V2绝热系A绝热系A上面图示中的闭口绝热系A上面图示中的闭口绝热系A中的黄色方块是一团气体，它从状态1变化到状态2气体，它从状态1变化到状态2,很显然，按照理想气体状态方程进行分析，由于气体膨胀对外做功，我们会得到u功，我们会得到u1u2的结论，但是根据能量守恒定律，工质与外界无能量交换，因此工质的能量总和应当不变，再经过进一步分析，我们会得到u1+p1V1二u2+p2V2即H1二H2的结论。熵：熵是热工学中一个非常重要的参数，它本身是不存在的，而是科学家为了更方便的分析研究而人为导出的一个状态参数。用来分析热力学变化过程的趋势。在可逆用来分析热力学变化过程的趋势。在可逆过程中熵是一个微分数值：过程中熵是一个微分数值：5qds=()revT5Qm5qdS=()rev=()rev=mdsTT热力过程热力过程：热力过程：系统从一个状态变化到另外一个状态的时候经历的所有的中间状态的集合称为热力过程，简称过程。如果系统经历一系列过程最终又回到初始状态，则说这些过程构成一个热力循环回到初始状态，则说这些过程构成一个热力循环。热力循环。准静态过程：在一个热力过程中，初始状态和最准静态过程：在一个热力过程中，初始状态和最终状态都是平衡态，从初始状态变化到最终状态说明了原有平衡被打破，然后经历一些列变化最说明了原有平衡被打破，然后经历一些列变化最后形成了新的平衡。这个变化不会是一瞬间完成后形成了新的平衡。这个变化不会是一瞬间完成的，因此意味着在这两个状态之间，系统经历了一些列连续的，依次相差为无穷小的平衡状态，一些列连续的，依次相差为无穷小的平衡状态，这个过程称为准静态过程。例如系统原来的状态用参数表示为(ABC,D,E,F),最终状态表示为用参数表示为(A,B,C,D,E,F),最终状态表示为(A',B'C,D',E'F)，如果该过程是准静态过程，，B'C,D',E'F那么6那么6个参数的变化全部是连续的，如果表示在状态参数坐标图上，有关6态参数坐标图上，有关6个参数的曲线全部应当是连续的。可逆过程与不可逆过程系统经历一准静态过程从状态1变化到状态2系统经历一准静态过程从状态1变化到状态2后，若可以按原路线反向的从状态2后，若可以按原路线反向的从状态2回复到状态1状态1,并且对外界没有任何影响，这样的过程称为可逆过程过程称为可逆过程A有摩擦/无摩擦B上图中，小球以一定初速度匀速运动，若平板光滑，则不论从A到B还是从B到A都是可逆的，但是如果有摩擦的话，上述过程就不可逆了。实际上，生活中有很多可逆或者不可逆的例子，但是它们的含义和热力学中的可逆和不可逆是不一样的，如四季交替、生老病死、时间流逝、木已成舟等是完全的无法逆转的过程，而凝水成冰、融冰成水，跟烧水成汽、凝汽成水，看似都是可逆的，但是本质又有不同。工程热力学中的可逆或不可逆，主要是看是否对于外界产生了不可逆转的影响。主要集中在两个方面：1.做功有无摩擦，这是由于机械能通过摩擦变为热1.做功有无摩擦，这是由于机械能通过摩擦变为热能的过程无法逆转。2.传热有无温差，这是由于高温物体和低温物体虽2.传热有无温差，这是由于高温物体和低温物体虽然都包含热能，但是品位不同，使得热量只会自发的从高温物体传向低温物体。热工中的不可逆过程并不是象木已成舟一样完全无法逆转，而是只，想要逆转这种过程我们需要花费额外的代价，这个代价一般指的是能量，也就是说想要逆转一个不可逆过程我们需要付出能量作为补偿程我们需要付出能量作为补偿。补偿。热工领域中的可逆过程必须满足做功无摩擦、热工领域中的可逆过程必须满足做功无摩擦、做功无摩擦传热无温差，而这在现今是不可能实现的，传热无温差，而这在现今是不可能实现的，在分析的时候，如果摩擦和温差传热造成的不可逆因素影响很小的话，我们也可以吧该过程当作可逆过程进行分析，这将大大简化我们的分析和计算。（六）功和热量（一）.（一）.热工中涉及的功有两种：1.容积功：1.容积功容积功：工质与外界间压力差作用下，工质体积发生变化时，工质所做的功。包括工质膨胀时对外做功（膨胀功）,工质被压缩时外界对工质做功（压缩功）。用W表示（压缩功）。用W定压力时:W二p*VW二p*变压力时：W二JpdvW二、在常用的p-v图上，容积功W等于过程变化曲线与v图上，容积功W等于过程变化曲线与v轴围成的面积。122.流动功2.流动功对于一个存在稳定流动的系统，在某一管道出截取一段进行分析，如图中12界面之间道出截取一段进行分析，如图中12界面之间的管道部分，左侧流体想要流入，需要推开管内已有流体做功，若界面处压力为p开管内已有流体做功，若界面处压力为p1,流入流体体积为V则功为W流入流体体积为V1,则功为W1=p1*V1。而右侧流出的流体则可认为是被管内的流体做功推出来的，若界面压力为p2,流出体积功推出来的，若界面压力为p2,流出体积为V2,则功为W2二p2*V2。这即是流动功，其，则功为W中流入为正，流出为负，结合起来，对于管道12的净流动功就是W=W管道12的净流动功就是W=W1-W2（二）热量1.工质与外界之间通过热传递交换的能量叫做热量。1.工质与外界之间通过热传递交换的能量叫做热量热量。显热：工质吸收或者放出热量，其温度发生变化显热：而集态不变，这时传递的热量称为显热。潜热：工质吸收或者放出热量，其集态发生变化潜热：但是温度不变，这时传递的热量称为潜热。2.热量计算方法2.热量计算方法用熵计算可逆过程的热量用熵计算可逆过程的热量Q二JTds在T-s图上，热量等于变化过程曲线与横坐标轴围出的面积。用比热容计算显热潜热计算制冷和空调领域一般用到的潜热都是流体从液态变为气态时吸收或放出的汽化潜热从液态变为气态时吸收或放出的汽化潜热。1kg汽化潜热。工质在不同温度下的汽化潜热可以查手册得到。如通过查下表我们可以知道1kg制冷剂R22在零下如通过查下表我们可以知道1kg制冷剂R22在零下50摄氏度时完全蒸发需要吸收的潜热为:50摄氏度时完全蒸发需要吸收的潜热为:q=hq=h-h@=383.921-144.956=238.965kJ=383.921（三）功率单位时间内系统与外界通过做功交换的能量称为功率用字母P量称为功率用字母P表示。二、热力学第一定律及其应用热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热力学领域中的应用，由于热力学领域总是把某一系统作为研究对象，所以强调的是系统和外部环境的总的能量守恒。在对单一热力系统进行分析的时候，系统本身能量变化、系统与外界的功交换量变化E、系统与外界的功交换W、系统与外界的热交换界的热交换Q、还有涉及物质进出系统带来和带出的能量出的能量e之间满足下列关系：E=W+Q+e+这个公式项比较多，分析较复杂，但是实际应用中经常因为实际情况使得其中一些项不变而被忽略掉，从而可以得到它的其他方程表现形式。（一）闭口系能量方程闭口系与外界无质量交换，因此闭口系与外界无质量交换，因此e为0,闭口系本身动能和重力势能也不变，所以闭口系自身能量变化只有热力学能的变化即E=变化只有热力学能的变化即E=U。所以化简的闭口系能量方程：U二Q+WU=Q+而对于热机和制冷机一类工质循环流动的设备，工质进行一个循环后又回复初始状态所以热力学能变化为0能变化为0。又得到：Q+W=0Q+这说明循环工作的热机要对外输出功，必须外界不断提供热，反之对于制冷机，要对外输出热，则要外界提供功。（二） 稳定流动能量方程开口系能量方程较复杂，但是里面有一例我们经常碰到的稳定流动系统。这种系统的特点：1.各个位置上工质的状态参数恒定1.各个位置上工质的状态参数恒定2.系统总质量恒定，一定时间内流入和流出的工质2.系统总质量恒定，一定时间内流入和流出的工质质量相等。3.系统本身的总能量不变E=03.系统本身的总能量不变4.系统与外界的功的交换可以分为机器轴传递的功4.系统与外界的功的交换可以分为机器轴传递的功称为轴功W和工质流动带来的净流动功W称为轴功Ws和工质流动带来的净流动功Wf。二者代数和为代数和为W。5•工质自身的能量可以分成3部分：焓H,动能Ek,5•工质自身的能量可以分成3部分：焓H,动能E重力势能E重力势能Eg。最终得