《热工与流体力学基础》课件1第一章 热力学基本概念

2023/10/8第一篇工程热力学2023/10/8

工程热力学是从工程应用的角度研究热能与机械能之间相互转换的规律。

工程热力学是各种动力装置、制冷装置、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器进行分析和计算的理论基础。

本篇主要讲述：热力学的基本概念及基本定律（热力学第一定律、热力学第二定律）；理想气体的热力性质和热力过程；参与能量转换与传递的工作介质（水蒸气、混合气体、湿空气等）的热力性质；蒸汽动力循环；气体和蒸汽的流动等工程热力学基础知识。

2023/10/8第一章

热力学基本概念2023/10/8学习导引

本章介绍了许多重要的概念，对于后续内容的学习非常重要。在学习过程中，应注意把相关的概念串接起来，既对单个概念的物理意义有较深刻的理解，又能从整体上将这些概念有机的联系起来。

2023/10/8学习要求

理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；掌握绝对压力、表压力和真空度的关系。掌握平衡状态的物理意义及实现条件。了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。理解热力过程、准平衡过程和可逆过程的物理意义与联系，能正确判定准平衡过程和可逆过程。2023/10/8本章难点

本章的许多概念比较抽象，较难理解。学习中应将抽象的概念与具体的物理量或图形联系起来。在工程热力学中普遍采用抽象和简化的方法，为此，应对研究方法的实用性和科学依据有比较深刻的理解。2023/10/8

第一节工质和热力系一、工质

1.什么是工质?

——实现热能与机械能相互传递与转换的媒介物质。

2.工质特性:可压缩、易膨胀、易流动

3.常用工质:

热机循环中:水蒸气、空气、燃气、制冷循环、热泵循环中:氨、氟里昂2023/10/8蒸汽动力循环示意图锅炉汽轮机凝汽器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机给水泵

锅炉汽机轮凝汽器过热器

2023/10/8二、热力系、边界与外界

1.热力系

——在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，并将之人为划分出来,称为热力系统，简称热力系或系统。可为真实的物质、设备或假想的热力学模型如:泵中的水、汽轮机、卡诺热机

2023/10/8如:对小球进行受力分析2023/10/8热力系高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源锅炉汽轮机凝汽器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机2023/10/8热力系高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源给水泵

锅炉汽机轮凝汽器过热器

2023/10/82.外界

——与热力系相互作用的周围物体。3.边界

——热力系与外界之间的分界面。可实际存在,亦可假想;可固定不动,亦可移动或变形。2023/10/8三、热力系的分类（1）封闭热力系

与外界有能量传递,无物质交换的系统。系统的质量恒定不变。

边界活塞气缸2023/10/8（2）开口热力系

与外界有能量、物质交换的系统。系统的容积始终保持变。（3）绝热热力系

与外界没有热量交换的系统。汽轮机边界叶轮11进口22出口2023/10/8（4）孤立热力系

与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。2023/10/8特殊热力系如:热源

本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源2023/10/8

第二节

工质的热力状态和基本状态参数

工质在进行热量传递和能量转换的过程中,其状态不断发生变化．低温液态过热蒸汽

锅炉汽机轮凝汽器2023/10/8一、热力状态和状态参数１．热力状态

——工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态，简称状态。

２．状态参数

——描述工质热力状态的宏观的物理量。

状态参数特征：状态参数的变化量只与初、终态有关，与所经历的路径无关。经历一个循环，状态参数的变化量必为零。状态参数与状态一一对应。

2023/10/8常用状态参数基本状态参数

温度（T）、压力（p）、比体积（v）导出状态参数

热力学能（U）、焓（H）和熵（S）

可直接或间接测量2023/10/8二、基本状态参数１．温度

——用来标志物体冷热程度的物理量。

温度是热平衡的判据。

温度的测量:温度计温度的数值表示:温标温标温度及符号单位关系

摄氏温标摄氏温度t℃

T

t+273.15

或

T

t+273热力学温标热力学温度TK1K=1℃温度相等热平衡

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在标准大气压下，纯水的冰点温度为0℃

，纯水的沸点温度为100℃，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01℃。

瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。

选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0～100℃温度下的体积差均分成100份，每份对应1℃。

摄氏温标2023/10/8

用热力学温标确定的温度称为热力学温度。

英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称绝对温标。

热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。

热力学温标基本状态参数2023/10/8温差:1K=1℃

T

=t+273.15

或T=t+273热力学温标与摄氏温标的关系2023/10/8基本状态参数2.压力

——指单位面积上承受的垂直作用力(即压强).压力的实质:大量分子向容器壁面撞击的平均结果.压力的符号:

p

压力的单位:

Pa

（帕），1Pa=1N/m2

1MPa=103

kPa=106

Pa2023/10/8工程上常用非SI压力单位

1bar（巴）=105Pa

1atm（标准大气压）

=1.01325

105Pa

1at（工程大气压）

=9.80665

104Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.80665Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.322Pa压力2023/10/8压力压力的测量:测压计2023/10/8压力三种压力

绝对压力p

表压力

pg

p

pg+pb(pb:当地大气压力)

真空度pv

p

pb

pv

只有绝对压力才是状态参数2023/10/8p、pg、pv与pb间的关系压力ppgpbppvp=0pb2023/10/8

例1-1某蒸汽锅炉压力表读数为12.5MPa，凝汽器的真空表读数为95KPa。若当地大气压力为标准大气压，试求锅炉及凝汽器的绝对压力为多少。

解：由题意知，大气压力为pb1.01325105Pa。锅炉中蒸汽的绝对压力为

p

pg+pb12.5106+1.0132510512.601325106（Pa）

12.601325（MPa）凝汽器内蒸汽的绝对压力为

p

pb

pv1.01325105951036.325103（Pa）

6.325（KPa）

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若题中没有给出当地大气压，则对高压容器取pb

0.1MPa，此时锅炉内的蒸汽绝对压力为

p

pg+pb

12.5+0.1

12.6（MPa）

计算误差很小，可以忽略。但对凝汽器内的蒸汽，

其绝对压力为

p

pb

pv

0.1

106

95

103

5

103（Pa）

5（KPa）

由此引起的相对误差

20.9％

可见，对于低压或负压空间，近似取值会引起很大的误差，计算应用时必须采用真实大气压力。2023/10/8基本状态参数3.比体积

——指单位质量的工质所占有的体积,用符号

v

表示，单位为

m3/kg。

比体积与密度

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第三节平衡状态和热力过程

一、平衡状态、状态方程式及状态参数坐标图

1.平衡状态

——指在没有外界作用（重力场除外）的情况下，热力系的宏观性质不随时间变化的状态;否则为非平衡状态。条件：力平衡、热平衡用状态参数描述热力系状态特性，只有在平衡状态下才有可能。平衡状态为理想状态。

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一个热力系，当其内部无不平衡的力，且作用在边界上的力和外力平衡，则该热力系处于力平衡；当热力系内各点温度均匀一致且等于外界温度时，则该热力系处于热平衡。热力系要达到平衡状态，必须满足力平衡和热平衡这两个条件。如热力系内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。可见，处于平衡状态的热力系其内部各处都是相同的状态，并且不会发生变化，因而可用确定的状态参数加以描述。

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2.状态方程式

——表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。描述热力状态的各状态参数往往互有联系，可用状态方程式来表示。

对于气态工质组成的简单热力系，只需两个独立的状态参数就可确定其平衡状态。P

f1（v，T）V

f2（p，T）T

f3（p，v）

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3.状态参数坐标图

由任意两个独立的状态参数构成的平面坐标图

。在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。如:p-v图21V1V2P2P10PV2023/10/8二、热力过程

——热力系从一个状态向另一个状态变化时经历的全部状态的总和称为热力过程，简称过程。过程与状态一切实际热力