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1、工程热力学,第一章 基本概念,第一章 基本概念,本章基本要求：,掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。,热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。,热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）,热能,机械能,化学能,1-1 热能和机械能转换,内燃机（汽油机）,工作物质：燃气,燃气热能,机械能,燃料化学能,排入大气,燃烧、膨胀排气,吸气压缩,工作过程：,能量转换
2、：,蒸汽动力装置,1锅炉2沸水管3汽锅4过热器 5汽轮机6发电机7冷凝器8泵9蓄水池,9,燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使之变为蒸汽，并在过热器内过热，成为过热蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；高温高压（相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）；作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。,蒸汽动力装置工作过程：,不同点：构造和工作特性不同。相同点：存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水）存在能提供热能的能量源；余下的热能排向环境介质。,结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。,比较上述两种热机,
3、名词定义：,工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）：接受工质排出热能的物系。,工质从高温热源吸热，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。,热能动力装置的工作过程可概括成：,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,1 系统与边界,1-2热力系统,热力系统（热力系）：人为分割出来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,外界：热力系统以外的部分,边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的,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
4、换功也交换热,1-2热力系统,边界特性,真实、虚构,固定、活动,1-2热力系统,2 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,1-2热力系统,以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换,以气缸内气体为系统，活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换,1-2热力系统,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,1-2热力系统,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
5、化功,容积变化功,压缩功膨胀功,1-2热力系统,定义：用来实现能量相互转换的媒介物质,1-2热力系统,3 工质,气体,理想气体,实际气体,蒸气,1-3热力状态,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,一、状态参数,状态参数分类：,强度参数：无关 如压力 p、温度T,广延参数：有关可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S,按与所含工质的量有关否分,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg/kmol 具有强度量的性质,1-3热力状态,强度量与广延量,速度,动能,高度,位能,内能,温度,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,1-3热力状态
6、,基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v,1-3热力状态,按是否直接或容易测量分,非基本状态参数,内能U、焓 H、熵S,状态参数的数学特征：,状态确定，则状态参数也确定,1,2,a,b,1-3热力状态,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,二、基本状态参数,气体分子撞击器壁的统计（平均）效果,压力p测量,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
7、才是状态参数,1-2热力状态,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,例1：已知当地大气压力pb,及压力表1、2的读数分别为pg1，pg2。求pg3？,解：压力表1测得的是A室的相对压力，故,压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故,压力表3测得的是B室的相对压力，故,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,1-3热力状态,2 比体积,1-3热力状态,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度,kg/m3,1-3热力状态,3 温度 T,传统：冷热程度的度量。,感觉，导热,热平衡
8、,热力学第零定律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,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,1-3热力状态,温标：,温度的数值表示,温标三要素,基准点,测温物质的性质,分度方法,1-3热力状态,绝对温标：符号T,单位K,t()=T(K)-273.15,新摄氏温标：符号t,单位,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.
9、15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,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,1-3热力状态,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,1-3热力状态,1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,1-4 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,2、平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间不
10、存在不平衡势,3、平衡与稳定的比较,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,1-4 平衡状态,4、平衡与均匀的比较,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,1-4 平衡状态,5、为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确定的参数（压力、温度）描述,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,1-4 平衡状态,1-5 状态方程、状态参数坐标图,问题:,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,一、状态公理,针对纯物质无化学反应的系统,1-5 状态
11、方程、状态参数坐标图,N=n+1,系统独立状参个数,功的形式数,热,组元一定的闭口系,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+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,简单可压缩系统：N=n+1=,1-5 状态方程、状态参数坐标图,2,2、状态方程,温度、压力和比体积这三个基本状态参数之间的函数关系是最基本的热力学函数关系，称为状态方程,1-5 状态方程、状态参数坐标图,状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、v、T之间的关系状态方程式的具体形式取决于工质的性质,3、坐标图,简单可压缩系 N=2，平面坐标图,p,v,系统任何平衡态可表示在坐标图上,说明：,
12、过程线中任意一点为平衡态,不平衡态无法在图上用实线表示,常见p-v图和T-s图,2,1,1-5 状态方程、状态参数坐标图,1-6 热力过程,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,热力学引入准平衡过程？,1、准平衡过程,但平衡状态是死态，没有能量交换,1-6 热力过程,准静态过程的工程条件,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,可逆过程,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。,1-6 热力过程,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。,
13、1-6 热力过程,典型的不可逆过程,不等温传热,自由膨胀,1-6 热力过程,节流过程(阀门）,混合过程,1-7 过程功和热量,1、力学定义:力 在力方向上的位移,2、热力学定义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。,功的定义,1-7 过程功和热量,功的一般表达式,热力学最常见的功 容积变化功,1-7 过程功和热量,可逆过程的功,1-7 过程功和热量,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
14、，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,热量定义,1-7 过程功和热量,过程的热量,1.8 热力循环,要实现连续作功，必须构成循环,定义：热力系统经过一系列变化后，又回到原初始状态的一系列变化过程称为热力循环。,不可逆循环,分类：,可逆,过程,不可逆,循环,可逆循环,1.8 热力循环,正循环,正循环：顺时针方向,p,2,1,净效应：对外作功,T,S,1,2,净效应：吸热,V,1.8 热力循环,逆循环,逆循环：逆时针方向,p,V,2,1,净效应：对内作功,T,S,1,2,净效应：放热,1.8 热力循环,正循环：净效应（对外作功，吸热）,W,Q1,Q2,动力循环：热效率,1.8 热力循环,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,Q1,Q2,制冷循环：制冷系数,1.8 热力循环,逆循环：净效应（对内作功，放热）,制热循环：制热系数,W,Q1,Q2,本章小结,基本概念：热力系 准静态过程、可逆过程 过程量、状态量、状态参数 功、热量 p-V图、T-S图 循环、工作系数,
