工程热力学 第一章

华北电力大学能源与动力工程学院2019年8月7日7时13分第一章基本概念2019年8月7日7时13分本章基本要求：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。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。华北电力大学能源与动力工程学院2019年8月7日7时13分§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，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2019年8月7日7时13分内燃机的工作原理图活塞曲柄连杆机构气缸2019年8月7日7时13分两冲程内燃机工作过程进气排气2019年8月7日7时13分四冲程内燃机工作过程进气排气2019年8月7日7时13分内燃机（汽油机）燃气热能机械能燃料化学能排入大气压缩燃烧、膨胀吸气排气工作过程：能量转换：工作物质：燃气2019年8月7日7时13分蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550℃过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水汽轮机发电机QQ12W20℃高温高压蒸汽Wp蒸汽动力装置1－炉子2－炉墙3－沸水管4－汽锅5－过热器6－汽轮机7－喷嘴8－叶片9－叶轮10－轴11－发电机12－冷凝器13、14、16－泵15－蓄水池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：从高温热源吸热(吸热过程)将其中一部分转变为功(对外作功过程)将其余部分传给低温热源(对外放热过程)工质提高压力需要耗功(消耗外功)。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华北电力大学能源与动力工程学院2019年8月7日7时13分§1－2热力系统为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。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，也可以是移动的一、基本概念系统与边界：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2019年8月7日7时13分热二、热力系统的分类物质功功热物质物质功物质绝热热力系孤立热力系闭口热力系开口热力系(一)根据系统与外界物质交换、热量交换的情况：1.闭口系—系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量;2.开口系—系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积;3.绝热系—系统与外界无热量交换；4.孤立系—系统与外界既无能量交换，也无物质交换。2019年8月7日7时13分闭口热力系2019年8月7日7时13分开口热力系2019年8月7日7时13分开口举例热力系（管道）稳定流动开口系统2019年8月7日7时13分开口热力系续152019年8月7日7时13分开口热力系（锅炉示意图）来自水泵过热器炉墙蒸发管去汽轮机燃料与空气2019年8月7日7时13分锅炉的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生)热力系热量（热源）(高温蒸汽)物质(锅炉给水)物质锅炉的简化热力学分析模型2019年8月7日7时13分开口热力系汽轮机去凝汽器调速器来自锅炉喷管叶片汽轮机发电机开口热力系汽轮机示意图2019年8月7日7时13分轴功（水蒸汽）物质汽轮机的简化热力学分析模型热力系（水蒸汽）物质汽轮机的简化热力学分析模型2019年8月7日7时13分来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水冷却水冷却水开口热力系（冷凝器）2019年8月7日7时13分(凝结水）物质蒸汽放热给冷却水冷凝器的简化热力学分析模型热力系（水蒸汽）物质冷凝器的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的凝结)2019年8月7日7时13分蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图2019年8月7日7时13分冷却水带走热量（工质放热量）向外输出功（汽轮机）（水泵耗功）（工质吸热量）蒸汽动力装置的简化热力学分析模型热力系向系统输入功热源供热蒸汽动力装置的简化热力学分析模型2019年8月7日7时13分（二）按照系统内部的情况可划分1.均匀热力系:系统内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，它是由单相组成的。2.非均匀热力系:由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.单元热力系:由一种化学成分组成的热力系。4.多元热力系:由两种或两种以上物质组成的热力系。5.可压缩系统:由可压缩流体组成的热力系。6.简单热力系统：系统与外界只有热量与一种形式的准静功交换。7.简单可压缩系统:与外界只有热量和机械功交换的可压缩系统。热力学中大多属于简单可压缩系统热力系统的划分要根据具体要求而定，如内燃机在气缸进、排气门关闭时，取封闭于气缸内的工质为系统是闭口系统；而把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程一起研究时，取气缸为划定的空间就是开口系统。华北电力大学能源与动力工程学院2019年8月7日7时13分§1－3工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态：工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。1）工程热力学只从总体上研究工质所处的状态及其变化，不从微观角度研究个别粒子的行为和特性，因而所采用的物理量都是宏观的物理量。2）状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。状态参数的特性：即满足：3)状态参数是点函数，其微分是全微分。设Z＝f(x,y),则：反之，如能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数，全微分是状态参数的充要条件。0dzdyyzdxxzdzxy4）常用的状态参数有:压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直接用仪器测量，称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。5）状态参数有强度量与广延量之分：强度量：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的，不可以由其它定律推出。）既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量－温度来描述。一、温度基本热力学参数温度的定义：1）宏观上温度是物体冷热程度的标志2）微观上温度是物质分子热运动剧烈程度的标志温度是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。测量温度的仪器称做温度计，选作温度计的感应元件的物体应具备特定的物理性质：随物体的冷热程度不同有显著的变化。定义：温标是指温度的数值表示法温标测温物质及其测温属性基准点分度方法温标三要素：任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。热力学绝对温标（热力学温度或绝对温）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)。规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K摄氏温标1742年瑞典人摄氏(Anderscelsius)提出的。他把一个大气压下纯水的冰点取为0度，沸点取为100度，中间100等分作为温标。符号t、单位℃。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，把水的三相点定为273.16K，0.01℃。则0℃＝273.15K，t(℃)=T(K)-273.15华氏温标：1724年由德国人华氏（cabridlDFahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF，单位°F。华氏温标与摄氏温标的换算关系为：t(℃)=0℃=32oF100℃=212oF郎肯温标：是盎格鲁撒克逊民族（欧洲）用的温标。采用符号T，单位用r。T(r)=9/5T(K)]32)([95FtoF2019年8月7日7时13分常用温标绝对K摄氏℃华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点二、压力定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)压力计测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力p（或称绝对压力）与环境压力pb之差，叫做表压力pe或真空度pv分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系)()(时当时当bvbbebpppppppppp压力的单位国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：Pa1Pa=1N/m2标准大气压（atm,也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)工程单位：各压力单位之间的换算关系：PabaratmatmmHgmmH2OPa11×10-50.98692×10-50.10197×10-47.5006×10-20.1019712bar1×10510.986921.01972750.06210197.2atm1013251.0132511.0332376010332.3at98066.50.980660.967841735.55910000mmHg133.322133.322×10-51.31579×10-31.35951×10-3113.5951mmH2O9.806659.80665×10-59.07841×10-51×10-4735.559×10-41三、比体积和密度v与ρ互成倒数，即：vρ＝1比体积单位质量物质所占的体积密度单位体积物质的质量mVvVm单位：kg/m3单位：m3/kg华北电力大学能源与动力工程学院2019年8月7日7时13分§1－4平衡状态、状态方程式、坐标图定义：一、平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。如果系统是在外界作用下系统的状态保持不变，则不属于平衡状态，如稳态导热系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。实现平衡的充要条件：热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移热力平衡状态满足：此外还