石油大学热工学第2章-1-基本概念

第二章热能转换的基本概念和基本定律第一节热能转换的基本概念基本知识点：热力系统、工质平衡状态、状态参数及基本状态参数热力过程、准静态过程、可逆过程功量和热量热力循环一、热力系统、状态与状态参数（一）热力系与工质1.热力系分析热力现象时，根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。外界—热力系以外的物体（有相互作用的）边界—热力系与外界的交界边界的特点可以是真实的，可以是假想的。可以是固定的，可以是运动的；系统与外界通过边界进行物质和能量的交换固定、真实移动的固定、真实假想的5•移动和虚构边界热力系统选取的人为性BTP发电机给水泵过热器只交换功只交换热既交换功也交换热C热量无能量交换电能热力系统的选取，决定于所提出的研究任务。—可以是一群物体、一个物体或物体的某一部分。—可以是很大，也可以很小。但不能小到只含少量分子，以至不能遵守统计平均规律。同一物理现象，由于划分系统的方式不同而成为不同的问题。教材P55习题2-6刚性绝热热力系的分类根据热力系统与外界相互作用情况闭口系——与外界没有物质交换的系统（质量不变，控制质量CM）开口系——与外界有物质交换的系统（通常划在一定的空间范围内，控制体积CV）绝热系统——与外界没有热量交换的系统孤立系统——与外界没有任何能量和物质交换的热力系（一切相互作用均发生在孤立系统内部）非孤立系＋相关外界＝孤立系1234mQW1开口系热力系统1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系10系统及边界示例•汽车发动机开口系统11•汽缸-活塞装置（闭口系统）•喷气式发动机（开口系统）简单可压缩系——热力系由可压缩流体构成，与外界只有热量和一种容积变化功的交换。——最重要的系统容积变化功压缩功膨胀功热源——与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度有较大变化的热力系统。——根据热源温度的高低和作用分为：高温热源（热源）低温热源（冷源）热源冷源例：锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等例：大气环境、冷却水等热力系统其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类单元系多元系相态单相多相2.工质定义：用来实现能量相互转换的媒介物质。工质是实现能量转换必不可缺少的内部条件。要求:1）膨胀性2）流动性3）热容量4）稳定安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取物质三态中，气态最适宜。例如：空气、燃气、烟气、水蒸气、氟里昂等都是常用的工质。不同性质的工质对能量转换有直接影响。（二）平衡状态1、热力状态热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况，简称状态。热力系可以呈现不同的状态，其中具有特别意义的是平衡状态。2、平衡状态定义：在没有外界影响（重力场除外）的条件下，热力系统的宏观性质不随时间而变化的状态。充要条件：系统内部以及系统与外界之间各种不平衡势差的消失是系统建立起平衡状态的充要条件。温差→热量传递温差消失热平衡力差→相对位移力差消失力平衡化学势差→有相变或化学反应化学势差消失化学平衡处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度、压力等参数，可用确定的压力、温度等宏观的物理量来描述。稳定状态（稳态）均匀状态系统与外界之间（三）状态参数和基本状态参数1、状态参数—用于描述工质所处状态的宏观物理量。—如压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等。状态参数的特征：1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然。2）状态参数的积分特征：状态参数的变化只取决于给定的初态与终态，而与中间所经历的一切中间状态或路径无关。3）状态参数的微分特征：全微分22110dyyydy点函数1ab2状态参数的分类（1）强度量参数—给定状态下，与系统内所含工质的数量无关。—如压力p、温度T等（2）广延量参数—给定状态下，与系统内所含工质的数量有关。—如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S—具有可加性（3）比参数—单位质量的广延量参数、具有强度量参数的性质。—用相应的小写字母表示:如比体积v、比热力学能u、比焓h、比熵sVvmUumHhmSsm2、基本状态参数压力p、温度T、比体积v—可以直接并容易用仪器测定。非基本状态参数—依据基本状态参数间接地导出。密度—单位体积工质的质量，用符号表示，单位kg/m3。（1）比体积—单位质量的工质所占的体积，用符号v表示，单位m3/kg。比体积v反映了工质聚集的疏密程度。mVv1v比体积和密度互为倒数，通常以比体积作为状态参数。（2）压力—单位面积上所受的垂直作用力。—国际单位：帕斯卡，简称帕【Pa】1Pa=1N/m21MPa=106Pa1kPa=103Pa—其它单位：巴bar1bar=105Pa标准大气压atm1atm=1.013105Pa毫米汞柱mmHg1mmHg=133.3Pa毫米水柱mmH2O1mmH2O＝9.8067Pa工程大气压at1at=9.80665104Pa—工质的真实压力称为绝对压力，用p表示。压力p测量—压力计（压力表或真空表）—处于大气环境中，测量值为工质绝对压力与环境压力的差值。压力表真空表测量值表压力真空度当ppb表压力pg当ppb真空度pvbvppppbpgppvp表压力与真空度大气压力bgppp环境压力：压力表所处环境的压力。——一般为大气压力，但不一定。大气压力——随时间、地点变化。绝对压力p不变，压力表读数变化吗？当高度H变化不大，ρ常数pg(pv)=gH()dphgh当高度H变化很大，(h)只有绝对压力p是状态参数。习题2-3习题2-4习题2-5思考题2-3压力表pⅠ=pb+pC真空表pⅡ=pⅠ+pB压力表pA=pⅡ-pb其它压力测量方法：活塞式压力计压力传感器高精度测量工业或科研测量AC（2）温度1）物理意义宏观上，温度表示物体的冷热程度；微观上，温度表示物质分子热运动的激烈程度。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，用来描述此宏观特征的物理量。—温度是决定系统间是否存在热平衡的物理量。—温度概念的建立及其测量以热力学第零定律为基础。热力学第零定律热力学第零定律（R.W.Fowler）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温度计温度相等热平衡（热平衡定律）2）温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标热力学温标—与测温物质的性质无关的温标，热力学温度T，单位K（开尔文）。摄氏温标—摄氏温度t，单位℃（摄氏度）。二者关系：T=t+273.15T=t（温差完全相同）热力学温度T作为基本状态参数接触式：水银温度计、酒精温度计、热电偶、电阻温度计等。非接触式:光学辐射高温计、激光全息干涉仪、CARS法（相干反斯托克斯喇曼光谱）热力学定律热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年S热力学第三定律1906年S基准温标Temperaturescale{K}{C}273.15Ttoo{C}{F}5(32)9tto{R}{K}1.8tT热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标Celsiusscale（Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale（German,G.Fahrenheit,1686-1736）朗肯温标Rankinescale（W.Rankine,1820-1872）兰氏温标oo{F}{R}459.67tt常用温标之间的关系绝对K摄氏℃华氏℉兰氏°R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67水三相点水沸点559.67摄氏温标在标准大气压下，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。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位℃。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℃和100℃温度下的体积差均分100份，每份对应1℃。39华氏温标1714年，德国物理学家华伦海特将水银密封在管子中，利用水银随温度的涨缩做为指示器，并在管子上设一个等级刻度表，使温度可以定量地读出。他把在实验室所得到的最低温度设为零，这是由盐和水的混合液测量得到的，而后将纯水的冰点设为32度，沸点设为212度。用华氏温标确定的温度称为华氏度，用符号t表示，单位℉。两个好处：第一、水的液态范围为180度，很自然和度联想在一起，因为半圆恰好是180度。第二、人体的温度精确值为98.6℉，约接近100℉。热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T表示，单位为K（开）。热力学温标（绝对温标）英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。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。热力学温标与摄氏温标的关系：温差相同:T=tt=T–273.1541极寒≤－40℃奇寒－35~－39.9℃酷寒－30~－34.9℃严寒－20~－29.9℃深寒－15~－19.9℃大寒－10~－14.9℃小寒－5~－9.9℃轻寒－4.9~0℃微寒0~4.9℃科学家给地球上的气温划分了等级凉5~9.9℃温凉10~11.9℃微温凉12~13.9℃温和14~15.9℃微温和16~17.9℃温暖18~19.9℃暖20~21.9℃热22~24.9℃炎热25~27.9℃暑热28~29.9℃酷热30~34.9℃奇热35~39℃极热≥40℃（四）状态方程式平衡状态可用一组状态参数描述状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，需要几个独立状态参数？1.状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差达到某一个平衡消除一种能量传递方式不平衡势差彼此独立独立参数数目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+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等简单可压缩系：N=n+1=20),,(Tvpf2.状态方程式—平衡状态下，基本状态参数之间的函数关系式),(Tpvv),(vpTT),(Tvpp状态方程式的具体形式取决于工质的性质。gpvRT理想气体的状态方程：实际工质的状态方程？复杂！例：R134a的维里型状态方程22412342456756789101123451213141516172318192021222344523/(///)(//////)(/////)(///)(//rrcrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrpTZaaTaTaTaaTaTaTaTaTaTaaTaTaTaTaTaaTaTaTaaTaT2342526234272829302233132333678943536//)(////)(//)(//)rrrrrrrrrrrrrraTaTaTaTaTaTaaTaTaaTaT318048007001600/KTKpMPakgm3.状态参数坐标图对于只有两个独立参数的热力系，可以任选两个参数组成平面坐标图来描述被确定的平衡状态，这种坐标图称为状态参数坐标图。pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡状态无法在坐标图表示常用：压容图（p-v图）和温熵图（T-s图）21二、热力过程、功量和热量（一）热力过程热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和——热力过程。平衡状态宏观静止实现能量转换过程←状态变化平衡被破坏热力系平衡过程？p，Tp0pv12..1、准平