1第一章基本概念详解

Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-1热力系统第一章基本概念热机：能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。第一篇工程热力学Fundamentalsofthermalengineering热工基础热机工作过程示意图高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源锅炉汽轮机冷凝器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机Fundamentalsofthermalengineering热工基础工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。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。例如：空气、燃气、水蒸气等。例如：锅炉、循环水池、大气等。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。1-1热力系统Fundamentalsofthermalengineering热工基础系统、边界与外界系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。外界：系统之外与系统有关的物体。边界：系统与外界的分界面。边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。1-1热力系统Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-1热力系统系统的类型按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热WQ边界系统边界系统Fundamentalsofthermalengineering热工基础以系统与外界关系划分：1-1热力系统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Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-2平衡状态和状态参数热力状态（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，如温度、压力等。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：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关；3、状态参数的微分特征：全微分。Fundamentalsofthermalengineering热工基础1、平衡状态：在没有外界作用的情况下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态称为平衡状态。系统内部不存在热量传递，即各处的温度均匀一致的状态称为热平衡状态。1-2平衡状态和状态参数系统实现平衡态的条件在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。Fundamentalsofthermalengineering热工基础稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化1-2平衡状态和状态参数平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡：时间上均匀：空间上Fundamentalsofthermalengineering热工基础2、基本状态参数热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数如压力、温度、比体积，称为基本状态参数。（1）压力单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）FpA单位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，1MPa=103kPa=106Pa1-2平衡状态和状态参数Fundamentalsofthermalengineering热工基础常用压力单位：1bar（巴）=105Pa1atm（标准大气压）=1.013105Pa1at（工程大气压）=0.981105Pa1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa1-2平衡状态和状态参数Fundamentalsofthermalengineering热工基础压力测量：绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv只有绝对压力p才是状态参数。ebpppbvppp1-2平衡状态和状态参数ppep大气压力pvpbFundamentalsofthermalengineering热工基础说法“倘若容器内的绝对压力没有变化且大于大气压力，则安装在该容器上的压力表读数不变”对否？为什么？1-2平衡状态和状态参数思考题：Fundamentalsofthermalengineering热工基础例题P18：1-4450mm,360kPa,1.75bar,760mmHgABbdppp已知：求：（1）真空室及1、2两室的绝对压力；（2）pc；（3）圆筒顶面所受的作用力。=450mmdABC12真空室Hg745mmFundamentalsofthermalengineering热工基础76074515mmg2bpppHkPa真空室汞柱＝＝－＝＝12360362ApppkPa真空室21362170192BpppkPa21922190CpppkPa真空室kNAppFb8.150.45π41133.3745)(2真空室解：=450mmdABC12真空室Hg745mmFundamentalsofthermalengineering热工基础2温度温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。1-2平衡状态和状态参数①热平衡定律(热力学第零定律)两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系统彼此之间必定处于热平衡。温度相等热平衡Fundamentalsofthermalengineering热工基础②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。用符号T表示，单位为K（开）。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.。1-2平衡状态和状态参数Fundamentalsofthermalengineering热工基础热力学温标与摄氏温标的关系：温差:1K=1℃t=T–273.15K温度的测量日常：水银温度计，酒精温度计，工业：热电偶热电阻辐射温度计计量：铂电阻温度计Platinum1-2平衡状态和状态参数Fundamentalsofthermalengineering热工基础3比体积单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示.单位：m3/kg。Vvm1mvV密度：单位体积工质的质量，用符号表示。单位为kg/m3。比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数。1-2平衡状态和状态参数Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-3状态方程与状态参数坐标图1状态公理对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v；p、T或v、T）便可确定它的平衡状态。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。如：(,)pfvT,,0FpvT(,)Tfpv,pfTvFundamentalsofthermalengineering热工基础3状态参数坐标图以独立状态参数为坐标的坐标图。1）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）不平衡态无法在图上表示常见p-v图和T-s图1-3状态方程与状态参数坐标图Fundamentalsofthermalengineering热工基础系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。1热力过程非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程平衡状态状态不变化能量不能转换1-4准平衡过程和可逆过程Fundamentalsofthermalengineering热工基础v1-4准平衡过程和可逆过程2准平衡过程（准静态过程）由一系列平衡状态所组成的过程。所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。由无限小势差推动无限缓慢的理想过程。实现条件：破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间），即有足够时间恢复新平衡准静态过程思考：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？Fundamentalsofthermalengineering热工基础在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的实线表示。1-4准平衡过程和可逆过程12pv3可逆过程如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路逆行而回复到原来的状态，外界也随之恢复到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。否则就是不可逆过程。可逆过程的条件：准平衡过程＋无耗散效应。Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-4准平衡过程和可逆过程可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-5功量与热量1功量与示功图(1)膨胀功工质在体积膨胀时所作的功。J或kJFdxWFdxWFundamentalsofthermalengineering热工基础单位质量工质所作的膨胀功用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。WpAdxpdV对于微元可逆过程，如1~21-5功量与热量WpdVwpdv膨胀：dv0,w0压缩：dv0,w0规定：系统对外界作功“＋”，外界对系统作功“－”Fundamentalsofthermalengineering热工基础（2）示功图（p-v图）功是过程量而不是状态量。w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积来表示。1-5功量与热量Fundamentalsofthermalengineering热工基础2热量与示热图（1）热量系统与外界之间依靠温差传递的能量。符号：Q；单位：J或kJ。单位质量工质所传递的热量用q表示，单位为J/kg或kJ/kg。热量正负的规定：系统吸热为“+”系统放热为“-”。热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量1-5功量与热量Fundamentalsofthermalengineering热工基础对于可逆过程：21QTdSQTdSJkJ或或s称为比熵。比熵同比体积v一样是工质的状态参数。/(Kkg)/(Kkg)qdsJkJT或1-5功量与热量思考：热量是否可以用类似于功的式子表示？/reQdSJKT引入“熵（S）”，定义：对于单位质量工质可逆过程Fundamentalsofthermalengineering热工基础根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：系统吸热；0ds0q，，系统放热。0ds0q，，系统绝热，定熵过程。0ds0q，，1-5功量与热量Fundamentalsofthermalengineering热工基础（2）示热图在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s图（温熵图）上过程曲线下的面积来表示。温熵图也称示热图21qTds1-5功量与热量Fundamentalsofthermalengineering热工基础例题P19：1-6311320.5MPa,0.4m0.8mpVV已知：初态定压膨胀到求：膨胀功。21213()0.510(0.80.4)200KJVVWpdVpVV解：Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-6热力循环要实现连续作功，必须构成循环。热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。循环由过程构成可逆过程不可逆不可逆循环循环可逆循环Fundamentalsofthermalengineering热工基础1-6热力循环正循环pvTs净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向2112动力循环Fundamentalsofthermalengineering热工基础逆循环pvTs净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向2112制冷循环1-6热力循环Fundamentalsofthermalengineering热工基础第一章小结1、理解各基本概念：热力系、平衡态、准静态过程、可逆过程、过程量、状态量、状态参数、功量、热