西安交通大学本科课程-热工基础-02第二章 能量转换的基本概念和基本定律

第二章能量转换的基本概念和基本定律第一节基本概念一热力系和工质1、热力系热力学中所研究的对象称为热力学系统，简称热力系。常见的热力系(1)、闭口系：热力系与外界没有物质交换。（C.M)(2)、开口系：热力系与外界有物质交换。(C.V)(3)、绝热系：热力系与外界无热量交换。(4)、孤立系：热力系与外界既无能量交换又无物质交换。(5)、简单可压缩系：热力系与外界只有一种体积变化功的交换。(6)、热源：无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。热力系边界的特点•固定边界•移动边界•真实的边界界面•假想的空间界面2、工质实现能量相互传递与转换的物质（介质）称为工质。如：水蒸汽、内燃机中工作的燃气制冷剂常用的气态物质等。二平衡状态及基本状态参数1、平衡状态在没有外界影响的条件下，热力系的宏观性质不随时间变化的状态称为平衡状态（平衡态）。若系统的各部分之间没有热量传递,则系统处于热平衡.若系统的各部分之间没有相对位移,则系统处于力平衡.处于平衡态的热力系，各处应具有均匀一致的温度、压力等宏观物理量。•实现热力平衡态的条件（无化学反应等其它不平衡势）：温度平衡（热平衡）。压力平衡（力平衡）。•处于平衡态的热力系可用确定的压力、温度等宏观的物理量来描述。2、状态参数及其特点•状态参数；描述热力系统所外状态的宏观物理量。•状态参数的特征：只取决于状态，与过程（路径）无关。•数学特征21120XXdXdX•强度量状态参数：与系统内所含工质数量无关的状态参数。•广延量状态参数：与系统内所含工质数量有关的状态参数。3、基本状态参数(1)、比体积单位m3/kg密度mVv1vVm(2)、压力（压强）单位：Pa•压力的国际制单位：1MPa=103kPa=106Pa•其它非国际制压力单位：标准大气压atm：1atm=101325Pa工程大气压at(kgf/cm2);：1at=9.8067×104Pa巴bar，毫巴mbar1bar＝1000mbar＝105Pa毫米汞柱mmHg：1mmHg＝133.32Pa毫米水柱mmH2O：1mmH2O＝9.8067PaAFp•压力的测量（1）•当ppb时，p=pb+pgpg称为表压（压力表）当ppb时，p=pb-pvpv称为真空度（真空表）•压力的测量（2）p=pb+pg=pb+ρghp=pb–pv=pb–ρghpg:表压pv：真空度(3)、温度•物体冷热程度的标志；系统热平衡的物理特征量。•热力学第零定律：当物体C同时与物体A和B接触而达到热平衡时,物体A和B也一定热平衡。这一事实说明物质具备某种宏观性质。若两个热力系分别与第三个热力系热平衡，那么这两个热力彼此处于热平衡。这一宏观物理性质称为温度。•温标：热力学第零定律是温标的理论依据。a、热力学温标:水的三相点为273.16K,单位“开尔文”是水有三相点温度的1／273。16T单位K，T=273.15+tb、摄氏温标水的三相点为0.01℃，水的标准沸点为100℃。t单位℃t=T-273.15＊（有关温度热力学温标在第二定之后有严格证明）三状态方程、坐标图1、状态方程基本状态参数之间的函数关系式称为工质的状态方程。由状态公理得：只有两保独立变量）F(p,v,T)=0或p=p(T,v);v=v(p,T);T=T(p,v)2、坐标图二个独立变量时，可以用平面图表示。而平面上的任意一点则代表了一个平衡状态；所有的状态都可以在平面上找到。四准平衡态过程和可逆过程1、准平衡态（准静态）过程●定义：由一系列偏高平衡态不远的状态组成的热力过程称为准平衡态过程。●准平衡态过程的实现过程过程进行得非常缓慢，平衡破坏后能自动恢复平衡，且恢复需时间（弛豫时间）很短，过程中随时都不致远离平衡状态。准平衡态过程就可在p-v图上用连续曲线表示。●实现准平衡态过程的条件是：热平衡ΔT→0力平衡Δp→02、可逆过程（理想过程）•定义如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向返回原来的状态，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程为可逆过程。•可逆过程＝准平衡态过程＋无耗散效应（耗散效应：通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应）可逆过程不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复。五功和热量功和热量是热力过程中系统与外界交换的不同形式的能量。1、功（膨胀功或体积功）W：表示系统与外界交换的膨胀功(外界得到的膨胀功量）。根据功的定义，功可表示为Fdx或∫Fdx对于热力系F·dx=pA·dx=pdV•问题:对于一个准平衡态过程，过程中有确定的p、V，所以可以得到确定的pdV和∫pdV，但是它是否就等于系统与外界交换的膨胀功？•结论：只有在可逆过程中才有δW=pdVW=∫12pdVδw=pdvw=∫12pdv•以后在p－v图及T－s图中凡是用实线画出的过程都表示可逆过程。有用功Wu、无用功Wr和耗散功Wl闭口系膨胀过程中用推动大所所消耗的功称为无用功Wr.过程中由于耗散效应所消耗的功称为耗散功Wl，则有用功Wu为Wu＝W－Wr－Wl(1－11)Wr＝p0(V2－V1)＝p0ΔV(1－12)可逆过程时Wl=0)131()(12120reu,VVppdVW2、热量热量是系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子无序运动的方式与外界交换的能量。•Q:表示系统与外界交换的热量。•若过程可逆则：δQ=TdSQ=∫12TdSδq=Tdsq=∫12Tds•w和q都是过程量而不是状态量六热力循环•工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。1、正循环（动力循环）(顺时针方向)吸热q1，放热q2，对外作功wnet，且wnet=q1-q2，热效率为ηtηt=wnet/q12、逆循环（制冷循环）(逆时针方向)放热q1，吸热q2，外界输入功wnet，且wnet=q1-q2，制冷系数为εε=q2/wnet本节所介绍的不是工程热力学基本概念的全部，在以后的章节中还将出现新的基本概念，到时将一一论述。问答题1、基本状态参的哪几个？为什么称他们为基本状态参数？2、什么是平衡态？实现平衡态的条件是什么？3、什么是可逆过程？实现可逆过程的条件是什么？4、可逆过程的膨胀功w、技术功wt如何计算？如何在p-v图上表示可逆过程的膨胀功w和技术功wt？5、写出绝对压力p、表压pg、真空度pv之间的关系式。测量容器中的压力时，压力表上的读数不变，容器中的压力是否会发生变化？第二节热力学第一定律一热力学第一定律的实质热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。热是一种能量，机械能可以转变为热能，热能也可以转变为机械能，在转变过程中保持量的守恒。二热力学能和系统的总能量1、热力学能(1)、外部储存的能量:系统由于宏观运动所具有的能量。动能Ek势能Ep。(2)、内部储存能量:系统内部分子运动的内动能、相互作用的内位能及维持分子结构的化学能和原子核内部的原子能等。这些能量总称为热力学能。热力系所储存的能量可分为外部能量和内部能量：UvTT)()(热力学能原子核能化学能、内势能内动能在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中•由热力学能所包含的能量形式可知，热力学能是状态参数。比热力学能可表示为：(,)(,);(,)(2-23)ufTvufTpufpv或根据状态参数的特点可有：00dUdu热力学能U单位:J或kJ比热力学能u=U/m单位:J/kg或kJ/kgUvTT)()(热力学能、内势能内动能2、系统的总能量pkEEUEgzcuueuepk2f21mgzEmcEpfk;212三热力学第一定律的能量方程式根据热力第一定律，对于一个任意热力系统，能量方程可写成进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加（2－9）1、闭口系统的能量方程式EWQ当宏观的动能的势能的变化可以忽略不计或系统静止时ΔE＝ΔU，则第一定律的方程式可写成(227)QWUQUW或Q与W正、负号的规定系统吸热Q为正，放热Q为负；系统对外作功W为正，外界对系统作功W为负能量方程式（2－27）常写成(227)(228)QUWQdUWaquwqduwa上式的适用条件是：任何过程，任可工质。对于可逆过程2121pdvwpdVWpdvwpdVW闭口系任何工质、可逆过程的能量方程式可写成2121(2-27b)(2-28b)QdUpdVQUpdVqdupdvqupdv对于一个循环0所以由于dUWdUQWdWdQQnetnetqdqdqqnetnet2、开口系统的能量方程式(1)、稳定流动系统的能量方程稳定流动：流动过程中开口系内部的状态参数（热力学参数和动力学参数）不随时间变化的流动称为稳定流动。mmm21稳定流动时必有0CVE稳定系统的能量分析：进入系统的能量：离开系统的能量：系统能量的增加：ΔECV＝0211111111111()2QEpVQmucgzmpv22222222222sh1()2shEpVWmucgzmpvW进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加22222222211111111()21()2shQmucgzmpvmucgzmpvW由于m1=m2=m,整理上式得2222222111111()21()2shQmupvcgzmupvcgzW代入上式得令pVUH221(231)21(231)2shshQHmcmgzWQdHmdcmgdzWa对上式两边同除以m得(3)、焓的定义及物理意义(2)、推动功和流动功推动功：由于工质移动而传递的功称为推动功：pV流动功：用于维持流动所需要的功：Δ(pV)=p2V2－p1V1定义：H=U+pV或h=u+pv单位：J,kJ或J/kg,kJ/kg焓的物理意义:随着工质移动的能量.。222121211()()()2shqhhccgzzw21(232)2shqhcgzw21(232)2shqdhdcgdzwa(4)、技术功在式(2-32)中是机构能的2221211()()2shccgzzw形式,可供工程中直接利用，所以定义它为技术功：2221211()()(233)2tshwccgzzw比较式（2－28a)和（2－32）ttwpvuwhqwuq)(21()()2tshwpvwpvcgzw若为可逆过程)()(2121ttwpvdwpvpdvw)(2121212121vdppdvpdvpvdpdvwt22)(2)212(2121pdvδwvdpwtt引入技术功后稳定系统能量方程式可写为)232()232(aWHQwhqtt)232()232(cWdHQbwdhqtt若过程可逆)232()232(2121eVdpdHQVdpHQdvdpdhqvdphq(5)、一般开口系统的能量方程进入系统的能量：离开系统的能量：系统能量的增加：Δesy,CV111dVpdEQ222shdEpdVW在dτ间内222222111111()()22syshQdEhcgzmhcgzmW代入能量方程,整理后得四稳定系统能量方程式的应用21(232)2shqhcgzw1、动力机（蒸汽轮机和燃气轮机sh12twhhhw2、压气机sh21Ctwwhhhw压气机的耗功为wc3、换热器12hhhq4、管道2221121()2cchh5、节流21hh(1)燃气在喷管出口的流速c3;(2)每干克燃气在燃气轮机中所作的功