1 热力系统

（Thermodynamicsystem）1热力系统1本章建立了本课程的基本术语和基本概念，工程热力学的体系就是在为数不多的术语和概念及从人类实践中总结得到的基本定律，如热力学第一定律、第二定律的基础上通过严密的数学推理建立起来的，所以掌握、理解这些术语、概念是学好工程热力学的基础。21.1.1热力系统的定义及分类（一）概念：•热力系统--thermodynamicsystem(system)：1.1热力系统的基本概念外界系统固定边界移动边界系统外界边界(a)(b)图1-1热力系统是从一个实际系统中人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。•边界--boundary：系统与外界的分界面（线）。•外界--surrounding：系统以外并与系统相互作用的周围物体。31、热力系统三要素：高温热源＋工质＋低温热源2、系统与外界的人为性；3、外界与环境介质；4、边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的b）固定的或可移动的c）实际的或虚拟的说明4边界示意图56（二）热力系统分类1）按热力系统与外界的质量交换情况分：闭口系—closedsystem—没有质量越过边界开口系—opensystem—通过边界与外界有质量交换71）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系；注意：绝热系—adiabaticsystem—与外界无热量交换;孤立系—isolatedsystem—与外界无任何形式的质能交换。2）按有无物质和能量交换的特殊情况分81.1.2热力学平衡状态一、热力学状态—tateofthermodynamicsystem把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态二、平衡状态（简称平衡态）：－thermodynamicequilibriumstate定义：在没有外界影响（忽略重力场）的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为平衡状态，简称平衡态。9简单可压缩平衡系的状态常用温度、压力、比体积等状态参数来描述，称为工质的基本状态参数。1.1.3工质的基本状态参数—statepropertiesa）状态参数是宏观量,是大量粒子运动的宏观平均效应；b)状态参数只取决于系统的状态，而与达到这一状态所经历的途径无关；c）热力状态可由两个独立状态参数确定，即任意状态参数都可以表示成其他两个参数的函数，故只要两个参数确定，状态即可确定；说明101.1.3.1温度（temperature）温度是标志物体冷热程度的参数。单位：热力学温度：T，单位为“开尔文”，用K表示摄氏温度：t，单位为℃。换算关系：t=T–T0（1－2）在工程应用中，还有华氏温标（℉）。华氏温标（℉）与摄氏温标（℃）间的换算关系为：F＝t＋32或者t＝（F－32）（1－3）5995111.1.3.2压力（pressure）绝对压力p—absolutepressure表压力pe—gaugepressure真空度pv—vacuumpressure)(ppbbeppp)(bvbppppp当地大气压pb—localatmosphericpressure12三种压力之间的关系13作为工质状态参数的压力是指绝对压力。我国法定的压力单位是帕斯卡，简称帕，符号为Pa1Pa＝1N/m21MPa＝106Pa在工程制单位中，压力单位常采用用工程气压（at）、标准大气压或称物理大气压（atm）、巴（bar）、毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O），它们与帕之间的换算关见表1－1。14表1－1不同压力单位之间的换算关系常用压力单位与SI制单位Pa的换算关系bar1bar＝100kPaatm1atm＝1.01325×105Paat1at＝9.80665×104PammHg1mmHg＝133.3224PammH2O1mmH2O＝9.80665Pa151.1.3.3比体积及密度：比体积(specificvolume)单位质量工质的体积kgm3密度(density)单位体积工质的质量3mkg161.1.4状态参数的特性状态参数是状态的单值函数,只与状态有关,具有以下数学特征。1.1.4.1积分特性1.1.4.2微分特性∫21dz＝z1-z21)2)dz＝0(1-8)∫171.2.1状态公理：P8-91.2.2气体的状态方程式—stateequationf(p,v,T)＝0（1－11）这种关系式称为物质的状态方程。1.2状态方程式与状态参数坐标图pv＝RTpV＝mRTpVm＝RmT理想气体状态方程—ideal-gasequation181.2.3状态参数坐标图—parametriccoordinates曲线1－2表示气体由状态1经过无数中间状态变化到状态2的热力过程，称为热力过程线。19几点说明坐标图上每一点代表一个平衡状态；坐标图上每一条线代表一个准平衡过程；坐标图上每一条线下面形成的面积都有确定的物理意义。201.3热力过程与热力循环1.3.1准平衡过程：系统由一个平衡状态（初态），经过无数中间状态，变化到另一个平衡状态（终态）的连续变化过程，称为热力过程。当过程进行得足够缓慢，过程所经历的时间远远大于系统恢复平衡的驰豫时间，系统所经历的每一中间状态都足够地接近平衡状态，这样的热力过程称为准平衡过程。21准平衡过程可在状态参数图上用连续曲线表示进行条件：22过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力破坏平衡的势—无穷小1.3.2可逆过程与不可逆过程可逆过程—Reversibleprocess定义：一个系统由一初态出发，经过某一过程到达另一终态点后，不但能按原过程的反方向进行，而且，逆行时所经历的状态与顺行时完全相同，逆行终了能使系统回到初态，而不留下任何变化的痕迹，这种过程称为可逆过程。2324工质状态变化的每一瞬间，不但要保持系统内部的热、力平衡，而且要维持与外界的力平衡（没有压差、不存在摩擦和扰动）和热平衡（传热没有温差）。可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。实现可逆过程的充要条件：251.3.3功和热量1.3.3.1功--work几个概念：1、功：功是系统与外界相互作用通过边界传递的能量2、功率：单位时间内完成的功，单位为瓦，用符号W表示3、比功：单位质量的工质所做的功称为比功，用w表示26212211δwwpAdxpdv（1－15）W=mpdv2127功的单位：kJJ或功率的单位：J/sWkJ/skW附：1kWh3600kJ功的符号约定：系统对外作功为“+”；外界对系统作功为“-”所谓膨胀功就是指工质因容积膨胀而做的功。反之，当工质受到压缩而容积减少时，外界所做的功称为压缩功。28注意：1、功是系统通过边界传递的能量，这个功一旦越过边界，就消失。因此，不能说在某种状态下系统和外界有多少功，只有当系统状态发生变化时才有功的传递。2、功的数值不仅决定于初态和终态，而且与过程的性质有关——功不是状态参数，是过程量；1.3.3.2热量--heat定义：热量是指某一系统与外界之间存在温差，能量从温度高的热力系统的边界面传递给另一个温度低的系统（或外界）的能量，用符号Q表示，单位是焦耳（J），用小写字母q表示1kg工质在热力过程中与外界交换的热量。热量的符号:系统吸热为正，放热为负。29热量和功一样都是传递中的能量，但传递方式不同。功的传递是由压力差作推动力热量的传递是由温度差作推动力两者有许多共同特征。功用状态参数p、v的关系计算，用p－v图描述同样，热量参数T、S计算，用T－s图描述301kg工质的熵称为比熵，用s表示，单位为J/(kg·K)质量为m的工质的熵用S表示，单位为J/K。熵的定义式是：ds=δqT（1－16）31系统在可逆过程中与外界交换的热量可用温度T和熵S两个参数来描述，如图1－7所示。于是有21Tdsq＝（1－17）对于质量为m的工质，则21TdsQ＝m32热量不是状态参数，而是过程量1.3.4热力循环封闭的热力过程称为热力循环。即工质从某一初态出发，经历一系列中间状态后，又回到初态的封闭过程。33根据循环的热力学特征，可把循环分为热机循环（正循环）和制冷循环（逆循环）。一、正循环与热效率1、正循环（directcycle）正循环的效果是使热能转变为机械能，所有的热力发动机（简称热机）均按正循环工作。所以正循环又称为热动力循环，或热机循环。34如左图所示，循环按顺时针方向进行，1－2－3为膨胀过程，工质从高温热源吸收热量Q1，经3－4－1回到初态的过程中，向低温热源放出热量Q2。工质对外做功的净功为W,用循环1－2－3－4－1所包围的面积表示，等于工质从高温热源吸收的热量与向低温热源放出的热量之差。即W＝Q1－Q2（1－18）35正向循环的全部效果1、工质从高温热源吸收热量Q12、低温热源获得热量Q23、净吸热量Q0=Q1－Q24、作出净功W=Q0结论：工质从高温热源得到热量Q1对外作出循环净功W＝Q1－Q2向低温热源放出热量Q2（补充条件）362、热效率（thermalefficiency）=得到收获经济性指标（热效率）花费代价t1w=Qh=Q1－Q2Q1=1－Q2Q1（1－19）37二、逆循环（reversecycle）1、逆循环：逆循环的效果是消耗一定的机械能，把热量从低温热源转向高温热源。如左图所示，循环按逆时针方向进行1－4－3表示膨胀过程，从低温热源吸取热量Q23－4－1表示压缩过程，向高温热源放出热量Q1由于压缩过程线在膨胀过程线的上方，则压缩功大于膨胀功，所以，工质循环后要消耗的净功W为W＝Q1－Q238逆向循环的全部效果1、低温热源吸收热量Q22、消耗机械能W转化为热量Q＝W3、高温热源得到热量Q1结论：外界消耗功W＝Q从低温热源吸收热量Q2（补充条件）高温热源得到热量Q1392、热效率(thermalefficiency)制冷系数供热系数＝得到收获经济性指标(性能系数)花费代价ε＝＝Q2WQ2Q1－Q2ε＝＝Q1WQ1Q1－Q2′（1－20）（1－21）40