《工程热力学》第一章 基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1热力系统1-2工质的热力学状态及其基本状态参数1-3平衡状态1-4工质的状态变化过程1-5功和热量1-6热力循环1工质(workingsubstance;workingmedium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求:物质三态中气态最适宜。1）膨胀性2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取2三、热源(heatsource;heatreservoir)定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。•高温热源—热源（heatsource）低温热源—冷源（heatsink）3研究方法主要内容：热一热二、工质的热力性质、热工设备的工作过程分析。发展简史瓦特卡诺克劳修斯及汤姆逊41-1热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界•系统(thermodynamicsystem,system)将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，成为热力系统，简称系统。•外界(surrounding)：边界以外与系统相互作用的物体•边界(boundary)：分隔系统与外界的分界面（线）。一、定义5•汽缸-活塞装置（闭口系例）6•移动和虚构边界71）系统与外界的人为性2）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）实际的或虚拟的三、热力系统的分类按组元数单元系：由一种化学成分组成的系统，例如纯水、纯氧、纯氮等。多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统注：空气在不发生相变时，其化学组成不变，常可当作纯物质看待。2.按相数单相系：由单一物相组成的系统复相系：由两个相以上组成的系统，如固、液、气组成称三相系统1.按组元和相8闭口系（closedsystem）（控制质量CM）—没有质量越过边界开口系（opensystem）（控制体积CV）—通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换91）闭口系统与系统内质量不变的区别；2）孤立系统与绝热系统的关系。注意：绝热系统（adiabaticsystem）—与外界无热量交换;孤立系统（isolatedsystem）—与外界无任何形式的质能交换。一切热力系统连同与之相互作用的外界可抽象为孤立系统。3.按能量交换10四、热力系示例1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝红线内——闭口绝热系黄线内不包含电热丝——闭口系黄线内包含电热丝——闭口绝热系蓝线内——孤立系111-2工质的热力学状态和基本状态参数热力学状态（stateofthermodynamicsystem）—系统宏观物理状况的综合状态参数（stateproperties）—描述物系所处状态的宏观物理量SHUTVp,,,,,1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如一、热力学状态和状态参数二、状态参数的特性和分类122．状态的单值函数。物理上—与过程无关；数学上—其微量是全微分。1212d0ddbaxxx3．状态参数分类广延量（extensiveproperty）强度量（intensiveproperty）mVv又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数(比参数)。13平衡状态1、平衡状态是指组成热力系统各个部分之间a：无热量传递（温度均匀一致）——热平衡b：无相对位移（压力均匀一致）——力平衡c：若存在化学反应，应包括化学平衡2、热力系统当处于平衡状态时各参数都有确定的值。3、热力平衡状态系统只要不变外界影响，它的状态就不会随时间变化，平衡也不会自动被破坏。4、处于不平衡状态的系统，在没有外界影响下总会自发趋于平衡。14状态方程式对于由气态工质所组成的热力系统，当处于平衡状态时，各部分具有相同的状态参数，例P、V、T等这些参数并不是不相关的。例如：当V一定时，T↑→P↑当P一定时，T↑→V↑若V、P一定，则T一定，则状态被确定，即只要两个状态参数确定，其它参数也确定了。T=f(P、V)V=f（T、P）P=f（T、V）对于平衡状态，这三个基本参数间总有一定的关系F(P、V、T)=0，这个关系式即为气体的状态方程式。15四、温度和温标（temperatureandtemperaturescale）温度的定义测温的基础—热力学零定律热力学温标和国际摄氏温标CK273.15tT16华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标附：{T}°R={t}℉+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉=9/5{t}℃+3217五、压力(pressure)压力的定义绝对压力p(根据p=F/ƒ或)表压力pe（pg）真空度pvbvb()ppppp当地大气压pbbeb()ppppp18nBTp32常用压力单位：63252N1Pa11MPa110Pa1kPa110Pam1bar110Pa1atm101325Pa760mmHg1mmHg133.32Pa1mmHO9.80665Pa例A400144119六、比体积和密度比体积(specificvolume)mVv单位质量工质的体积密度(density)mV单位体积工质的质量1v3m/kg3kg/m两者关系:201-3平衡状态1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态•热平衡（thermalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处温度相等。•力平衡（mechanicalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力相等。•热力平衡的必要条件—系统热平衡和力平衡。一、平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）21三、纯物质的状态方程状态方程0,,Tvpf1．理想气体状态方程gpvRTgpVmRTnRTpVRg—气体常数（gasconstant）R—通用气体常数J/(kgK)8.3145J/(molK)RgRMR摩尔质量22四、状态参数坐标图（parametriccoordinates）一简单可压缩系用两个独立参数可确定其平衡状态，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO23一、准静态过程定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。进行条件：破坏平衡的势—Tp,过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小1-4工质的状态变化过程24二、可逆过程(reversibleprocess)定义：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程。可逆过程与准静态过程两者区别：25可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程非准静态过程准静态过程，不可逆准静态过程，可逆bcospAFfpAbcospAFfpAbcos(0)pAFpAf●作功过程pFfpb261.可逆=准静态+没有耗散效应2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果3.一切实际过程不可逆4.可逆过程可用状态参数图上实线表示讨论：27补充习题：一容器被一刚性壁分为两部分，如图所示。压力表D读数为175kPa，C读数为110kPa，如大气压为97kPa，试求表A的读值。气体初态p1=0.5MPa，v1=0.172m³/kg，按pv=常数的规律，可逆膨胀到p1=0.1MPa，试求膨胀工。一、功(work)的定义和可逆过程的功1．功的力学定义2．功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。3．可逆过程功的计算212211δddWWpAxpV▲功是过程量▲功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示1-6功和热量30系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”5．功和功率的单位：JkJ或J/sWkJ/skW附：1kWh3600kJ4．功的符号约定：316．讨论有用功(usefulwork)概念plu其中:W—膨胀功Wl—摩擦耗功；Wp＿排斥大气功。pbf例A700133132三、热量（heat）1．定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。2．符号约定：系统吸热“+”；放热“-”3．单位：JkJ4．计算式及状态参数图21d(δdQTSQTS可逆过程）热量是过程量（T-s图上）表示33四、热量与功的异同：1.均为通过边界传递的能量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。功2.均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。34第五节热力循环分析循环的目的35在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。分析循环的一般步骤1.实际循环（复杂不可逆）——————可逆理论循环抽象、简化——————影响经济的主要因素和可能改进途径分析可逆循环指导改善————实际循环2.分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及改进方法。三、动力循环（正循环）（powercycle;directcycle）输出净功；在p－v图及T－s图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。36动力循环：工质连续不断地将高温热源取得的热量一部分转换成对外的净工。研究目的：合理安排循环，提高热效率。蒸汽动力循环蒸汽动力循环是正循环，以蒸汽为工质，将蒸汽的热能在动力装置中转换为机械功的循环。蒸汽的卡诺循环朗肯循环1.工作原理正循环中热转换工的经济性指标循环热效率：t12121101qqqqqqwt其中：q1——工质从热源吸收的热量q2——工质向冷源放出的热量w0——循环所做的净工w0=q1-q2四、逆循环以获得制冷量为目的——制冷循环以获得供热量为目的——热泵循环42制冷循环——工质从冷源吸取热量q2热泵循环——工质将从冷源吸收的热量q2，连同循环中消耗的净工w0，一并向较高温度的供热系统供给热量q1，其中q1=q2+w0逆循环的经济指标：工作系数：COP（CoefficientofPerformance）制冷系数供热系数212021qqqwq211011qqqwq代价收益动力循环：热效率(thermalefficiency)nett11wq逆向循环：制冷系数(coefficientofperformancefortherefrigerationcycle)2netor1qw供暖系数(coefficientofperformancefortheheat-pumpcycle)'1net1qw五、循环经济性指标：下一章44