热工基础(第二版)-张学学(2)第一章

1第一篇工程热力学2第一章基本概念1-1热机、工质、热源与热力系统热机：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。3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。4热力系统：在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。选取热力系统必须具有足够大的尺寸（＞＞物质的微观尺度）。系统以外的物体称为外界或环境。系统与外界之间的分界面称为边界。边界闭口系统（1）闭口系统与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。外界5（2）开口系统与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。进口出口（3）绝热系统与外界没有热量交换的系统。（4）孤立系统与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。注意：绝热和孤立系统是相对概念。61-2平衡状态及基本状态参数1.平衡状态（1）状态（热力状态）系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。（2）平衡状态系统内部各处的宏观性质均匀一致、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。7（4）非平衡状态系统内部存在不平衡势（温差或压差），因此存在能量或质量传递的宏观物理状况。非平衡状态的状态参数不确定，不能用状态参数来描写。状态参数的特点：（3）状态参数用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。具有点函数性质，只是状态的函数，与如何达到该状态的过程/路径无关。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。82.基本状态参数工程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有压力、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=106Pa9常用非SI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）=133.3Pa10压力测量：绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pvpppbe=+ppp=-bv只有绝对压力p才是状态参数。11（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。当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据。1）温度的物理意义温度相等热平衡122）热力学第零定律：如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据。ABC3）温标：温度的数值表示法。建立温标的三个要素：a.选择温度的固定点，规定其数值；b.确定温度标尺的分度方法和单位；c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的依据。13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，单位为℃。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0～100℃温度下的体积差均分成100份，每份对应1℃。14用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:1K=1℃t=T–273.15K15国际单位制（SI）采用热力学温度T作为基本状态参数。4)温度的测量a.接触式水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。b.非接触式光学辐射高温计激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法16（3）比体积定义：单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为m3/kg。Vvm密度：1v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。171-3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pvRT18（3）状态参数坐标图在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。以独立状态参数为坐标的坐标图。191-4准平衡过程和可逆过程（1）热力过程系统由一个状态到达另一个状态的变化过程，也简称过程。实际过程一定是不平衡的。20（2）准平衡过程（准静态过程）所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。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。在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间（在无外界作用时，从非平衡态趋近平衡态所需时间）非常短的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。pv1221（3）可逆过程如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化，这样的过程为可逆过程。实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件：准平衡过程＋无耗散效应（无摩擦、粘性扰动、温差传热等，即无功的损失）。221-5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称为膨胀功。ddWpAxpV21dWpV符号：W单位：J或kJ对于微元可逆过程，对于可逆过程1～2：23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。dwpv21dwpv(2)示功图（p-v图）功是过程量而不是状态量。膨胀：dv0,w0压缩：dv0,w0w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积来表示。242.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称为热量，符号为Q，单位为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：q0;系统放热：q0。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。25在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式具有相同的形式。功量：dwpv21dwpv热量：dqTs21dqTss称为比熵。比熵同比体积v一样是工质的状态参数。比熵的定义式：dqsT（可逆过程）比熵的单位为J/(kg·K)或kJ/(kg·K)。26对于质量为m的工质，dQTS21dQTSS为质量为m的工质的熵，单位是J/K。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；d0s0q，，系统放热。d0s0q，，系统绝热，定熵过程。d0s0q，，27（2）示热图（T-s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