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1、第3章 矿井热害控制热力学基本知识3.1热力学的基本概念3.1.1热力学系统（1） 定义：根据研究问题的需要，人为地选取一定范围内的物质作为研究对象，称其为热力学系统，简称为系统。热力学系统以外的物质称为外界。热力学系统与外界的交界面称为边界。边界面的选取是可以假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。（2） 分类：按系统与外界的的质量和能量交换情况的不同，热力学系统可分为：1）闭口系：热力学系统与外界无质量交换的系统。2）开口系：热力学系统与外界有物质交换的系统。3）绝热系：热力学系统与外界无热量交换的系统。4）孤立系：热力学系统与外界无任何能量和物质交换的系统。3.1.2状态热力学系统在某一
2、瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的状态。热力状态反映着工质大量分子热运动的平均特点，系统与外界之间能够进行能量交换的根本原因在于两者之间的热力状态存在差异。从热力学的观点出发，状态可分为平衡和非平衡和两种。3.1.3功和热量热力过程中，系统与外界在不平衡势差的作用下会发生能量转换。能量转换的方式有两种，即做功和传热。功是系统与外界之间在力差的推动下，通过宏观的有序运动的方式传递的热量。热量是系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子的无序运动的方式传递的能量，也就是说，借传热来传递能量，不需要有物体的宏观移动。3.1.4热力过程热力过程是指热力是从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总
3、和。实际热力过程非常复杂，给热工分析计算带来很大困难。为了简化计算，我们在引用平衡状态的基础上，将热力过程理想化为准静态过程和可逆过程。（1） 准静态过程：1）定义：由一系列连续的平衡态组成的过程。2）实现条件：推动过程进行的势差无限小，以保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡态。3）特点：准静态过程是实际过程进行的足够缓慢的极限情况。（2）可逆过程与不可逆过程定义：如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。如气体向没有阻力空间的自由膨胀过程就是不可逆过程。可逆过程的实现条件：过程应为准静态过程且过程
4、中无任何耗散效应，这是实现可逆过程的充要条件。准静态过程与可逆过程的差别就在于有无耗散损失。一个可逆过程必须同时也是一个准静态过程，但准静态过程不一定是可逆的。3.1.5热力循环工质从某一初态出发，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环。如图3-1所示，1-2-3-4-1就是正循环。系统实施热力循环的目的是为了实现预期连续的能量转换。循环按照性质来分有可逆循环（全部由可逆过程组成的循环）和不可逆循环（含有不可逆过程的循环）。按照目的来分，有正向循环（即动力循环）和逆向循环（即制冷循环或热泵循环）。图3-1对正循环1-2-3-4-1，在膨胀过程1-2-3中工
5、质从热源吸热Q1，在压缩过程3-4-1中工质向冷源放热Q2。循环热效率为工质在循环中对外界作的净功与外界加给工质的热量之比，即=WQ1=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1 （3-1）若热力循环按逆时针方向进行，（即循环1-4-3-2-1）时，就成了逆循环。其制冷系数为工质在循环中从低温热源吸收的热量与消耗的机械能之比，即=Q2W=Q2Q1-Q2 （3-2）供热系数为工质在循环中向高温热源放出的热量与消耗的机械能之比，即=Q1W=Q1Q1-Q2 （3-3）3.1.6湿空气湿空气是由干空气和水蒸气所组成的一种混合气体。其中干空气主要是由N2、O2、CO2和微量的稀有气体所组成。在常温常压下，大气中的水蒸
6、气分压力很低，且远离液态，可以视为理想气体，所以湿空气可以作为理想气体看待。（1）湿空气成分及压力湿空气=干空气+水蒸气B=p=pa+pv （3-4）湿空气的总压力p等于干空气分压力pa与水蒸气分压力pv之和。（2）饱和空气与未饱和空气未饱和空气=干空气+过热水蒸汽饱和空气=干空气+饱和水蒸气露点温度：维持水蒸气含量不变，冷却使未饱和湿空气的温度降至水蒸气的饱和状态所对应的温度。（3）绝对湿度和相对湿度绝对湿度：每立方米湿空气中所含水蒸气的质量。相对湿度：湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度的比值。=vs （3-5）相对湿度反映湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。相对程度的范围：01
7、。值越小，表明湿空气越干燥，吸收水蒸气的能力越强；值越大，表明湿空气越潮湿，吸收水蒸气的能力越弱。当=0时，即为干空气；当=1时，即为饱和湿空气；介于01之间的湿空气都是未饱和湿空气。（4）含湿量Pv 湿空气中只有干空气的质量不会随湿空气的温度和湿度而改变。含湿量d（或称比湿度）：在含有1kg干空气的湿空气中，所混有的水蒸气质量。d=622pvB-Pvg/kg （a） （3-6）（5）湿球温度用湿纱布包裹温度计的水银头部，由于空气是未饱和空气，湿球纱布上的水分将蒸发，水分蒸发所需的热量来自两部分：1） 降低湿布上水分本身的温度而放出热量。2） 由于空气温度t高于湿纱布表面温度，通过对流换热空气
8、将热量传给湿球。当达到热湿平衡时，湿纱布上水分蒸发的热量全部来自空气的对流换热，纱布上水分温度全部降低，此时湿球温度计的读数就是湿球温度。若干湿球温度差越大，说明空气越干燥。若空气达到饱和状态，则湿球温度等于干球温度。3.2热力学第一定律3.2.1实质热力学第一定律可表述为：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。它是热力学的基本定律，适用于一切工质和一切热力工程，当适用于分析具体问题时，需要将它表述为数学解析式，即能量守恒原则。对于任何系统，各项能量之间的平衡关系一般表示为进入系统的能量 离开系统的能量 = 系统储能的变化3.2.2内能储存于系统内部的能量称为内能，它与系统内工质
9、的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量之和：（1） 分子热运动形成内动能。它是温度的函数。（2） 分子间相互作用形成内位能。它是比体积和温度的函数。（3） 其他形式的能量是维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。内能是状态参数。也就是说，若工质从初态1变化到终态2，其内能的变化U只与初、终态有关，而与过程路径无关。工质经循环变化后，内能的变化为零。3.2.3焓在流动过程中，工质携带的能量除内能外，总伴有推动功，所以为工程应用方便起见，把U和pV组合起来，引入焓H0的定义式为：H=U+pV0焓是状态参数。焓的物理意义为：对于流动工质，它表示流动工质
10、向流动方向传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量，对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数，无明确物理意义。3.2.4闭口系统能量方程闭口系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。对闭口系统涉及的许多热力过程而言，系统总能中的宏观动能和重力位能一般均不发生变化。因此，热力过程中系统总能的变化，等于热力学能的变化。即E=U=U2-U1 （3-7）在热力过程中，系统与外界交换的能量包括：从外界热源取得热量Q，对外界作膨胀功W，系统总能变化为U。根据热力学第一定律建立能量方程：U=Q-W （3-8）对于单位质量工质的能量方程：q=u+w （j/kg） （3-9）对于微元热力过程：Q=d
11、U+W （3-10）以上各式是闭口系统能量方程的表达式。表示加给系统一定量的热量，一部分用于改变系统的热力学能，一部分用于对外作膨胀功（热转换为功）。3.2.5开口系统能量方程热能工程中遇到的许多设备，如汽轮机、换热器、空调机等，在工作过程中都有工质流进、流出设备，都是开口系统，通常选取控制体进行分析。控制体内既有能量变化，又有质量变化，在分析时必须同时考虑控制体内的质量变化和能量变化。按质量守恒原理：进入控制体的质量 - 离开控制体的质量 = 控制体重质量的增量按能量守恒原理：进入控制体的能量 控制体输出的能量 = 控制体中储存能的增量图3-2用热力学第一定律来分析图3-2所示控制体。设控制
12、体在到（+d）的时间内进行了一个微元热力过程。在这段时间内、由控制体界面1-1处流入的工质质量为m1，由界面2-2处流出的工质质量为m2，控制体从热源吸热Q，对外作轴功Ws。控制体的能量收入与支出情况如下：进入控制体的能量=Q+h1+12c12+gz1m1 （3-11）离开控制体的能量=Ws+h2+12c22+gz2m2 （3-12）控制体储存能变化：dEcv=(E+dE)cv-Ecv （3-13）根据热力学第一定律建立能量方程整理后得：Q=h2+12c22+gz2m2-h1+12c12+gz1m1+Ws+dEcv （3-14）上式是在普通情况下推导出的，对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过
13、程都适用，也能适用于闭口系统。3.3热力学第二定律3.3.1热力学第二定律的实质及表述热力学第一定律揭示在热力过程中，参与转换与传递的各种能量在数量上的守恒。但满足能量守恒的过程是否都能实现、热力过程方向、条件与限度是热力学第二定律给出的。只有同时满足热力学第一定律和热力学第二定律的过程才是能实现的过程。热力学第二定律与第一定律共同组成了热力学的理论基础。热力学第二定律有两种经典表述：克劳修斯从热量传递方向性的角度表述为：“不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。”开尔文从热功转换的角度表述为：“不可能从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其他变化。”3.3.2卡诺循环和卡诺定理 卡
14、诺循环是由法国工程师尼古拉莱昂纳尔萨迪卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤： 等温膨胀， 绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态1（P1，V1，T1）等温膨胀到状态2（P2，V2，T2），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3，V3，T3），此后，从状态3等温压缩到状态4（P4，V4，T4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环。卡诺循环分正、逆两种。在压-容(p-V)图和温-熵(T-S)图中（见图3-3,3-4）, -b-c-d-为正卡诺循环，-b为可逆定温吸热过程，工质在温度T1下从相同温度的高温热源吸入热量Q1；b-c为可逆绝热过程,工质温度自T1降为T2；c-d为可逆定温放热过程，工质在温度T2下向相同温度的低温热源排放热量Q2；d-为可逆绝热过程,工质温度自T2升高到T1，完成一个可逆循环,对外作出净功W。逆卡诺循环与上述正向循环反向,沿-d-c-b-方向,因而Q2是工质从低温热源吸入的热量(通称制冷量),Q1是工质排放给高温热源的热量,W是完成逆向循环所需的外界输入的净功。 图3-3 图3-4正卡诺循环的热经济指标用卡诺循环热效率t表示，
