热工转换基础知识.

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1、第0章 第一节 热功转换的基础知识 第二节 热力学第一定律 第三节 热力过程分析 第四节 热力学第二定律 引言 发动机是通过燃料燃烧释放出的热能转换成机械能 来提供动力 研究发动机原理就要研究： 1.燃料在发动机内是如何燃烧的 2.热效率的影响因素 3.释放的热能与机械能的转换所遵循的规律 4.转换效率的影响因素 5.热量是如何传递的 这些都涉及热工基础知识 热工基础内容 热能的直接利用：直接利用热能加热物体，热能形 式不发生变化 热能的间接利用：热能转换为其他形式的能量（如 机械能） 热能和机械能间的转换必须遵守热力学第一定律及 热力学第二定律 通过选择能量转换所凭借的物质（工质）、合理安

2、排热力过程来提高能量间接利用的经济性 一、能量与能源 世界由物质构成。一切物质都处于运动状态，能量 是物质运动的度量。 一切物质都具有能量，如果没有能量，世界就会永远处于静止状 态，也就不会有生命。人类在日常生活和生产过程中需要各种形式的 能量。 到目前为止，人类所认识的能量主要有机械能、热 能、电能、化学能、核能、辐射能等几种形式。 能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源 第一节 热功转换的基础知识 基本概念 1.工质:实现热能与机械能相互转换凭借的工作物质（气体） 。 2.热力系统和外界:把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的 工质总称为热力系统，如气缸内的气体；把热力系统以外和 热功转换

3、过程有关的其他物体统称为外界，如气缸体。 3.热力状态:把工质在某一瞬间所处的宏观状态称为工质的“ 热力状态”，简称“状态”。工质的热力状态用物理量来描 述，这些物理量称为气体的状态参数，如温度、压力和比体 积等。 4.热力过程:将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一 状态所经历的整个过程称为热力过程。 二、工质的热力状态及其基本状态参数 开口系统：与外界有物质交换的系统。 封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系 统。 绝热系统：与外界没有热量交换的系统。 孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交换的 系统。 热源：与外界仅交换热量。且具有无穷大热容量的 系统。 可压缩系统：由可压缩

4、流体构成的热力系统。 热力系统分类 基本状态参数 u平衡状态：在没有外界影响的条件下（重力场 除外），热力系统的宏观性质不随时间变化的状 态。 u状态参数：描述系统状态的宏观物理量。 u气体常用的状态参数有6个，其中温度（T）、 压力（p）和比体积（）这三个物理量，称基 本状态参数。 u内能（U）、熵（S）、焓（H）。 温度 u温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度 是气体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温 度越高，气体内部分子的平均动能就越大。 u热力学温度:开氏温度，用符号T表示，单位为开尔文， 单位符号为“K” （基本温标)。热力学温度以水的三相点温 度为基本定点温度

5、(即水的固、液、气三态共存时的温度)， 并规定其温度为273.15K。于是1K就是水的三相点温度的 1/273.15。 u工程上的温度：摄氏温度，用符号t表示，单位符号为 “”。 u摄氏温度与开氏温度的关系为： tT273.15 注意：只有开氏温度才是状态参数。 u定义：气体在单位面积容器壁上的垂直作用力,用符号p表示，单 位是帕斯卡，简称为帕（Pa）。由于帕很小，工程上常用千帕（ kPa）或兆帕（MPa）为单位。 1 kPa =103Pa 1 MPa =106Pa u压力的表示方法： 1.绝对压力：指气体作用在容器壁上的真实压力,用p表示。 2.表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表

6、指示的数值 就是表压力。表压力等于气体的绝对压力p与大气压力p0的差值， 用pg表示。其关系式为pg=p-p0 。 3.真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量的数值 就是真空度。真空度等于大气压力与气体绝对压力的差值，用pv表 示。其关系式为pv=p0 -p。 注意：只有绝对压力才是状态参数。 压力 比体积 u比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体 积。用符号v表示，单位为m3/kg。 u密度：单位体积的气体所具有的质量称为密度，以符号 表示，其单位为kg/m3。 三、状态方程式 简单可压缩系统平衡态的独立状态参数只 有2个 由气态工质组成的简单可压缩系统与外界交换的准静

7、态功 只有体积变化功（膨胀功或压缩功） 状态方程式：平衡态下温度、压力和比体 积3个基本状态参数间的函数关系 F（p,v,T)=0 理想气体状态方程 u理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。 u理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、 比体积之间关系式。 1理想气体： 理想气体： 式中：Vmkg理想气体的总容积，V=mv。 R气体常数，其数值取决于气体的性质，单 位为kJ/（kgK）。 状态参数坐标图：只有2个独立参数的热力 系统，可任选2个参数组成二维平面坐标图 来描述被确定的平衡态 准平衡过程 准平衡过程:过程进行的相对缓慢，工质在 平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间很

8、 短，工质有足够的时间来恢复平衡，不致 随时显著偏离平衡状态 实现条件： 1. 推动过程进行的不平衡势差（压力差、温度差等 ）无限小 2. 系统有足够时间恢复平衡 可逆过程 可逆过程:若系统完成某一过程之后，可再 沿原来的路径回复到起始状态，并使相互 作用中涉及的外界也回复到原来状态，而 不留下任何变化 1. 严格按照原来的路径返回起始状态 2. 过程中不存在任何耗散损失 可逆过程就是无耗散效应的准静态过程 可逆过程与准静态过程区别 1. 两者都是无限缓慢进行的，由无限接近平 衡态所组成 2. 区别： 准静态过程只着眼于工质的内部平衡，不涉及与 外界的能量交换 可逆过程分析工质与外界作用所产生

9、的总效果， 不仅要求工质内部平衡，且要求工质与外界的作 用可以无条件地逆复，过程中不存在任何能量耗 散 四、工质的比热容 (一)比热容与物质单位的关系 因为工质的计量单位可用、3，所以工质 的比热容有如下三种： 比质量热容：() 比摩尔热容：() 比容积热容：(3 ) (二)比定压热容和比定容热容 气体在压力不变或体积不变的情况下被加热时的 比热容，分别叫比定压热容和比定容热容，通常用 脚标 和V来标注。 (三)真实比热容和平均比热容 根据大量精确的试验数据和量子力学理论，理想 气体的比热容与压力无关，而应是温度的函数。 (四)定比热容 表- 理想气体的定值比摩尔热容和比热容比 一、功、热量和

10、内能 u1功(力与力方向上的位移的乘积） 当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互传递的 机械能称之为功，用W表示。单位为焦耳，单位符号为“J” 或“kJ”， 1kJ=103J。 1kg气体容积（即比体积）的微小变化量为: dv = Adx 1kg气体对外界所作的微元功为: w= Fdx =pAdx = pdv 1kg气体对外界所作的功为: 若汽缸内的气体为mkg，其总容积V=mv， 则mkg气体从状态1变化到状态2对外所作 的功为: 第二节 热力学第一定律 规定：系统对外做功时取正值， 外界对系统做功时取负值 一、功、热量和内能 u2热量 热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界

11、而传递的能量 。 热量的国际单位与功一样为焦耳，单位符号为“J”或“kJ”。 热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化1K时 吸收或放出的热量，用符号c表示，即 式中：dq单位量的物质在温度变化dT 时吸收或放出的热量 。 1kg气体的温度变化dT 时，吸收或放出的微元热量dq为:dq=cdT 1kg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量q为: mkg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量Q为: 规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。 注意：功和热量都不是状态参数。 一、功、热量和内能 u3内能 气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分 子运动的动

12、能和分子间位能组成。 u内能是气体的状态参数。 u对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所 以其内能仅指其内部动能，它是温度T 的单值函数。 1kg气体的内能用符号u 表示，单位为J/kg或kJ/kg，则 u = f（T） 1kg气体的温度从T1变化到T2时，其内能的变化量u为: u = u2u1 = f（T2）f（T1） mkg气体的内能用符号U表示，单位为J或kJ，温度从T1变化到 T2时，其内能的变化量U为: U = U 2U 1 =mf（T2）f（T1) Fu1/1 二、热力学第一定律 u热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的 功，必须消耗一定量的热；反之，

13、消耗一定量的功，必会产生一 定量的热。 u第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的 相互转换过程中，能的总量保持不变-遵循能量守恒原则。 u1kg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，如果气体与外 界交换的热量为q1-2，机械功为w1-2，内能的变化量为u2u1， 三者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为: q1-2= u2u1+ w1-2 mkg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，则有 Q1-2= U2U1+ W1-2 u气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加 量与对外所作的机械功之和。 che1/1 三、开口系统稳定流动能量方程式与焓（略） 图-4 开口

14、系统示意图 四、熵及温熵图 )熵是一状态参数，如已知两个独立的状态参数，即可求出熵的值。 )只有在平衡状态下，熵才有确定值。 )与内能和焓一样，通常只需求熵的变化量，而不必求熵的绝对值。 )熵是可加性的量，工质的熵是工质的熵的倍， 。 )在可逆过程中，从熵的变化过程中可判断热量的传递方向： 系统吸热；系统绝热；系统放热。 )熵可以判断自然界一切自发过程的熵变。 pv图 u循环中工质所作的净功为:w0 u循环中工质从外界吸收的净热量 为: q1q2 u由于u=0。根据热力学第一定 律则可得出:q1q2= w0 u结论:循环中工质从高温热源吸 收热量q1，只将其中的一部分转换 成机械功w0，而另一

15、部分热量q2传 递给低温热源。 umkg：Q1 Q2=W0 图-5 可逆过程的图和图 )图 )图 一、定容过程 ()过程方程：定值 ()基本状态参数间关系式： ()功量与热量分析计算 第三节 热力过程分析 定容过程，故定容过程膨胀功 定容过程的技术功为 () 根据比定容热容定义，定容过程吸收的热量为 或由热力学第一定律表达式 Che1/1 图-6 定容过程 ()图和图 根据过程方程可知，在p图上定容线是一条与横坐标垂直的 直线，如图-所示。 二、定压过程 ()过程方程：定值 ()基本状态参数间关系式： ()功量和热量分析计算 定压过程，则膨胀功和技术功为 () 类似于定容过程分析，定压过程吸热量 图-7 定压过程 ()图和图 根据过程方程知，在图上定压线为一条与纵坐标垂直 的直线，如图-所示。 三、定温过程 ()过程方程：由定义知，定温过程温度保持不变，即 定值。 ()基本状态参数间关系： ()功量和热量的分析计算 根据过程方程，过程的膨胀功为 / / 根据理想气体热力性质