工程热力学第一章解析

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1、第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition 本章基本要求 掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、 准平衡过程、可逆过程等。 掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位 等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态 参数对可逆过程的热量、功量进行计算。 了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。 1-1 热能动力装置 定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。 分类： 燃气动力装置: 内燃机 燃气轮机动力装置 喷气动力装置 蒸汽动力装置蒸汽动力装置 （一）蒸汽动力装置的工作原理 蒸汽动力装置系统简图 1-炉子；2

2、-炉墙；3-沸水管；4-汽锅；5-过热器；6-汽轮机；7-喷嘴 8-叶片；9-叶轮；10-轴；11-发电机；12-冷凝器；13、14、16-泵；15-蓄水池 （二）内燃机的工作原理 内燃机的主要部分为汽缸、活塞。 内燃机工作过程的特点是：燃料 在气缸内燃烧，所产生的燃气直 接推动活塞作功。 （三）燃气轮机装置的工作原理 燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置，最简单的燃气轮机装置 包括三个主要部件：压气机、涡轮和燃烧室。 不同点：结构和工作方式不同。 相同点： 1）存在某一种媒介物质以获得能量，从而具备作功的能力；(内燃 机中混合气，蒸汽机中的水） 2）存在能提供热能的能量源； 3）只有一部分热

3、能转变为功，余下的热能排向环境介质。 讨论：上述三种热机的比较 概括看来: 吸热、膨胀作功、排热对任何一种热能动力装置 都是共同的，也是本质的。 1）工质：实现热能和机械能相互转化的媒 介物质。 2）热源：工质从中吸取或向之排出热能的 物质系统。高温热源； 低温热源； 恒温热 源； 变温热源 两个重要概念： n热能动力装置的工作过程可概括成： 工质自高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把 余下部分传给低温热源。 high- temperature source Engine Low- temperature source Absorb heat Work Give out heat

4、 1-2 热力系统 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热 力学分析对象，称其为热力系统。 热力系统以外的物质称为外界；热力系统与外界的交界面称为边 界。边界的选取可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也 可以是运动的；还可以是几种边界的组合。 活塞 汽缸 管 气体 1 1 2 2 分类： 按系统与外界的质量和能量交换的不同，热力系可分为: 闭口系热力系与外界无物质交换。由于系统所包含的物质质量 保持不变，亦称为控制质量系统。对于闭口系，常用控制质量法来 研究。 开口系热力系与外界有物质交换。开口系通常总是取一相 对固定的空间，又称为控制容积系统。对于开口系，常用控制

5、 容积法来研究。 绝热系热力系与外界无热量交换。 孤立系热力系与外界无任何能量和物质的交换。 简单可压缩系热力系由可压缩流体构成，与外界只有可逆体积变 化功交换的系统。工程热力学讨论的大部分系统都是简单可压缩系统 。 另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分为均匀系（各部分性质 均匀）、非均匀系（各部分性质不均匀）；单元系（由单一的化学成 分组成）、多元系（由两种及以上的化学成分组成）。 注意事项: 1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）闭口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系； 按系统与外界之间能量交换的具体情况分： 1-3 热力学状态和基本状态参数 基本概念: 1)热力学状态 热

6、力学系统所处的宏观物理状况。 2)状态参数 描述系统热力学状态的宏观物理量，如压力 p、比体积 v、温度T 、 比内 能 u、比焓 h、比熵 s 。 3)基本状态参数 可以直接测量得到的状态参数 （ p、v、T ） 。 注意: 状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。反之， 一组确 定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关 。因此，状态参数的变化可表示为（以压力 p 为 例）： 相应地，状态参数的微增量具有全微分的性质，即 基本状态参数：p、v、T 1）比体积：v =V/m，单位： 2）压力（压强）p ，单位：帕， 绝对压力：工质的真实压

7、力，用p表示。 相对压力：压力计显示的压力 注意：表压力 pe（pg） 、真空度 (pv）、大气压力 pb 弹性弯 管式压 力计 U形管 压力 计 附: 常用压力单位： 例题第一章A4001441.ppt 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为 0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peA A4001441 解： 强调：pb是测压仪表所在环境压力 3）温度T ：温度T是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的状态 函数。（热平衡的唯一判据） 温标：温度的数量表示法；温标的建立一般需要选定测温物质及其 某一物理性质，规定基准点及分度

8、方法。 热力学温标：是建立在热力学第二定律基础上的而完全不依赖测温 物质性质的温标（符号为T）。单位：开尔文（K）水的汽、液、 固三相平衡共存的状态点为基准点，规定此点的温度为273.15K。 摄氏温标： t / T / K 273.15，即摄氏温度的零点相当于热力学 温度的273.15 K，且温度间隔完全一样，即t= T。 华氏温标： t(F)=9/5t（ ）+32 Celsius: Triple point of water Boiling point of water Absolute zero -273.15 0 100 Kelvin: K 0 K 273.15K 373.15K Fa

9、hrenheit: F 32F 212F 100parts 100parts 180parts 各种温标的比较 上一节课内容回顾 1、什么是热能动力装置？热能动力装置可分为哪几类？ 2、什么是表压力，什么是真空度？ 3、闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质 量保持恒定的热力系一定是闭口系吗？ 4、有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量 不可分割，所以开口系不可能是绝热系，对不对，为什么？ 1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图 一、平衡状态 定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保 持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。 热力 系

10、统 没有热 量传递 热的平衡 没有相 对位移 力的平衡热力平衡状态 存在化 学反应 化学平衡 实现热力平衡的充要条件：系统内部及系统与外界各种不平衡势差（力 、温度、化学势差）的消失。 讨论： 1）系统平衡与均匀2）平衡与稳定 稳定未必平衡平衡不一定必须均匀 工程热力学只研究系统的平衡状态 二、状态方程 简单可压缩热力系平衡态的独立参数只有2个，原则上可选取p 、v、T中的任意两个独立参数作为自变量，其余参数为因变量，对 于基本状态参数之间的关系可写成： T=T(p,v), p=p(T,v), v=v(p,T) 或者也可写作隐函数形式： F=F(p,v,T) 上述关系式称为状态方程式。 三、状

11、态参数坐标图 一简单可压缩系的平衡状态只有两个独立参数，所以可用 平面坐标图上一点确定其状态，反之热力系任一平衡状态可 在平面坐标图上找到对应点。 由热力系状态参数所组成的坐标图热力状态坐标图 只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示 p v 1 p1 v1 T s 2 T2 s2 p T 3 p3 T3 压容（p-v）图温熵（T-s）图压温（p-T）图 1-5 工质的状态变化过程 一、准平衡过程（准静态过程） 弛豫时间：物系由平衡被破坏到建立新平衡所需时间。 p v 1 2 p1 Pout1 2 p 初始状态（平衡点1）： P1=Pout1 p 过程中： Pout2=Pout1-P=恒定值

12、 p 新的平衡（点2） 新平衡建立的条件：平衡的恢复率外界条件的变化率 弛豫时间与物性关系：气体的弛豫时间比液体短；粘性大的 流体比粘性小的流体长。 弛豫时间与平衡恢复率的关系：二者互为倒数。 进行条件： A、物系平衡恢复的速度过程进行的速度（外界条件变化率的大小） p 准平衡过程：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过 程。 准平衡过程中，物系随时具有力、热和化学的平衡，因而状态变化 的轨迹可用热力状态坐标图上的过程曲线表示。 B、过程进行无限缓慢 举例： 活塞运动速度10m/s 气体分子运动速度、 压力波 的传播速度几百米/s 按准平衡过程考虑 注意：无限缓慢不等于静止不动，为准静态过

13、程。 二、可逆过程与不可逆过程 定义：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，这一过程称为可逆过 程；不满足上述条件的称为不可逆过程。 可逆过程实现的条件：无耗散(通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热 的效应)的准静态过程。 1.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. 关于可逆与准静态的讨论： 1-6 过程功和热量 一、功的定义与单位 定义：热力系通过边界与外界交换的能量,其全部效果可表现为举 起重物。 约定：

14、系统对外界作功取正，外界对系统作功为负。 单位：1J=1N m 比功：单位质量的物质所作的功，w=W/m （J/kg) 功率：单位时间完成的功，1W=1J/s 例如：功率为1KW的发动机，工作1h所作的功为千瓦小时，显然 1KW h=3600KJ 二、可逆过程的功 功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。 功不是系统的状态参数，是一个与过程特性有关的过程量。 可逆过程的功可以应用系统内部的状态参数计算。 V p 1 2 dv dx W nm 如果工质是1kg，则所作的比功为： 设质量m的气体工质，可逆膨胀： 约定：正值代表气体膨胀对外作的功；负值表示外力压缩气体所消耗的功。 （dv为负值

15、） a b （1） （2） p 有用功： 其中: W 膨胀功； Wl 摩擦耗功； Wr 排斥大气功 pb f p 体积变化功：由气态工质组成的简单可压缩系统，当其反抗外力（ 或在外力作用下）进行膨胀或压缩时，与外界交换的功相应地称为膨 胀功或压缩功。 由于大气压力可作定值，故 而可逆过程不包含任何耗散效应，可用功简化成： 注意： 在不平衡过程中，由于无法确定p=f（v）关系，因而不能用公式(1) 、(2) 计算。 当系统内部存在扰动和摩擦，使机械能耗散，状态变化复杂。 对不平衡或存在摩擦过程，体积变化功常借助于外参数（F和V）来 确定。 例题第一章A7001331.ppt 例题第一章A4002

16、771.ppt 总的来说，体积变化功是过程量，计算时必须考虑过程信息： n确定过程性质（能否视为内部可逆过程或可逆过程） n过程种类（确定过程方程（） n选用适当的方法计算 用外部参数计算不可逆过程的功 ? 三、过程热量 定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。 符号约定： 系统吸热“+”；系统放热“-”。 单位：国际制为J (kJ)；公制为cal（kcal）。 计算式及状态参数图 n热量是过程量； n可逆过程热量在图上用过程线下方的面积表示。 1cal=1/860W h 1cal=4.1868J 讨论：热量与功的异同 1.通过边界传递的能量，即能量传递的度量； 1.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传