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1、1 第一章 基本概念第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition 1-1 热能和机械能相互转换过程热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态平衡状态 1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 1-6 功和热量功和热量 1-7 热力循环热力循环 2 一、热能动力装置一、热能动力装置(Thermal power plant) 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 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 共同本质： 分
2、 类 共同本质：由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 气体动力装置气体动力装置(combustion gas power plant) 内燃机内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机装置燃气轮机装置(gas turbine power plant) 喷气发动机喷气发动机(jet power plant) 蒸气动力装置蒸气动力装置 (steam power plant) 1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 3 二、工质二、工质(working substance; working medium) 定义：实现热能
3、和机械能相互转化的媒介物质。 对工质的要求 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: 物质三态中物质三态中 气态气态最适宜最适宜。 1）膨胀性）膨胀性 2）流动性）流动性 3）热容量）热容量 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5）对环境友善）对环境友善 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取 4 三、热源三、热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源高温热源热源 （热源 （ heat source ） 低温热源 ） 低温热源冷源（冷源（heat sink）
4、 恒温热源恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源变温热源 5 1-2 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界 系统系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。 外界外界(surrounding )： 与体系发生质、能交换的物系。 ： 与体系发生质、能交换的物系。 边界边界(boundary)： 系统与外界的分界面（线）。 ： 系统与外界的分界面（线）。 一、定义一、定义 6 二、系统及边界示例二
5、、系统及边界示例 汽车发动机汽车发动机 7 汽缸-活塞装置（闭口系例）汽缸-活塞装置（闭口系例） 8 移动和虚构边界移动和虚构边界 9 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质）外界与环境介质 3）边界可以是：）边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的 注意：注意： 10 三、热力系分类三、热力系分类 按组元数 单元系 按组元数 单元系(one component system;pure substance system) 多元系多元系(multicomponent sy
6、stem) 按相数 单相系 按相数 单相系(homogeneous system) 复相系复相系(heterogeneous system) 注意：注意：1）不计恒外力场影响；）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀）复相系未必不均匀湿蒸汽； 单元系未必均匀 湿蒸汽； 单元系未必均匀气液平衡分离状态。气液平衡分离状态。 1. 按组元和相按组元和相 11 闭口系（闭口系（closed system） （控制质量（控制质量CM） 没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系（开口系（open system） （控制体积（控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换 2. 按系统与
7、外界质量交换按系统与外界质量交换 12 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。 注意： ）孤立系与绝热系的关系。 注意： 4. 简单可压缩系（简单可压缩系（simple compressible system） 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。 绝热系（绝热系（adiabatic system） 与外界无热量交换与外界无热量交换; 孤立系（孤立系（isolated system）
8、 与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。 3. 按能量交换按能量交换 13 四、热力系示例四、热力系示例 1刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内 闭口绝热系闭口绝热系 黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝 闭口系闭口系 黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝 闭口绝热系闭口绝热系 兰线内兰线内 孤立系孤立系 14 闭口系闭口系 2刚性绝热喷管 取红线为系统 刚性绝热喷管 取红线为系统 取喷管为系统取喷管为系统开口系绝热系开口系绝热系? 15 A、B两部落“鸡、犬之声相闻， 民至老死不相往来” 两部落“鸡、犬之声相闻， 民至老死不相往
9、来” A B A部落为系统部落为系统 A+B部落为系统部落为系统孤立系孤立系 闭口系闭口系 16 1-3 工质的热力学状态和基本状态参数工质的热力学状态和基本状态参数 热力学状态（热力学状态（state of thermodynamic system） 系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数（状态参数（state properties） 描述物系所处状态的宏观物理量描述物系所处状态的宏观物理量 SHUTVp, 1状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有，是大量粒子的统计平均效 应，只有平 衡态 平 衡态才有状参，系统有才有状参，系统有多多个状态参数，如
10、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 一、热力学状态和状态参数 二、状态参数的特性和分类 17 2状态的单值函数。状态的单值函数。 物理上物理上与过程无关；与过程无关； 数学上数学上其微量是全微分。其微量是全微分。 1 21 2 d0dd ba xxx ? 3状态参数分类状态参数分类 广延量广延量（extensive property） 强度量强度量（intensive property ） m V v 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。 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
11、位质量参数。 18 三、系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件： 三、系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件： 所有所有状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件： 状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等 19 四、温度和温标（四、温度和温标（temperature and temperature scale） 温度的定义： 测温的基础 温度的定义： 测温的基础热力学零定律热力学零定律 (zeroth law of thermodynamics) 热力学温标和国际摄氏温标热力学温
12、标和国际摄氏温标 (thermodynamics scale; Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Celsius temperature scale) CK 273.15tT 20 华氏温标和朗肯温标 华氏温标和摄氏温标 华氏温标和朗肯温标 华氏温标和摄氏温标 附：附： T R =t +459.67 t =5/9t - -32 t =9/5t + +32 21 五、压力五、压力(pressure) 绝对压力 绝对压力 p(absolute pressure) 表压力表压力 pe（pg）(gauge pressure; ma
13、nometer pressure) 真空度真空度 pv (vacuum; vacuum pressure) bvb ()ppppp 当地大气压当地大气压pb (local atmospheric pressure) p1-2.swf beb ()ppppp 22 常用压力单位：常用压力单位： 63 2 5 2 N 1Pa11MPa1 10 Pa1kPa1 10 Pa m 1bar1 10 Pa 1atm101325Pa760mmHg 1mmHg133.32Pa 1mmH O9.80665Pa 例例A4001441 例例A4002771 23 六、比体积和密度六、比体积和密度 比体积比体积(sp
14、ecific volume) m V v单位质量工质的体积 密度 单位质量工质的体积 密度(density) m V 单位体积工质的质量单位体积工质的质量 1 v 3 m /kg 3 kg/m 两者关系两者关系: 24 1-4 平衡状态平衡状态 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 热平衡热平衡（thermal equilibrium） ： 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。 ） ： 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。 力平衡力平衡（mechanical equilibri
15、um）： 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。 ）： 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。 热力平衡的热力平衡的充要条件充要条件 系统同时达到热平衡和力平衡系统同时达到热平衡和力平衡。 一、平衡状态（一、平衡状态（thermodynamic equilibrium state） 25 讨论：讨论： 1）系统平衡与均匀）系统平衡与均匀2）平衡与稳定）平衡与稳定 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡 27 三、纯物质的状态方程 （ 三、纯物质的状态方程 （pure substance state equation） 状态方程状态方程 0,T
16、vpf 1理想气体状态方程 （ 理想气体状态方程 （ideal-gas equation; Clapeyrons equation） g pvR T 23 Pa N/mm /kgKpvT g pVmR TnRTpV Rg 气体常数 （气体常数 （gas constant） R通用气体常数 （ 通用气体常数 （universal(molargas constant ) J/(kg K) 8.3145J/(mol K)R g RMR 摩尔质量摩尔质量 30 四、 状态参数坐标图（四、 状态参数坐标图（parametric coordinates） 一简单可压缩系只有两个独立参数，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： 一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平 面坐标上一点确定其状
