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1、第一章 基本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程1-6 过程功和热量1-7 热力循环1一、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。分 类气体动力装置(combustion gas power plant)内燃机(internal combustion gas engine)燃气轮机装置(gas turbine power plant)喷气发动机(jet power plant) 蒸气动力装置 (stea
2、m power plant)1-1 热能和机械能相互转换的过程 2二、工质(working substance; working medium)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 气态最适宜。1）膨胀性2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取3三、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。 高温热热源热热源 （ heat source ）低温热热源冷源（heat sink） 恒温热热源(constant heat reservoir)变变温热热源4蒸汽动力装置中热能转
3、变为机械能的过程过热器134锅炉给水泵汽轮机发 电 机冷 凝 器26冷却水热能动力装置的工作过程： 工质自 高温热源 吸热将其中一部分 转化为机械能 而作功把余下部分 传给 低温热源5第一章 基本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程1-6 过程功和热量1-7 热力循环61-2 热力系统 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。 外界(surrounding )：系统统之外的所有物质统质统 称为为外界或
4、环环境。 边界(boundary)：系统与外界的分界面。一、定义系统与外界的作用都通过边界7 汽缸-活塞装置 二、系统及边界示例8二、系统及边界示例 汽车发动机9边界特性固定、活动真实、虚构10闭口系（closed system）系统与外界之间没有物质交换， 只有能量交换.（控制质量系）。开口系（open system）系统与外界之间既有物质 交换，又有能量交换。 （控制容积系统）。(1) 按系统与外界是否进行质量交换三、热力系分类112. 按系统与外界能量交换情况划分a: 简单系统（Simple system）b: 绝热系统（Adiabatic system）c: 孤立系统（Isolated
5、 system）系统与外界只交换热量和一种形式的功。系统与外界之间完全没有热量交换。系统与外界之间既无物质，又无能量交换。121234mQW1 开口系热力热力系统非孤立系相关外界 孤立系1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系1+2+3+4 孤立系131）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；3）孤立系与绝热系的关系。注意：3. 简单可压缩系统（simple compressible system）最重要的系统 只交换热量和一种体积变化功的系统体积变化功压缩功 膨胀功14三、热力系分类按组元数 单元系 由单一化学成分的物质组成，即纯质系统。多元系 由多种物质组成的系统。按相数
6、(一个相是指物质质系统统在空间间上一个均匀的部分，例如气相、液相等。) 单单相系复相系注意：1）不计恒外力场影响；2）复相系未必不均匀湿蒸汽；单元系未必均匀气液平衡分离状态。 4. 按组元和相数划分15第一章 基本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程1-6 过程功和热量1-7 热力循环161-3 工质的热力学状态和基本状态参数热力学状态把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态状态参数描述物系所处状态的宏观物理量热力学状态和状态参数状
7、态参数的特征： 1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分17状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与 初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化 山高度变化18状态参数的微分特征设 z =z (x , y)dz是全微分充要条件：可判断是否 是状态参数19强度参数与广延参数 强度参数：与物质的量无关的参数如压力 p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 比参数：比容比内能比焓比熵 单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质20温度
8、T 的一般定义传统：冷热程度的度量。微观：衡量分子平均动能的量度T 0.5 m w 2热力学第零定律（the zeroth law of Thermodynamics）如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡， 则它们彼此也处于热平衡。 引出了温度的概念 21温度的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系， 必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述 此宏观特征的物理量 温度。温度是确定一个系统是否与其它系统 处于热平衡的物理量。22经 验 温 标物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）基准点 刻度 ScaleReference state温标： 温度的数值表示法。23温标Temperatur
9、e scale 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907） 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736) 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)24常用温标之间的关系 绝对K摄氏 华氏F朗肯R 100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-45
10、9.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.6725温标的换算26Temperature Measurement Devices水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARSCARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法相干反斯托克斯喇曼光谱）法272. 压力 （pressure） （1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，用p表示。 （2）单位： 大气压的倍
11、数表示 atm, at 液柱的高度表示 mH2O, mmHg 国际单位制，单位面积上所受的力表示 pa常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 mmHg = 133.3 Pa1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa28压力p测量绝对压力与环境压力的相对值相对压力 注意：只有绝对压力 p 才是状态参数U-tube manometerBourdon Tube29绝对压力与相对压力示意图当 p pb表压力 pe当 p p0活塞上行中间状态：不平衡状态
12、中间过程：不平衡过程48准静态过程p1 = p0+重物p，Tp0假如重物有无限多层 每次只去掉无限薄一层pv12.系统随时接近于平衡态49实现条件 ： 推动过程进行的势差（温差，压差）无限小， 保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡状态。特点：是实际过程进行的无限缓慢的极限情况，是热 力学意义上的缓慢。好处： （1）可用确切的状态参数描述过程；（2）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程驰豫时间 （relaxation time）当工质在平衡被破坏后，自动恢复到 平衡所需时间。50准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间 （外部作用时间）恢复平衡所需时间 （驰豫时间）有足够时间恢复新平衡 准静态过程5
13、1准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机 2000转/分曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间 （外部作用时间）恢复平衡所需时间 （驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”52可逆过程 （reversible process）可逆过程：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢 复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆 过程。实现条件：是无耗散的准静态过程。 p A pext AF21F=0耗散效应：通过摩擦，粘性扰动，温差传 热等消耗功
14、或潜在作功能力的损失 53可逆过程与准静态过程的关系区别：二者的着眼点不同。 准静态：只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械 摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响 可逆过程：分析工质与外界作用所产生的总效果。不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与外 界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在 任何能量的耗散。541. 不平衡过程，一定是不可逆过程；2. 不可逆过程就是指工质不能恢复原来状态的过 程；3. 一个可逆过程必须同时也是一个准平衡过程， 但准平衡过程不一定是可逆的。4. 实际过程都是不可逆过程。|思考题55常见的不可逆过程不等温传热T1T2T1T2Q节流过程(阀门）p1p2p1p256常
15、见的不可逆过程 混合过程 自由膨胀真空 57引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。58第一章 基本概念1-1 热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程1-6 过程功和热量1-7 热力循环59过程功和过程热量功（work）（1）力学中功的定义：力和沿力的方向位移的乘积。 （2）热力学中功的定义：在热力过程中，功是热力系统通过边界而传 递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。 1. 功的定义60 膨胀功：工质在体积膨胀时所作的功； 压缩功：工质受压缩时外界对工质所作的功。对准平衡过程：系统在整个过程中作功比膨胀功 ：单位质量工质所作的膨胀功 。（3）体积变化功通过工质体积的变化而与外界交换的功量 p Adx615. 示功图：对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用、 过程线下面的面积表示p A21
