1、第一篇,工程热力学,（Engineering Thermodynamics）,第一章 基本概念,1-1 热力系统,1-2 平衡状态及状态参数,1-3 状态方程与状态参数坐标图,1-4 准平衡过程与可逆过程,1-5 功量和热量,1-6 热力循环,1-1 热力系统,热力学中常把研究的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。这种人为的分割出来的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。, 外界（surrounding）, 边界（boundary）, 热力系统（thermodynamic system）,热力系以外与之相互作用的周围物体统称为外界或环境。,为了避免把热力系和外界
2、混淆起来，设想有分界面将它们分开，这个分界面称为边界。,边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是运动的。热力系的边界常用虚线表示。,举例说明,热力系统分类,根据热力系与外界之间的能量和物质交换情况，热力系可分为：,（1）闭口系（closed system）与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量（control mass，简写为CM）。,（2）开口系（open system）与外界有物质交换的系统。通常总是取一相对固定空间，把研究对象限制在这一空间范围内，也称为控制容积（control volume简写为CV）。,注意： 1）闭口系与开口系都可能通过边界与
3、外界发生能量的传递。 2）区分闭口系和开口系的关键是有没有物质越过了边界，并不是系统内物质的质量是不是发生了变化。,（3）绝热系（adiabatic system）与外界无热量交换的系统。 （4）孤立系（isolated system）外界既无能量交换又无质量交换的系统。,闭口系绝热系,开口系绝热系,Q0, A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”,A,B,A部落为系统,A+B部落为系统孤立系,闭口系,注意： 1）绝热系与孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情况。 2）选取何类热力系对研究问题的结果并无影响，仅与解决问题的繁复程度有关。 3）在作热力学分析时，不仅要考虑热力系内部的变
4、化，同时还要考虑热力系通过边界与外界发生的能量与物质的交换，至于外界的变化则不必研究。, 热机（heat-engine）：凡能将热能转换为机械能的机器统称为热机。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等等，或称热能动力装置。, 热源（heat source）：与热力系有热量交换的物质系统的统称。高温热源热源 恒温热源低温热源冷源 变温热源, 简单可压缩系（simple compressible system）：热力系由可压缩流体构成，与外界只有可逆体积变化功（可逆过程的膨胀功或压缩功）的交换的系统。, 工质（working substance）：实现能量相互转换的媒介物称为工质。,介
5、绍几个常用概念,1-2 平衡状态及基本状态参数,1. 平衡状态（equilibrium state）,（1）热力状态,系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。,（2）平衡状态,在没有外界影响的条件下（重力场影响除外），热力系的宏观性质不随时间而变化的状态。,处于平衡状态的热力系，必须同时具备热平衡和力平衡，对于有化学反应的系统同时还应具备化学平衡。, 热平衡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。温差是驱动热传递的不平衡势差，温差的消失则是系统建立热平衡的必要条件。, 力平衡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。力差也是驱使系统状态变
6、化的一种不平衡势差，力差的消失是使系统建立起力平衡的必要条件。, 对于有化学反应的系统，化学势差的消失才能建立起化学平衡。, 建立平衡状态的充要条件：系统内部或者系统与外界之间各种不平衡势差的消失。,2. 状态参数（parameter of state）,用来描述系统状态的宏观物理量称为状态参数。常用的状态参数有6个，即压力（p）、温度（T）、比体积（v）、热力学能（U）、焓（H）和熵（S）。,状态参数,强度参数:与系统内所含工质的数量无关 的状态参数，如 p、T 等。不具有可加性。,广延参数:与系统内所含工质的数量有关的状态参数。如 V、U、H、S 等。具有可加性。单位质量的广延参数，具有强
7、度参数的性质，称为比参数，如 v、h、u、s 等。,状态参数的特点,状态参数是状态的单值函数，热力系的状态一定，其状态参数的数值也一定。系统状态变化时，初、终状态参数的变化值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的路径无关。,当系统经历一系列状态变化而又回复到初态，其状态参数的变化为零。,如果能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数。,处于平衡状态的热力系，状态参数具有确定的数值。而非平衡状态的热力系其状态参数是不确定的。,工程热力学通常只研究平衡状态，它是经典热力学理论框架得以建立的重要基础。,3. 基本状态参数,压力（p）、温度（T）、比体积（v）可以直接或间接地用仪表测量出来
8、，称为基本状态参数。,（1）压力（pressure）,单位面积上所受到的垂直作用力（压强）。,P为工质的真实压力，即绝对压力。,根据分子热运动学说，气体的压力是大量气体分子运动撞击容器壁面所产生的平均结果。,力,面积,16,常用非SI压力单位：,国际单位制 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,1 bar（巴） = 105 Pa,1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa,1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa,压力测
9、量：,只有绝对压力 p 才是状态参数。,绝对压力 p 表压力 pe（pg） 真空度 pv,当地大气压 pb,负压,正压,18,（2）温度（temperature）,温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。,当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据 。,1）温度的物理意义,2）热力学第零定律,如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。,热力学第零定律是温度测量的理论依据 。,3）温标,温度的数值表
10、示法。,国际单位制（SI）采用热力学温标作为基本温标。,用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T 表示，单位为 K（开）。,热力学温标（绝对温标）:,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,摄氏温标:,用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位为（摄氏度）。,摄氏温度的定义式为：,摄氏温度的零点相当于热力学温度的273.15K，1 =1K,（3）比体积（specific volume）,定义：,单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为 m3/kg 。,密度：,单位体积的工质所具有的质量，用符号 表
11、示，单位为 kg/ m3 。,比体积和密度不是两个互相独立的状态参数。通常以比体积作为状态参数 。,1-3 状态方程与状态参数坐标图,（1）状态公理,对于简单可压缩系统，只需给出两个相互独立状态的参数（如 p、T）便可确定它的平衡状态。,（2）状态方程式,表示基本状态参数之间关系的方程式称为状态方程式 。如：,（3）状态参数坐标图,在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态，而非平衡状态无法在图上表示。,以独立状态参数为坐标的坐标图。,1-4 准平衡过程和可逆过程,（1）热力过程,热力系从一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态称为热力过程，简称过程。,P,Pb,P,P
12、 = P+ Pb,P = Pb,PPb,（2）准平衡过程（quasi-equilibrium process）,由一系列非常接近平衡状态的状态所组成的过程就称为准平衡过程，也称为准静态过程（quasi-static process）。,准平衡过程的实现条件是：破坏平衡状态存在的不平衡势差（除力差外，还包括温差、化学势差等）应无限小。,准平衡过程是实际过程的理想化，是实际过程进行得非常缓慢的一个极限。实际设备中所进行的过程都是在有限势差作用下进行的，都是非平衡过程。但在热力学中，为便于分析，常把实际过程当作准平衡过程来处理。这是因为系统在平衡状态被破坏后自动恢复平衡所需的时间，即所谓弛豫时间非常
13、短，而过程进行的时间远大于弛豫时间，系统一旦偏离平衡状态，系统很快重新恢复平衡状态。因此，将某些实际设备中进行的过程视为准平衡过程是可以被允许的。如果在某些情况下这样的处理会带来较大的误差时，应引入考虑不平衡影响而进行的修正。,在状态参数坐标图上，准平衡过程可以用连续的实线表示。,（3）可逆过程（reversible process）,当系统完成了某一过程之后，如果系统能沿原路径逆行而回复到原来状态，同时外界也随之回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。,可逆过程的特征是： 1）准平衡过程，因为在有限势差作用下进行的非平衡过程必然导致不可逆。 2）在可逆过程中不应有任何诸如摩
14、擦、电阻、磁阻等的耗散效应（通过摩擦、电阻、磁阻等使功变为热的效应称为耗散效应，由此造成可用功的损失称为耗散损失）。,实现可逆过程的的充要条件，一是过程没有势差（或势差无限小）如传热没有温差，作膨胀功没有力差等，二是过程没有耗散效应，如机械运动没有摩擦，导电没有电阻等。也可以说，只有准平衡过程且过程中无任何耗散效应的过程才是可逆过程。,准平衡过程与可逆过程的联系与区别：,1）两个过程都是由一系列平衡状态所组成，在状态参数坐标图上都能用一条连续的曲线来表示。,2）有无耗散损失,可逆过程是一切实际过程的理想化极限，实际上是不可能实现的。引入可逆过程是一种研究方法。,可逆过程一定是准平衡过程，但准平
15、衡过程则不一定是可逆过程。,引入可逆过程的概念对分析实际过程有何意义？,实际过程都或多或少地存在着各种不可逆因素，都是不可逆的。在对不可逆过程进行分析计算时往往是相当困难的，为了简便起见，通常把实际过程当作可逆过程来进行分析计算，然后再用一些经验系数加以修正。另外，可逆过程是一切实际过程的理想化极限模型，可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失，因而可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限。,1-5 功量与热量,1. 功量（work）,功的力学定义：力与沿力作用方向产生位移的乘积。,功的热力学定义：热力系与外界间通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。,功是与过程性质有关的过程
16、量。功不是状态参数。,国际单位制：J（焦耳）或 kJ（千焦）,比功：单位质量的物质所作的功。单位：J/kg 或 kJ/kg 。,功率：单位时间内完成的功。单位：W（瓦）或 kW （千瓦） 。,1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W,热力学中规定：系统对外界作功取为正值，外界对系统作功取为负值。,1J=1Nm，1kJ=103 J, 体积功（膨胀功或压缩功）,工质通过体积变化（膨胀或压缩）所做的功。,讨论可逆过程的体积功,对于微元可逆过程,对于可逆过程12,若工质质量为mkg,1kg,膨胀：dv 0 , w 0,压缩：dv 0 , w 0,w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积12nm1
17、来表示， p-v图称为示功图,功是过程量而不是状态量。,讨论,有用功概念,其中: W膨胀功；Wl 摩擦耗功；Wp 排斥大气功。,pb,f,用外部参数计算不可逆过程的功,?,36,2. 热量与示热图,（1）热量,系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量，符号为Q ，单位为J 或kJ。,单位质量工质所传递的热量用q表示，单位为 J/kg 或 kJ/kg。,热量正负的规定：,系统吸热：q 0,系统放热：q 0,热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量。,在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式具有相同的形式。,功量：,热量：,s 称为比熵。比熵同比体积
18、 v 一样是工质的状态参数。,比熵的定义式：,（可逆过程）,比熵的单位为J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。,对于质量为 m的工质,S为质量为 m 的工质的熵，单位是 J/K。,根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：,（2）示热图（T-s图）,在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s 图（温熵图）上过程曲线下的面积来表示。,温熵图也称示热图。,1-6 热力循环,工质从某一初态出发，经历一系列状态变化后，又回复到初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环（cycle）。按循环性质分 可逆循环不可逆循环按循环产生的效果不同正循环逆循环,1. 正循环及其热效率,将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。,在p-v图上，正向循环按顺时针方向进行。,w0 = q1 - q2,循环热效率 ：,循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然， t 1。,2. 逆循环及其性能系数,消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环。,在p-v图上，逆向循环按逆时针方向进行。,w0 = q1 - q2,通常用工作系数评价逆向循环的热经济性。,制冷系数 ：,制冷装置工作系数,供热系数 ：,热泵工作系数,
