1、2019/5/29,第一篇 工 程 热 力 学,2019/5/29,工程热力学是从工程应用的角度研究热能与机械能之间相互转换的规律。,工程热力学是各种动力装置、制冷装置、热泵空调机 组、锅炉及各种热交换器进行分析和计算的理论基础。本篇主要讲述：热力学的基本概念及基本定律（热力 学第一定律、热力学第二定律）；理想气体的热力性质和 热力过程；参与能量转换与传递的工作介质（水蒸气、混 合气体、湿空气等）的热力性质；蒸汽动力循环；气体和 蒸汽的流动等工程热力学基础知识。,2019/5/29,第一章 热力学基本概念,2019/5/29,学习导引,本章介绍了许多重要的概念，对于后续内容的学习非常重要。在学
2、习过程中，应注意把相关的概念串接起来，既对单个概念的物理意义有较深刻的理解，又能从整体上将这些概念有机的联系起来。,2019/5/29,学习要求,理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；掌握绝对压力、表压力和真空度的关系。掌握平衡状态的物理意义及实现条件。了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。理解热力过程、准平衡过程和可逆过程的物理意义与联系，能正确判定准平衡过程和可逆过程。,2019/5/29,本章难点,本章的许多概念比较抽象，较难理解。学习中应将抽象的概念与具体的物理量或图形联系起来。在工程热力学
3、中普遍采用抽象和简化的方法，为此，应对研究方法的实用性和科学依据有比较深刻的理解。,2019/5/29,第一节 工质和热力系,一、工质1. 什么是工质 ?实现热能与机械能相互传递与转换的媒介物质。2. 工质特性:可压缩、易膨胀、易流动3. 常用工质:热机循环中: 水蒸气、空气 、燃气 、制冷循环 、热泵循环中: 氨 、氟里昂,2019/5/29,蒸汽动力循环示意图,2019/5/29,二、 热力系、 边界与外界,1. 热力系在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，并将之人为划分出来,称为热力系统，简称热力系或系统。可为真实的物质、设备或假想的热力学模型如:泵中的水、汽轮机 、卡
4、诺热机,2019/5/29,热力系,2019/5/29,热力系,2019/5/29,2. 外界 与热力系相互作用的周围物体。 3. 边界 热力系与外界之间的分界面。可实际存在,亦可假想;可固定不动,亦可移动或变形。,2019/5/29,三、 热力系的分类,（1）封闭热力系,与外界有能量传递,无物质交换的系统。系统的质量恒定不变。,2019/5/29,（2）开口热力系 与外界有能量、 物质交换的系统。系统的容积始终保持变。 （3）绝热热力系 与外界没有热量交换的系统。,2019/5/29,（4）孤立热力系与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。,2019/5/29,特殊热力系,如:热源
5、本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。,2019/5/29,第二节 工质的热力状态和基本状态参数,工质在进行热量传递和能量转换的过程中, 其状态不断发生变化,低温液态,过热蒸汽,2019/5/29,一、 热力状态和状态参数,热力状态工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态， 简称状态。状态参数描述工质热力状态的宏观的物理量。状态参数特征： 状态参数的变化量只与初、终态有关，与所经历的路径无关。 经历一个循环，状态参数的变化量必为零。 状态参数与状态一一对应。,2019/5/29,
6、常用状态参数,基本状态参数温度（T）、压力（p）、比体积（v）导出状态参数热力学能（U）、焓（H）和熵（S）,可直接或间接测量,2019/5/29,二、 基本状态参数,温度用来标志物体冷热程度的物理量。温度是热平衡的判据 。温度的测量: 温度计 温度的数值表示: 温标,温度相等,热平衡,2019/5/29,在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ，纯水的沸点温度为100 ，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01 。,瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。,选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0 100 温度下的体积差均分成100份，每
7、份对应1 。,摄氏温标,2019/5/29,用热力学温标确定的温度称为热力学温度。,英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称绝对温标。,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。,热力学温标,基本状态参数,2019/5/29,温差: 1 K = 1 ,T = t + 273.15 或 T = t + 273,热力学温标与摄氏温标的关系,2019/5/29,基本状态参数,2. 压力 指单位面积上承受的垂直作用力(即压强) .压力的实质:大量分子向容器壁面撞击的平均结果.压力的符号: p 压力的单位:
8、Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 1 MPa = 103 kPa =106 Pa,2019/5/29,工程上常用非SI压力单位,1 bar（巴） = 105 Pa,1 atm（标准大气压） = 1.01325105 Pa,1 at （工程大气压） = 9.80665104 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.80665 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.322 Pa,压 力,2019/5/29,压 力,压力的测量: 测压计,2019/5/29,压 力,三种压力绝对压力 p表压力 pg p pg + pb ( pb :当地大气压力 )真空度 pv p pb pv,只有绝
9、对压力才是状态参数,2019/5/29,p、pg、pv与pb间的关系,压 力,p,pg,pb,p,pv,p=0,pb,2019/5/29,例1-1 某蒸汽锅炉压力表读数为12.5MPa，凝汽器的真空表读数为95KPa。若当地大气压力为标准大气压，试求锅炉及凝汽器的绝对压力为多少。,解：由题意知，大气压力为pb1.01325105Pa。 锅炉中蒸汽的绝对压力为ppg+pb12.5106+1.0132510512.601325106（Pa）12.601325（MPa）凝汽器内蒸汽的绝对压力为ppbpv1.01325105951036.325103（Pa）6.325（KPa）,2019/5/29,若
10、题中没有给出当地大气压，则对高压容器取pb0.1MPa，此时锅炉内的蒸汽绝对压力为 ppg+pb12.5+0.112.6（MPa） 计算误差很小，可以忽略。但对凝汽器内的蒸汽， 其绝对压力为 ppbpv0.1106951035103（Pa）5（KPa） 由此引起的相对误差20.9,可见，对于低压或负压空间，近似取值会引起很大的误差，计算应用时必须采用真实大气压力。,2019/5/29,基本状态参数,3. 比体积 指单位质量的工质所占有的体积, 用符号 v 表示，单位为 m3/kg 。 比体积与密度,2019/5/29,第三节 平衡状态及状态方程,一、平衡状态、状态方程式及状态参数坐标图1. 平
11、衡状态指在没有外界作用（重力场除外）的情况下，热力系的宏观性质不随时间变化的状态;否则为非平衡状态。条件：力平衡、热平衡用状态参数描述热力系状态特性，只有在平衡状态下才有可能。平衡状态为理想状态。,2019/5/29,一个热力系，当其内部无不平衡的力，且作用在边界上的力和外力平衡，则该热力系处于力平衡；当热力系内各点温度均匀一致且等于外界温度时，则该热力系处于热平衡。热力系要达到平衡状态，必须满足力平衡和热平衡这两个条件。如热力系内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。可见，处于平衡状态的热力系其内部各处都是相同的状态，并且不会发生变化，因而可用确定的状态参数加以描述。,2019/5/29,2.
12、 状态方程式,表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式 。描述热力状态的各状态参数往往互有联系，可用状态方程式来表示。对于气态工质组成的简单热力系，只需两个独立的状态参数就可确定其平衡状态。P f1（v，T） V f2（p，T） T f3（p，v）,2019/5/29,3. 状态参数坐标图,由任意两个独立的状态参数构成的平面坐标图 。 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。如: p-v图,2019/5/29,第四节 理想气体状态方程,一、理想气体与实际气体1. 什么是理想气体 ?所谓理想气体是一种经过科学抽象的假想气体，这种气体必须符合两个假定：（1）气体的分子
13、是一些弹性的、不占体积的质点。（2）分子间没有相互作用力。如在常温下，压力不超过5MPa的O2、N2、H2、CO、CO2 等及其混合物、大气或燃气中所含的少量水蒸气，都可作为理想气体处理。工程热力学提到的气体均指理想气体。否则为实际气体, 如蒸汽动力装置中的水蒸汽、各种制冷剂蒸汽,2019/5/29,二、 理想气体状态方程,当理想气体处于任一平衡状态时，三个基本状态参数之间满足:,Rg 气体常数，单位为J/(kgK)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。,称为理想气体状态方程又称克拉贝龙方程式,2019/5/29,SI制中，物质的量以mol （摩尔）为单位，因此, 还有其它形式的理想气体状
14、态方程式。,对于质量为mkg 的理想气体，有,理想气体状态方程,物质的量与摩尔质量的关系：,物质的量：n ，单位： mol（摩尔）。,摩尔质量： M ，1 mol物质的质量，kg/mol。,2019/5/29,若令RMRg ，,理想气体状态方程,1kmol物质的质量在数值上等于该物质的相对分子质量。如:,摩尔体积： Vm ，1 mol物质的体积， m3/mol。,R摩尔气体常数（又称为通用气体常数), J/(molK)。,，则有,2019/5/29,已知在物理标准状态(压力为101325Pa，温度为273.15K)下，1kmol任何气体所占有的体积为22.41410 m3。故有,理想气体状态方
15、程,不同气体的气体常数Rg与通用气体常数R的关系:,根据阿佛伽德罗定律，同温、同压下任何气体的摩尔体积Vm 都相等，所以任何气体的摩尔气体常数R 都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。,J/(molK) ,2019/5/29,例3-1 氧气瓶内装有氧气，其体积为0.025m3，压力表读数为0.5MPa，若环境温度为20，当地的大气压力为0.1 MPa，求：（1）氧气的比体积；（2）氧气的物质的量。,解：（1）瓶中氧气的绝对压力为 p（0.50.1）1060.6106（Pa）气体的热力学温度为 T273.1520293.15 （ K ）气体常数为 J/（kgK）根据公式（3-1）得氧气的比体积为 （m3/kg）（2）根据公式（3-4）得氧气物质的量为（mol）,2019/5/29,本章小结,一、工质 二、热力系 三、状态参数 四、平衡状态 五、热力过程(准平衡过程、可逆过程),2019/5/29,课堂练习,P12-2 、8,2019/5/29,作业,P12-7 、 10,
