1、工程热力学课件,华北电力大学 能源与动力工程学院 工程热物理教研室制作 2004年8月,第一章 基本概念,1-1 热力系统,热力系统(热力系、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：系统以外的所有物质,1、系统与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,系统、边界和外界（ surrounding ）,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系(控制体积) (控制质量),是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,热力系统其他分类方式,其他分类方式,物理化学性质,均匀系非
2、均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,简单可压缩系统,最重要的系统 ,简单可压缩系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,2.工质 (工作介质）,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: 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 物质三态中 气态最适宜。,3.热源,定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源（热源 ） 低温热源（冷源） 恒温热源 变温热源,1-2 状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,1-2-1状态参数的特征：,1
3、、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,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,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,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,强度参数与广延参数,强度参数：与物质的量（质量或摩尔量）无关的参数-不具可加性。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,比参数具有强度量的性质,比容,比内能,比焓,比熵
4、,单位：/kg /kmol,1-2-2 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p物理中压强，单位: Pa , N/m2 当地大气压pb：测压仪表所在环境压力 绝对压力 （真实压力 ） p 表压力 pe 当ppb 时 测压表指示数值为表压 即 pe= p-pb 真空度 pv当ppb 时 测压表指示数值为真空度 即 pv= pb-p,绝对压力、表压、真空度、当地大气压关系,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,常用单位：,1kPa=103Pa 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760
5、 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1mmH2O=9.81Pa1 at=1kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,例题： 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（表压力）为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数pgA,解：,2.温度T 的一般定义,宏观：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,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,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温
6、度测量的理论基础 B 温度计,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,温度的测量,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,水沸点,559.67,温标的换算,3.比体积v,m3/kg,工
7、质聚集的疏密程度,定义：单位质量工质的体积。又称为比容。,比体积与密度,密度：单位体积工质的质量,1-3 平衡状态,1、定义：在不受外界影响的条件下，如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：系统内不存在不平衡势,2.平衡与稳定,稳定：状态参数只要不随时间变化即为稳定，不管系统是否受外界影响。,稳定但可能存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,稳定未必平衡,若以铜棒为系统，是否稳定，是否平衡？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,3.平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上（如密度）,平衡可不均匀,4.状态方程,简
8、单可压缩系统独立参数有2个，即已知两个参数可确定系统的状态。,状态方程如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度，比容）描述，描述系统基准状态参数之间的函数关系式，即状态方程。,状态方程的具体形式,理想气体的状态方程,实际工质的状态方程？,状态方程的具体形式取决于工质的性质,范德瓦尔方程,（a,b为物性常数）,BWR方程,维里型方程,可见，实际工质的状态方程是很复杂的,5.坐标图,简单可压缩系2个独立参数，利用平面坐标系可确定状态,p,v,1）系统任何平衡态可表示在坐标图上,说明：,2）过程线中任意一点为平衡态,3）不平衡态无法在图上用实线表示,p-v图,1-4 热力过程,平衡状态,状态不变
9、化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,一般过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,1.准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,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,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
10、=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,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”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA = p外A +f,A,如果 p外微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W = pA dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,注意：上式仅适用于准静态过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,W,
11、准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,1）单位为 kJ 或 kJ/kg,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关功，是过程量,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 外内作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别,例题： 1kg某种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵循：（1）,从初态1到达终态2求：两过程中各作功多少？（a，b为常数）,（2）,解：,（1）,（2）,摩擦损失的影响,若有f 存在，就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,
12、若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失的影响,若 f 0,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,2.可逆过程（reversible process）,定义：系统经历某一过程后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态,并且使相互作用的外界也回复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。,注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的
13、效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源耗散效应,耗散效应,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,自由膨胀,真空,典型的不可逆过程,节流过程(阀门）,p1,p2,p1p2,混合过程,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。,1-5 功和热量,1、力学定义: 力 在力方向上的位移,2、热力学定义(
14、外文参考书）,功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功 容积变化功,其他准静态功：拉伸功，表面张力功等,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“+”； 放热“-”,单位：,热量与T-s图,热量与功的异同：,1.通过边界传递的能量；2.都是过程量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志;热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；,4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的 能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。5.功转变为热是无条件的；热转化为功是有条件
15、、限度的。,1-6 热力循环,要实现连续作功，必须构成循环,定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。,不可逆循环,分类：,可逆,过程,不可逆,循环,可逆循环,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,热力循环的评价指标,正循环（动力循环）：对外作功，吸热,W,T1,Q1,Q2,T2,热效率,制冷系数coefficient of performance,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q1,Q2,T2,1）制冷循环：制冷系数,W,T1,Q1,Q2,T0,2）制热循环（热泵循环）：制热系数、热泵系数,第一章 小 结,透彻理解基本概念： 热力系 平衡、稳定、均匀 准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数 功、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、工作系数,准静态过程的容积变化功,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,重点掌握并熟练应用以下公式：,
