工程热力学与传热学基础知识

1第一篇工程热力学2第一章基本概念掌握热力系统、平衡状态、准静态过程、可逆过程等基本概念。掌握状态参数的特征，基本状态参数p，v，T的定义和单位等。掌握热量和功量过程量的特征。31-1热力系统（system）热力系统(热力系、系统)---人为分离出来的研究对象。外界--surrounding：与系统发生质、能交换的物系。边界（boundary）：系统与外界的分界面（线）。4a.边界特性假想的、实际的、固定的、运动的、可变形的5b.系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热62、Classificationofsystem热力系统分类A、以系统与外界关系划分：7边界闭口系统（1）闭口系统与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。外界8（2）开口系统与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。进口出口（3）绝热系统与外界没有热量交换的系统。（4）孤立系统与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。91+2闭口系1+2+3绝热闭口系1234mQW1开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2+3+4孤立系系统划分图例说明10热机：能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。例如空气、燃气、水蒸气等。11热源：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。例如锅炉、循环水池、大气等。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。121-2状态和基本状态参数1.热力状态和平衡状态（1）热力状态（State）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（Equilibrium）在不受外界影响的条件下（重力场除外），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。13平衡的类型Thermalequilibrium（热平衡）----temperatureMechanicalequilibrium（力平衡）----pressurePhaseequilibrium（相平衡）Chemicalequilibrium（化学平衡）----nochemicalreactions系统内部不存在热量传递，即各处的温度均匀一致的状态称为热平衡状态。14平衡的实质不存在不平衡势–温差（Temperaturedifferential）—热不平衡势–压差—力不平衡势–相变—相不平衡势–化学反应—化学不平衡势15状态参数的特点：（3）状态参数用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径（path）无关，只与初终态（state）有关状态参数的微分特征：全微分16状态参数的分类Intensiveproperties强度参数：–与物质的量无关的参数。如压力p、温度TExtensiveproperties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：具有强度参数的性质，其单位：/kg/kmolVvmUumHhmSsm17区分参数类型的判据mVTPρ½m½VTPρ½m½VTPρExtensivepropertiesIntensiveproperties182.基本状态参数工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。19（1）压力（Pressure）单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）FpA单位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，1MPa=103kPa=106Pa20Pressuremeasurement压力的测量绝对压力、表压力与真空度Absolutepressure、gagepressureandvacuumpressure当pPb表压力Peebppp当pPb真空度PvbvpppPbPepPvp21绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv只有绝对压力p才是状态参数。22常用非SI压力单位：1bar（巴）=105Pa1atm（标准大气压）=1.013105Pa1at（工程大气压）=0.981105Pa1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa23（2）比体积定义：单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为m3/kg。Vvm密度：1v单位体积工质的质量，用符号表示，单位为kg/m3。比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数。24（3）温度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）温度的物理意义温度相等热平衡252）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。ABC3）温标：温度的数值表示法。建立温标的三个要素：a.选择温度的固定点，规定其数值；b.确定温度标尺的分度方法和单位；c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的依据。26摄氏温标: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。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℃。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，每份对应1℃。27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）:英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。热力学温标与摄氏温标的关系：温差:1K=1℃t=T–273.15K28国际单位制（SI）采用热力学温度T作为基本状态参数。4)温度的测量a.接触式水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。b.非接触式光学辐射高温计激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法291-3状态方程、参数坐标图一、状态方程对于由气体工质所组成的热力系，当处于平衡状态时，热力系内各部分将具有相同的压力、温度和比容等参数。30实验：酒瓶受热啤酒瓶受热爆炸红酒瓶木塞受热向子弹一样发射31维持气体的比容不变，加热后，压力将随温度的升高而增大；当压力不变时，气体的比容随温度的升高而加大；如果比容和压力保持不变，则温度是个定值实验结论32（2）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。如：(,)pfvT,,0FpvT(,)Tfpv例：理想气体状态方程pvRT上式称为状态方程，它们的具体形式取决于工质的性质，一般由实验求出，也可由理论分析求得。33（1）状态公理对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v，p、T或v、T）便可确定它的平衡状态。二、状态参数坐标图34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。以独立状态参数为坐标的坐标图。（2）参数坐标图35课后作业思考题1、2、3练习题1、2、3、4