湖南大学 工程热力学 第一章 基本概念

BasicConceptsandDefinition第一章基本概念1-1热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置定义：从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备）分类：蒸汽动力装置燃气动力装置内燃机构造内燃机工作原理动画蒸汽动力装置系统简图汽轮机冷凝器发电机水泵锅炉四个主要装置：锅炉汽轮机凝汽器给水泵水蒸气动力循环系统锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器燃气轮机燃气轮机结构图活塞热动力装置的本质利用某一种媒介物从某个能源获取热能，具备作功能力并对机器作功，最后把余下的热能排向环境介质(大气或冷却水)本质特性：吸热→膨胀做功→排热工质：实现热能与机械能相互转化的媒介物质热源：工质从中吸取热能的物系，或称高温热源冷源：接受工质排出热能的物系，或称低温热源三个基本概念热能吸热膨胀作功排气机械能热动力装置的工作过程：工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并将余下部分传给低温热源1-2热力系统工程热力学中，为分析问题方便起见，和力学中取分离体的方法一样，把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来,研究它与周围物体之间的能量和物质的传递.选取热力系统是热力学分析的首要步骤目的：明确研究对象所包含的范围和内容能清楚地显示它与周围事物的相互关系便于针对热力系统建立定性和定量的关系概述•系统—人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统一、系统、边界与外界Thermodynamicsystem,boundaryandsurrounding•边界—分隔系统与外界的分界面（线）•外界—边界以外与系统相互化作用的物体，通过功、热、物质交换3种形式与系统相互作用边界特性实际或假想固定或运动系统与外界的作用都通过边界二、热力系统的分类(1)按系统与外界质量交换分类闭口系—closedsystem开口系—opensystem控制质量CM系统通过边界与外界只有能量交换而无物质交换控制体积CV通过边界与外界有能量与物质交换热力系统的分类(2)绝热系统—adiabaticsystem孤立系统—isolatedsystem系统与外界无热量交换（理想化）如汽轮机、喷管系统与外界无任何形式的质能交换(理想化)一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象成孤立系统热力系统选取的人为性（1）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1234mQW1开口系热力系统选取的人为性（2）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孤立系热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质非均匀系工质种类多元系单元系相态多相系单相系均匀系1-3工质的热力学状态及其基本状态参数Stateofthermodynamicsystemandstateproperties状态:某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况状态参数:描述工质所处状态的宏观物理量，如T，P状态参数的特征：1.状态确定，则状态参数也确定，反之亦然.状态参数的全部或部分变化，则工质的状态发生了变化。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（物理特征）3.状态参数的微分特征：全微分（数学特征）热力学中常见的状态参数基本状态参数：温度T压力p体积V可以直接用仪表测量出来其他：内能U、焓H、熵S、自由能等可以根据基本状态参数间接计算出来强度性参数与广延性参数强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量的多少无关，不具有可加性，如压力p、温度T；在热力工程中起着推动力作用，又称为广义力或势广延性参数：整个系统的广延性参数等于各单元体该广延性参数值之和，具有可加性，如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S；又称为广义位移比参数：比容VvmUum比内能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质一、温度temperature热力学第零定律：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度测量的理论基础B温度计常用温标temperaturescale绝对K摄氏℃100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1537.8冰熔点水三相点水沸点温标：温度的数值标尺SI规定：符号：T单位：K开温标的换算O[][]273.15TKtCO5[]([]32)9tCtF2.压力p单位:Pa,N/m2常用单位：1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104Pa绝对压力：通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力（压强）大小p=F/f对于理想气体：p=2/3n(mw2/2)=2/3nBT压力p的测量相对压力:压力计指示的压力是工质的绝对压力与环境压力的相对值，随地理位置及气候条件等因素而变化注意：只有绝对压力p才是状态参数PbppPePvPb绝对压力与相对压力当pPb表压力pe当pPb真空度PvPbpepPvpP=Pb-PvP=Pb+pe03.比容vspecificvolume［m3/kg]Vvm工质聚集的疏密程度物理上常用密度1v［kg/m3]例题1.某热电厂新蒸汽的表压力为10MPa，凝汽器的真空度为94620Pa，送风机表压为145mmHg，当时气压计读数为755mmHg。试问以Pa为单位的绝对压力为多少？送风机送出的空气，其绝对压力为1.解大气压力新蒸汽的绝对压力为凝汽器中蒸汽的绝对压力为755133.322100660PabP61100660101010100660Pabeppp2100660942606040Pabvppp145133.322119990Pabpp2.如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内汞柱高度差H=300mm，气压表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peAHABBA6101325Pa0.254310Pa355600PaBbepPp(133.32300)Pa355600Pa0.3956MPaABpHp0.3956MPa0.101325MPa0.2943MPaeAAppB解：HABBA1-4平衡状态、状态方程式、坐标图Thermodynamicequilibriumstate，stateaxiomandstateequation一、平衡状态定义：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，同时系统内外建立了热和力的平衡，则该系统处于热和力的平衡状态，简称平衡状态。平衡的本质：不存在不平衡势化学反应—化学不平衡势PP-dpAB温差—热不平衡势压差—力不平衡势为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述.但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述二、状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差达到某一方面平衡消除一种能量传递方式而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等三、状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态方程简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统N=?状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系),(Tpfv0),,(Tvpf状态方程的具体形式理想气体的状态方程RTpvpVmRT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坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）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常见p-v图和T-s图1-5准静态过程与可逆过程Quasi-staticprocessandreversibleprocess一、一般过程p1=pb+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2=pbT2=T0pv12..二、准静态过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0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准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，那工程上怎样处理？定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程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=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/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”三、可逆过程的定义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。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。pvAB...3.4.2.1.5可逆过程与准静态过程准静态过程+无耗散效应=可逆过程系统内部无不平衡势差（热力）通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）耗散效应不可逆根源耗散效应不平衡势差系统与外界无不平衡势差（热力）典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••典型的不可逆过程节流过程(阀门）p1p2p1p2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。四、可逆过程的膨胀功力学定义:W=Fx功的一般表达式:wFdxFdxw功是过程量功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示热力学膨胀功对于1kg工质对于mkg工质222111WFdxpAdxpdV2122111WwpdVmmVpdpdvmdW=pdV系统对外作功为“+”功的单位：J功率的单位：J/s1kw·h=3600kJ功的符号约定：功的单位及符号规定W0+W0-dW=pdv外界对系统作功为“-”四、可逆过程的热量与熵热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分。另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？引入“熵”熵-Entropy的定义熵的简单引入比参数[kJ/(kg·K)]ds:可逆过程δq除以传热时的T所得的商广延量[kJ/K]QdSTqdsT熵的说明熵是状态参数熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向符号规定系统吸热时为正δQ0dS0系统放热时为负δQ0dS0系统绝热时δQ＝0dS＝0用途：判断热量方向，计算可逆过程的传热量热量与容积变化功比较能量传递方式容积变化功热量性质过程量过程量推动力压力p温度T标志dV,dvdS,ds公式pdvwTdsqpdvwTdsq条件准静态或可逆可逆示功图与示热图pVWTSQ示功图温熵图pdVWTdSQ通过边界传递的能量功传递由压力差推动，比容变化是作功的标志热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志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功过程量热量与功的异同相同点不同点是有条件、限度的