第一章基本概念

1第一章基本概念1.1热能与机械能之间的转化过程从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的一整套设备，统称为热能动力装置，简称动力装置，其中把热能转化为机械能的设备叫做热机。动力装置由于燃料性质、燃烧设备的不同，以及其他因素的影响，可分为蒸汽动力装置、内然动力装置、核动力装置等。热机分内燃机、汽轮机、燃气轮机以及喷射推进式动力机等。1.1.1蒸汽动力装置蒸汽动力装置的系统简图如图1－1所示。这是由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组成的一套热力设备。燃料在锅炉中燃烧，使化学能转变为热能，锅炉沸水管内的水吸热后变为蒸汽，并且在过热器内过热，成为过热蒸汽。此时蒸汽的温度、压力比外界介质(大气)的温度及压力高，具有作功的能力。当它被导入汽轮机后，先通过喷管，蒸汽由于膨胀，降力降低，速度增大。这样，具有一定动能的蒸汽推动叶片，使轴转动作功。作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷却，凝结成水，并由泵打入锅炉内加热。如此周而复始，锅炉不断产生蒸汽，汽轮机不断作功。21－炉子；2－炉墙；3－沸水管；4－汽锅；5－过热器；6－汽轮机；7－喷嘴；8－叶片；9－叶轮；10－轴；11－发电机；12－冷凝器(凝汽器)；13、14及16－泵；15－蓄水池1.1.2核动力装置压水堆核电站是利用压水反应堆释放的热能进行发电的一种核动力装置，图1－2为其原理流程图。图的左半部分(即虚线框出的部分)称为核供汽系统(或称一回路系统)，它是将反应堆核燃料释放的热能送往蒸汽发生器使之产生蒸汽的装置。现代大功率压水堆核电站的核供汽系统一般有2~4个并联环路，对称地布置在反应堆压力容器的四周。每一条环路都由一台冷却剂泵、一台蒸汽发生器以及相应的管道阀门组成，分别与反应堆压力容器的进口接管和出口接管连接。此外，核供汽系统还没有一台稳压器，用来稳定系统的压力。整个核供汽系统布置在一个大安全壳内，这样3一旦核供汽系统发生冷却剂泄漏时，不致对周围环境造成放射性污染。图的右半部分称为热能－电能转换系统(或称二回路系统)，它与常规电站的动力回路设有显著差别。热能－电能转换系统主要由饱和蒸汽汽轮发电机组、冷凝器、凝结水泵、低压加热器、给水泵、高压加热器、中间去湿再热装置和相应的管道阀门组成。二回路系统不与带放射性的物质直接接触，因此在正常运行时，它是没有放射性的。图1－21－冷却剂；2－稳压器；3－蒸汽；4－高压汽轮机；5－湿汽分离器；6－再热器；7－低压汽轮机；8－发电机；9－冷凝器；10－凝结水泵；11－低压加热器；12－给水泵；13－高压加热器；14－安全壳边界；15－冷却剂泵；16－反应堆；17－蒸汽发生器1.1.3内燃机内燃机主要部分为气缸1（图1－3）及气缸中的活塞2。当发动机工作时，活塞作往复运动，由于这一运动并借助于连杆3和曲柄4，使发动机轴5转动，以带动工作机器。4图1－3燃料和空气的混合物在气缸中燃烧，使燃气的温度和压力大大高于周围介质的温度和压力，因此这种气体就具有作功的能力。它在气缸中膨胀，向右推动活塞(图1－3)，这时气体的能量通过曲柄连杆机构传给飞轮6。飞轮装在发动机的曲轴上，以使曲轴转动均匀，并靠它所贮存的部分能量来完成活塞的逆向运动。每经过一定的时间间隔，空气和燃料即被送入气缸中，并在其中燃烧、膨胀，推动活塞作功。这样，飞轮从气体那里所得到的能量，除了部分作为带动活塞逆向运动所需的能量外，其余部分通过各种方法传递给工作机或发电机，以便直接加以利用。1.2工质、热源、热力系统1.2.1工质概括地看来，无论哪一种动力装置，总是利用某种媒介物质从某个能源获取热能，使它具有高能量而对机器作功，最后把余下的热能排向大气或冷却水，我们把实现热能转化为机械能的媒介物质叫做工质。例如燃气是内燃机的工质，水和水蒸汽是蒸汽动力装置的工质。作为工质的物质必须具有良好的膨胀性和良好的流动性。热能动力装置所用的工质为气态物质，如空气、燃气和蒸汽。1.2.2热源供给工质热能的物体叫做热源，或称高温热源；接受工质排出热能的物体叫做冷源，或称低温热源。热能动力装置的工作可以被概括成为工质从高温热源吸取5热能，将其中的一部分转化为机械能而作功，并把余下的另一部分传给低温热源的过程。1.2.3热力系统在分析热力现象时，根据所研究的问题的需要，选取某一定范围内的物体作为研究对象。这种被人为指定的作为研究对象的物体称为热力系统，简称系统。系统之外的物体称为外界。系统与外界之间的分界面叫做边界。边界可以是实际存在的，也要以是假想的；可以是固定的，也可以是尺寸和形状变化的，或者是运动着的。例如当取汽轮机中的工质(蒸汽)作为热力系统时，工质和汽缸之间存在着实际的边界，而进口前后或出口前后的工质之间却并无实际的边界，此外可人为地设想一个边界把系统中的工质和外界分隔开来[见图1-4(a)]。又如当取内燃机气缸中的工质(燃气)作为热力系统时，工质和气缸壁之间的边界是固定不动的，但工质和活塞之间的边界却可以移动而不断改变位置[见图1-4(b)]。图1-4根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可分为各种不同的类型。闭口系统(简称闭系)：系统与外界可以交换能量，但没有物质的交换。例如图1-4(b)所示的系统。此类系统的特点是没有物质穿过边界，其内部的质量将恒定不变。所以，有时亦将闭口系统相应地称为“控制质量”。开口系统(简称开系)：系统与外界既可以有能量的交换，又可以有物质的交换。6例如图1-4(a)所示的系统。由于有物质穿过边界，因而这类系统内部的质量，可以保持恒定或发生变化。对于开口系统来说，边界所规定的是系统所占有的空间范围，因此有时亦将开口系统相应地称为“控制容积”。简单热力系统：系统与外界只交换热量和一种形式的功。热能动力工程中最常用的工质(如燃气、水蒸汽等)是一些可压缩流体。由可压缩流体组成的系统，如果与外界只有膨胀功或压缩功的交换，则此种系统称为简单可压缩系统。本书中所研究的热力系统大部分是简单可压缩系统。绝热系统：系统与外界没有热量交换。如果某些实际的热力系统，在某段时间内与外界的传热量很少，对于系统的能量平衡和能量转换所起的作用可忽略不计，则这样的系统可以近似地看作绝热系统。孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质交换。如果某些系统与外界各方面的相互作用都很微弱，由此对系统所产生的影响可忽略不计，则这样的系统可近似地看作孤立系统。热力系统是我们所研究的具体对象的范围，因而研究任何一个热力学问题时，都必须首先明确所考虑的系统及其边界所在。系统的选取应根据所研究问题的实际情况，并以方便解决问题为原则。系统选取的方法对研究问题的结果并无影响，只是与解决问题时的繁简程度有关。1.3工质的热力状态及其基本状态参数1.3.1状态及状态参数热力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。用来描述和说明系统所处状态的一些宏观物理量(如压力、温度等)则称为状态参数。如果系统由工质组成，则系统内工质在某瞬间所呈现的宏现物理状况常直接称为工质的状态，描述工质状态的参数就称为工质的状态参数。常用的状态参数有压力、温度、比容、内能、焓、熵等。其中前三个参数可以直接测量，称为基本状态参数。其它的状态参数可根据基本状态参数间接计算得到。7本节先介绍三个基本状态参数。1.3.1.1压力垂直作用在物体单位面积上的力称为压力(即压强)。压力的测量一般用弹簧管式压力计及测量微小压力的U形管压力计。因压力计本身处在大气压力作用下，因此所测得的压力是工质的真实压力与大气压力之差，叫做表压力gp。工质的真实压力或绝对压力p和大气压力bp、表压力gp的关系是：当绝对压力大于大气压力[见图1-5(a)]时，bgppp如工质的绝对压力低于大气压力[见图1-5(b)]，则pppb式中p表示测得的差数，称为真空度，此时测量工质压力的仪表叫做真空计。绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系，可用图1-6说明。8图1-6作为工质状态参数的压力是绝对压力。压力的单位由力和面积所取的单位而定。在国际制中，力的单位是牛顿(N)，面积的单位是平方米)m(2，则压力的单位是牛顿／米2)(N/m2，称为帕斯卡，中文代号“帕”，国际代号Pa，即1Pa2N/m1工程实用中，以Pa为压力单位常嫌大小，读数不方便，故常取千帕(kPa)、兆帕)MPa(及巴(bar)作为实用单位，它们与帕的关系为=====MPa1.0kPa100Pa10bar1Pa10MPa1Pa10kPa1563（1－1）压力的大小也可以用液柱高度表示。若液柱高度为h，则此液柱作用在底面积上的压力为ghp（1－2）式中为液体密度，g为重力加速度。对于选定的液体(通常是水或汞)，视为常数，这样，液柱的高度与产生的压力成正比，所以，可用液柱的高度代表压力的大小，也就是，可以用单位高度的9液柱所产生的压力作为度量压力的单位。常用的有毫米汞柱)(mmHg和毫米水柱O)(mmH2。水的密度：3kg/m10002OH（4℃时）。由式(1-2)可得出Pa81.9Pa80665.9OmmH1Pa3.133Pa322.133mmH12g或OmmH1001972.1mmHg06.750bar124在一般工程计算中，常忽略液体密度随温度的变化。如要求精确计算，需将在大气温度为t℃时所测得的汞柱高度h，按下式换算成0℃时的汞柱高度)000172.01(0thh（1－3）物理学中，将纬度45海平面上的常年平均气压定作“标准大气压”或称为“物理大气压”)atm(，以此作为度量压力的一种单位。它与其它单位的换算关系如下：OmmH100332.1mmHg760bar01325.1Pa1001325.1atm1245在工程制中，力的单位为公斤力)kgf(，面积的单位为平方米)m(2，因而压力的单位为公斤力／米2)(kgf/m2。此单位在工程实用中亦嫌太小，故常取工程大气压)(at作为压力单位，即242kgf/m10kgf/cm1at1它与其它单位的换算关系为OmmH101mmHg559.735atm967.0Pa1080665.9bar980665.0at1244例1－1从气压计上读得当地大气压是755毫米汞柱（mmHg），将它换10算成：①帕（Pa）②物理大气压（atm）；③公斤力／米3（kgf／m3）；④工程大气压（at）；⑤毫巴（mbar）。解（1）mmHg101.750bar10Pa155Pa10007.1101.75075555bP（2）mmHg760atm1atm993.0760755bP（3）mmHg106.7351kgf/m4224kgf/m10264106.735755bP（4）242kgf/m10kgf/cm1at1at027.110102644bP（5）at021.1bar1mbar1006bar006.1021.1027.1bP例1－2若测出容器内气体的表压力为2.50bar，当场大气压力同上题，问容器内气体的绝对压力为多少？解2kgf/cm580.3bar506.3006.150.2bgppp1.3.1.2温度11表征物体冷热程度的物理量称为温度。为了进行温度测量，需要有温度的数值表示法，即需要建立温度的标尺，我们把温度的标尺叫做温标。国际制采用热力学温标为基本温标。用这种温标确定的温度称为热力学温度，符号为T，单位为开尔文，中文代号“开”，国际代号“K”。热力学温标选取水的三相点（水的固、液、汽三相平衡共存的状态）为基本定点，并定义它的温度为273.16K，也就是定义热力学温度的单位开尔文所代表的温度间隔等于水三相点热力学温度的1／273.16。与热力学温标并用的还有热力学摄氏温标，简称摄氏温标。它所确定的温度称为摄氏温度，用t表示，单位为摄氏度，代号℃。这种摄氏温标与旧的摄氏温标不同，它是由热力学温标导出的。摄氏温度按以下定义式确定15.273Tt（1－4）这就是说，规定热力学温度273.15K为摄氏温度