华科工程热力学第1章基本概念

华中科技大学能源学院工程热物理教研第一章基本概念Everysciencehasauniquevocabularyassociatedwithit,andthermodynamicsisnoexception.Precisedefinitionofbasicconceptsformsasoundfoundationforthedevelopmentofascienceandpreventspossiblemisunderstandings.华中科技大学能源学院工程热物理教研室1.1热能和机械能转换1.2热力系统与工质1.3状态和状态参数1.4平衡状态1.5准静态过程1.6可逆过程1.7热力循环华中科技大学能源学院工程热物理教研室§1.1热能和机械能转换1、蒸汽动力装置热能动力装置华中科技大学能源学院工程热物理教研室内燃动力装置华中科技大学能源学院工程热物理教研室空气华中科技大学能源学院工程热物理教研室燃烧后的废气华中科技大学能源学院工程热物理教研室核电站蒸汽动力装置华中科技大学能源学院工程热物理教研室2.制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀1234华中科技大学能源学院工程热物理教研室热能转换装置三要素高温热源（库）：heatreservoirofhightemperature低温热源（库）：heatreservoirofhightemperature工质:workingfluid华中科技大学能源学院工程热物理教研室§1.2热力系统与工质热力系统(热力系、系统)：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。（人为地）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华中科技大学能源学院工程热物理教研室热力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华中科技大学能源学院工程热物理教研室边界特性真实、虚构固定、活动边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。图1压缩中的燃气图2流动中的工质华中科技大学能源学院工程热物理教研室2.热力系统的分类（1）按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热1）开口系统：系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界图3开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统华中科技大学能源学院工程热物理教研室2）闭口系统：系统与外界无物质交换闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统QW图4膨胀中的燃气系统的边界华中科技大学能源学院工程热物理教研室HotFluidControlVolumeControlSurfaceColdFluidWarmFluidConcepts&DefinitionsClosedsystem—quantityofmatterunderstudyControlmassOnlyheatandworkcancrossboundaryofclosedsystemOpensystem—regioninspaceonwhichattentionisfocusedControlvolumeHeatandworkmaycrosscontrolsurfaceMassmayalsocrosscontrolsurfaceFluidControlMassControlSurface华中科技大学能源学院工程热物理教研室3）绝热系统：系统与外界没有热量交换冷源QW图5把冷源包括在内的绝热系统华中科技大学能源学院工程热物理教研室4）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA华中科技大学能源学院工程热物理教研室以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系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、质非孤立系孤立系华中科技大学能源学院工程热物理教研室1234mQW1开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系华中科技大学能源学院工程热物理教研室（2）热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相华中科技大学能源学院工程热物理教研室（3）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华中科技大学能源学院工程热物理教研室3.工质在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借助于媒介物质。实现能量转换的媒介物质就称为工质。不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量转换有效而迅速，常选气态物质作为工质。华中科技大学能源学院工程热物理教研室§1.3状态和状态参数状态：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.状态参数的特征：1、单值性：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•状态参数是系统对应的某种微观特性的统计平均结果BTwm22•状态参数在数学上的组合也是状态参数例如，热力学温度只不过是气体分子运动强度在宏观上的反映例如状态参数焓的定义式为h=u+Pv，式中u、P、v均为状态参数，h是它们数学上的一种的组合，因此也是系统的一个状态参数华中科技大学能源学院工程热物理教研室2.两类状态参数：强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力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：比容VvmUum比内能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质华中科技大学能源学院工程热物理教研室Concepts&DefinitionsExtensiveproperties—propertieswhosevaluedependsontheamountofmatterinsystemMass,volume,energy,etc.UseuppercaselettertodesignateextensivepropertiesIntensiveproperties—propertieswhosevaluedoesnotdependontheamountofmatterinsystemPressure,temperature,density,energyperunitmass,etc.Uselowercaselettertodesignateintensiveproperties华中科技大学能源学院工程热物理教研室3.基本状态参数(1)温度T(2)压力p(3)比容v华中科技大学能源学院工程热物理教研室(1)温度传统：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0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气2)T=00.5mw2=0分子一切运动停止，零点能华中科技大学能源学院工程热物理教研室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。温度测量的理论基础B温度计华中科技大学能源学院工程热物理教研室温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标华中科技大学能源学院工程热物理教研室常用温标绝对K摄氏℃华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67华中科技大学能源学院工程热物理教研室温标的换算O[][]273.15TKtCO5[]([]32)9tCtF[][]459.67tFtR华中科技大学能源学院工程热物理教研室注：据测定，含盐30％的盐水，冰点为零下21℃。冬天下雪，车辆碾压后路面会结冰变滑影响交通，用盐水喷洒路面使冰点降低而令冰雪融化可以防滑。小知识：为什么08年雪灾时，各地都撒盐化冰？华中科技大学能源学院工程热物理教研室(2)压力p•常用单位：•1bar=105Pa•1MPa=106Pa•1atm=760mmHg=1.013105Pa•1mmHg=133.3Pa•1at=735.6mmHg=9.80665104Pa物理中压强，单位:Pa,N/m2华中科技大学能源学院工程热物理教研室绝对压力与相对压力当ppb表压力pg当ppb真空度pvbvppppbpgppvpbgPPP华中科技大学能源学院工程热物理教研室环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。见习题1－7大气压随时间、地点变化。物理大气压1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)()phgdh华中科技大学能源学院工程热物理教研室压力的测量华中科技大学能源学院工程热物理教研室工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，计算时都须换算为绝对压力。华中科技大学能源学院工程热物理教研室其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器华中科技大学能源学院工程热物理教研室(3)比容v［m3/kg]Vvm工质聚集的疏密程度物理上常用密度［kg/m3]1v第一次作业：1-2；1-4；1-6；1-11华中科技大学能源学院工程热物理教研室问题1：ABBApp取A+B为系统系统的压力是多少？系统没有确定的压力！华中科技大学能源学院工程热物理教研室问题2：取A+B为系统系统的温度是多少？ABBATT系统没有确定的温度！只有当热力系统各处状态一致的时候，才可以用一组的确定的状态参数来描述。隔热板华中科技大学能源学院工程热物理教研室§1.4平衡状态(Equilibriumstate)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。ABBAppABBATTBAppBATT(1)平衡状态华中科技大学能源学院工程热物理教研室热力学平衡的内容力学平衡：系统中各部分间不存在不平衡力的作用，相互间不会作功，从而不会引起系统内部的压力变化和密度变化热平衡：系统中各部分间不存在温度差别，因而系统内部不同部分间不会发生传热现象化学平衡：系统中各相间不存在化学势差，不会发生化学反应、相变、溶解、等现象，即不同相之间不发生质量转移“相”指的是物质内部性质均匀一致的聚集体平衡的本质：不存在不平衡势Equilibrium：therearenounbalanceddrivingpotentials华中科技大学能源学院工程热物理教研室平衡状态是进行热力学分析的基础热力学平衡是经典热力学理论中最基本、最重要的概念之一：•仅当系统处于平衡态时，才能给予确切描述•热力学基本理论实际上针对系统的平衡特性而给出相关结论•经典热力学中所说的状态原则上是热力学平衡状态；热力过程是由一系列平衡状态构成的过程华中科技大学能源学院工程热物理教研室平衡外界作用平衡打破不平衡弛豫时间（Relaxationtime）新平衡热力学平衡的自发性和必然性•只要系统内存在不平衡势差，又未加以任何约束，系统的状态就会自发地朝着消除不平衡势的方向变化，一切系统都自发趋向平衡状态（热力学第二定律）•系统状态变化的必然历程：华中科技大学能源学院工程热物理教研室平衡与稳定稳定(Steady)：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定•“稳定”仅指事物不随时间变化，至于是在什么条件下达到的却没有限