1第一章热力学基本概念讲解

第一篇工程热力学工程热力学是从工程应用的角度研究热能与机械能之间相互转换的规律。工程热力学是各种动力装置、制冷装置、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器进行分析和计算的理论基础。本篇主要讲述：热力学的基本概念及基本定律（热力学第一定律、热力学第二定律）；理想气体的热力性质和热力过程；参与能量转换与传递的工作介质（水蒸气、混合气体、湿空气等）的热力性质；蒸汽动力循环；气体和蒸汽的流动等工程热力学基础知识。第一章热力学基本概念学习导引本章介绍了许多重要的概念，对于后续内容的学习非常重要。在学习过程中，应注意把相关的概念串接起来，既对单个概念的物理意义有较深刻的理解，又能从整体上将这些概念有机的联系起来。学习要求•理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。•理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；掌握绝对压力、表压力和真空度的关系。•掌握平衡状态的物理意义及实现条件。•了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。•理解热力过程、准平衡过程和可逆过程的物理意义与联系，能正确判定准平衡过程和可逆过程。本章难点•本章的许多概念比较抽象，较难理解。学习中应将抽象的概念与具体的物理量或图形联系起来。•在工程热力学中普遍采用抽象和简化的方法，为此，应对研究方法的实用性和科学依据有比较深刻的理解。第一节工质和热力系工质——实现能量传递与转换的媒介物质。一、工质能量是物质运动的量度，能量与物质是不可分割的。在热力工程中，热能与机械能之间的相互转换以及热能的转移，都是借助于某种媒介物质来完成的。蒸汽动力循环示意图锅炉汽轮机凝汽器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机给水泵锅炉汽机轮凝汽器过热器常用工质:热机循环中:水蒸气、空气、燃气制冷循环、热泵循环中:氨、氟里昂二、热力系、边界与外界1.热力系——热力学研究时，根据研究问题的需要人为选取一定的工质或空间作为研究对象，称为热力系统，简称热力系或系统。可为真实的物质、设备或假想的热力学模型如:泵中的水、汽轮机、卡诺热机选取热力系是为了分析研究对象通过边界与外界进行能量和物质交换。2.外界——与热力系相互作用的周围物体。3.边界——热力系与外界之间的分界面。边界的特性：可以是实际存在的也可以是假想的可以是固定的也可以是大小、形状变化的，或者是运动的边界示例边界活塞气缸边界示例边界示例边界示例汽轮机边界叶轮11进口22出口三、热力系的分类（1）封闭热力系与外界有能量传递,无物质交换的系统。系统的质量恒定不变。边界活塞气缸（2）开口热力系与外界既可以有能量交换，又可以有物质交换。（3）绝热热力系与外界没有热量交换，但可以有功量和物质交换。汽轮机边界叶轮11进口22出口（4）孤立热力系与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换。1234mQW1开口热力系热力系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2封闭热力系1+3绝热热力系1+2+3+4孤立热力系特殊热力系如: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。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。高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源第二节工质的热力状态和基本状态参数工质在进行热量传递和能量转换的过程中，其状态不断发生变化。锅炉汽轮机凝汽器一、热力状态和状态参数１．热力状态——工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态，简称状态。２．状态参数——描述工质热力状态的宏观的物理量。状态参数与状态是一一对应关系，工质的状态发生变化其状态参数也相应变化。对应于某个给定的热力状态，工质的所有状态参数都有各自确定的数值；反之，一组数值确定的状态参数可以确定一个热力状态。状态参数特征：•状态参数的变化量只与初、终态有关，与所经历的路径无关。•经历一个循环，状态参数的变化量必为零。常用状态参数基本状态参数温度（T）、压力（p）、比体积（v）导出状态参数热力学能（U）、焓（H）和熵（S）可直接或间接测量二、基本状态参数１．温度——用来标志物体冷热程度的物理量。•温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡为依据的。•温度的测量:温度计•温度的数值标尺:温标温标温度及符号单位关系摄氏温标摄氏温度t℃Tt+273.15或Tt+273热力学温标热力学温度TK温度相等热平衡在标准大气压下，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。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℃。摄氏温标用热力学温标确定的温度称为热力学温度。英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称绝对温标。热力学温标取水的三相点(冰、液体水和水蒸气三相共存的平衡状态）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。热力学温标基本状态参数温差:1K=1℃T=t+273.15或T=t+273热力学温标与摄氏温标的关系273.15K是水的冰点的热力学温度，与水三相点的热力学温度相差0.01K。基本状态参数2.压力——指单位面积上承受的垂直作用力(即物理学中的压强)。•气体压力的实质:大量分子向容器壁面撞击的平均结果。•压力的符号:p•压力的单位:Pa（帕），1Pa=1N/m21MPa=103kPa=106Pa工程上常用非SI压力单位1bar（巴）=105Pa1atm（标准大气压）=1.01325105Pa1at（工程大气压）=9.80665104Pa1mmH2O（毫米水柱）=9.80665Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.322Pa压力压力•压力的测量:测压计压力•三种压力绝对压力p表压力pgppg+pb(pb:当地大气压力)真空度pvppbpv只有绝对压力才是状态参数p、pg、pv与pb间的关系压力ppgpbppvp=0pb例1-1某蒸汽锅炉压力表读数为12.5MPa，凝汽器的真空表读数为95KPa。若当地大气压力为标准大气压，试求锅炉及凝汽器的绝对压力为多少。解：由题意知，大气压力为pb1.01325105Pa。锅炉中蒸汽的绝对压力为ppg+pb12.5106+1.0132510512.601325106（Pa）12.601325（MPa）凝汽器内蒸汽的绝对压力为ppbpv1.01325105951036.325103（Pa）6.325（KPa）若题中没有给出当地大气压，则对高压容器取pb0.1MPa，此时锅炉内的蒸汽绝对压力为ppg+pb12.5+0.112.6（MPa）计算误差很小，可以忽略。但对凝汽器内的蒸汽，其绝对压力为ppbpv0.1106951035103（Pa）5（KPa）由此引起的相对误差20.9％可见，对于低压或负压空间，近似取值会引起很大的误差，计算应用时必须采用真实大气压力。基本状态参数3.比体积——指单位质量的工质所占有的体积,用符号v表示，单位为m3/kg。•比体积是表示工质内部分子疏密程度的状态参数，比体积越大，工质内部分子之间的距离越大，工质内部分子越稀疏。•比体积与密度VvmvVm1第三节平衡状态和热力过程一、平衡状态、状态方程式及状态参数坐标图1.平衡状态——指在没有外界作用（重力场除外）的情况下，热力系的宏观性质不随时间变化的状态;否则为非平衡状态。•条件：力平衡、热平衡•用状态参数描述热力系状态特性，只有在平衡状态下才有可能。•平衡状态为理想状态。一个热力系，当其内部无不平衡的力，且作用在边界上的力和外力平衡，则该热力系处于力平衡；当热力系内各点温度均匀一致且等于外界温度时，则该热力系处于热平衡。热力系要达到平衡状态，必须满足力平衡和热平衡这两个条件。如热力系内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。可见，处于平衡状态的热力系其内部各处都是相同的状态，并且不会发生变化，因而可用确定的状态参数加以描述。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。•描述热力状态的各状态参数往往互有联系，可用状态方程式来表示。•对于气态工质组成的简单热力系，只需两个独立的状态参数就可确定其平衡状态。pf1（v，T）vf2（p，T）Tf3（p，v）3.状态参数坐标图由任意两个独立的状态参数构成的平面坐标图。•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。如:p-v图21v1v2p2p10pv二、热力过程——热力系从一个状态向另一个状态变化时经历的全部状态的总和称为热力过程，简称过程。热力系的平衡状态是不会自发地发生变化的，只有在外界条件改变的情况下才会随着改变。一切实际热力过程都是热力系与外界之间不平衡势差（如温度差、压力差等）作用的结果。对于实际的热力过程，在过程中热力系内部的状态参数由于各种因素的影响并不是统一改变的。在实际的热力过程中热力系与外界交换功量时，不可避免地存在耗散效应（通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应）。对于这些问题如果不作简化处理，热力过程的分析计算势必非常困难。因此就有了准平衡过程与可逆过程的概念。1.准平衡过程——过程中热力系所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的热力过程称为准平衡过程，或准静态过程。•准平衡过程是一种理想过程。•在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行得足够缓慢的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。•准平衡过程可在参数坐标图上近似地用连续的实线表示。•热力学中所研究的热力过程，一般都指准平衡过程。pv122.可逆过程如果热力系完成某一热力过程后,再沿原来路径逆向进行时,能使热力系和外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。反之,则称为不可逆过程。•可逆过程的特征是：•首先它应是准平衡过程•其次在可逆过程中不应包括诸如摩擦、电阻、磁阻等的耗散效应。•可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件：可逆过程=准平衡过程＋无耗散效应实际过程都或多或少地存在着各种不可逆因素，都是不可逆的。然而可逆过程是不引起任何能量损失的理想过程，它作为一切实际过程的理论极限，仍具有重要的实际意义。一方面，它可以作为一切热力设备力求接近的目标；另一方面，可通过计算，得出实际过程与理想过程的差距，为设备的设计、改造以及整个生产过程的改进等提供依据。本章小结一、工质二、热力系三、状态参数四、平衡状态五、热力过程(准平衡过程、可逆过程)