工程热力学1

教材与参考书：《工程热力学》(第4版)沈维道等编，高等教育出版社2007《工程热力学》(第3版)曾丹苓等编，高等教育出版社2002《热物理学概论》胡汉平、程文龙编著中国科大出版社2009《热力学》（日）圆山重直主编北京大学出版社2011《FundamentalsofClassicalThermodynamics》4thEditionGordonJVanWylen,etc.JohnWileyandSonsInc《Thermodynamics-AnEngineeringApproach》4thEditionYunusA.ÇengelandMichaelA.BolesMcGrawHill热是什么？热是一种能量。一种可使房间变暖、物体膨胀、冰块融化等事件发生的能量，一种与温度有关的能量（增加动能、化学能、核能不能改变物体的温度）。实际上，它是组成物体的微观粒子杂乱运动（亦称热运动）的能量。热可储存在物体内，也能从一个物体“流”到另一个物体。加热和冷却是热的输运，它改变着物体的温度进而其聚集状态。温度在热现象中扮演了一个中心角色。热本质探索史：古代：公元前八世纪我国商周时期的“五行”说公元前六世纪西方古希腊时期的“本源”说；近代：热质说与热动说之争也困扰人类达几个世纪。直到十九世纪中叶，由于迈尔、焦耳等人的工作…现阶段自然界可为人类利用的能源种类有哪些？煤、石油、天然气等矿物燃料的化学能、风能、水力能、太阳能、地热能、原子能、海洋能（潮汐能、波浪能）等。氢是一种能源吗？氢能不是一次能源，故不能与上述能源并列。氢只是能量的载体，是否是绿色能源，视制取方式而定。空气能是一种能源吗？空气能实际上是空气所含的热能。类似的有空气能热水器、地源热泵…上述能源是如何利用的？除了风能和水力能等少数几种是以机械能的形式提供能量外，其它则主要以热能的形式或转换为热能（如煤、油燃烧及原子核反应）的形式供人们利用，可见能量的利用过程实质上是能量的传递和转换过程。世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85％，我国则占90％以上，因此，能量利用中热能起核心作用，热能的开发利用对人类社会的发展有着重要意义。为什么要学工程热力学？工程热力学的“热”指的是热能，“力”指的是机械能，顾名思义，其是研究热能与机械能转化规律的。热能的有效利用，包括直接的热利用（如冶金、化工、食品等工业和生活中所需的各种加热）和间接的动力利用（将其转换成机械能或电能以提供动力）以及节能都离不开工程热力学的指导。此外，它在制冷与热泵、空气分离、空气调节、太阳能利用、化学反应过程、生物工程、高能激光、超导传输、航空航天等许多方面都有广泛应用。能量守恒为什么还会有能源危机？提供能量来源的物质危机，实质上是能量危机。能量守恒为什么还会有危机？要讲清这问题，必须引入能量品位或品级的概念。虽然能量有化学能、核能、热能等多种形式，但它们的品位是不同的，即它们的作功能力不同。如其中热能的品位最低，如电能、机械能等可百分之百用于作功，而热能只能部分作功。能量的转化过程中，虽然数量保持不变，但品位在不断下降，即在不断贬值。现有能量中可用于作功的部分越来越少，故有能源危机。能量利用为什么基本都通过热能中转？目前还有其它较先进的能量利用方式吗？正因为热能的品位低，别的高品位能量很容易转变成热能，故能量利用基本都通过热能中转，故世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85％，我国则占90％以上。实际上，不管什么能量，最终都耗散成热。（这一点，只要看看电脑机箱中有那么多的风扇和散热片就明白了。）现能源利用基本上遵循的是：化学能——热能——机械能——电能路线，但其中热能——机械能转化效率受热力学定律的限制，故有化学能——电能直接转化的燃料电池，也有热能——电能的磁流体发电等新型较先进的能量转化方式正在研究，但目前还不够成熟，还有许多技术问题没有完全解决。此外，还有光能——电能直接转化的光伏电池。十八世纪以前：人力、畜力、风力、水力十八世纪：蒸汽机发明，实现了热能向机械能的转化，为工业革命的发端。可以说，热能动力利用是现代工业和科技文明的基础；十九世纪：蒸汽轮机、内燃机；二十世纪：燃气轮机、喷气发动机、现代核动力装置、燃料电池。一些典型的热能动力转换装置：内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机、喷气发动机、核动力装置及制冷（热泵）装置原理介绍见参考书。对热能动力装置热效率提高的追求促进了热力学的发展热力学第零定律1930热力学第一定律1850热力学第二定律1824热力学第三定律1912可用能的概念1942主要内容：热能与机械能的转换规律——热力学基本定律，这是分析问题的基础和依据。工质的热力性质。工质是能量的载体。对借助于工质实施的能量转换过程的具体分析研究需要了解工质的相关性质。基本热力过程与各种装置的热力循环分析。研究方法：以“宏”为主，以“微”为辅；大量采用抽象、概括、理想化和简化的方法。力学研究由少量粒子组成的微观系统；使用位置、速度等反映每个粒子运动的“微观变量”；采用运动方程，求变化的细节。量子力学采用的是包含微观粒子量子态全部信息的“波函数”。热力学研究由大量粒子组成的宏观系统；使用温度、体积、压力、能量、熵等反映系统整体性质的“宏观变量”；采用能量方程和熵方程，不究变化过程的细节，只求系统整体变化的结果。由一系列特殊词汇——概念构成其语言，须准确掌握。宏观研究方法是以一些基本的唯象定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化和简化的方法（如将燃气、水蒸气等抽象成理想气体，将实际过程简化为可逆过程进行分析，然后再修正），抽出共性，突出本质，建立分析模型，推导出一系列有用的公式，得到若干重要结论。由于这些基本定律为大量的经验观察所证实，是可靠和普适的，故采用宏观研究方法所得到的结果也是可靠的。缺憾是其不能对热现象的本质及内在原因给予解释。微观研究方法是从物质是由大量分子和原子等粒子所组成的事实出发，将宏观性质作为在一定宏观条件下大量分子和原子的相应微观量的统计平均值，利用牛顿力学或量子力学以及统计方法，将大量粒子在一定宏观条件下一切可能的微观运动状态予以统计平均，得到物质的宏观特性和有关热的基本定律。因而其可阐明热现象的本质，解释其发生原因。但其对微观粒子（分子或原子）的结构及相互作用做出的模型假设只能是近似的，这就导致所求得的理论结果往往不够精确。工程热力学主要应用宏观的研究方法以确保结果的可靠实用，辅之以统计物理的微观解释以加深理解。1.热力系统与力学中的隔离体概念类似，为便于分析，热力学中常将一定量的物质或空间人为分割出来作为研究对象，此即为热力系统（简称热力系或系统）。环绕系统的外部物体统称为外界或环境。系统与外界的交界面称为边界。外界或环境可以是自然存在的，如大气环境，也可以是人为设置的，如恒温设备一类，总之应是真正对系统状态产生直接影响的部分。系统的边界既可以是固定的又可以是活动的，既可以是真实的，又可以是虚构的（见图1-1）。根据系统与外界相互作用中质量和能量交换情况，热力系又可分为闭口系、开口系和孤立系。闭口系：与外界之间只有能量交换而无质量交换的系统。物质不能透过其边界，系统质量保持恒定不变，故闭口系统又叫做控制质量。开口系：与外界之间既有能量交换又有质量交换的系统。物质可透过边界在其与外界间流动。系统内的能量和质量均可变化，但这种变化的空间范围不变，故开口系统又叫做控制容积，或控制体，控制边界。孤立系：与外界之间既无能量交换又无质量交换的系统。孤立系统的一切相互作用都发生在系统内部。以上是最常用的热力系分法。当然根据系统的其它特点还可有一些别的分法，如根据物质种类划分的单元系与多元系；根据物质聚集状态划分的单相系与多相系等。另外还有与外界无热交换的绝热系；具有无限大热容量以致吸入或放出有限的热量其温度不变的特殊系统——热源或冷源；以及由可压缩物质构成的可压缩系统。热力工程中最常用的工作物质（简称工质）即是可压缩流体。系统既可以是某一个或几个物体，也可以是物体的某一部分，甚至只是由某些边界围成的空间，故热力学中系统的概念较物体的概念要宽泛得多。正确选择热力系是进行热力学分析的前提。热力系选得好，可使分析过程简单、明了。（a）闭口系出口进口（b）开口系图1-1系统与边界2.平衡状态热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为热力系的状态。在没有外界影响的条件下，若系统的各部分在长时间内不再发生任何宏观上可观测的变化，即称其进入了平衡状态。注意：平衡状态≠稳定状态成因分析：平衡状态本质上是一些过程的结果。设想系统内或系统与外界间有不同温度的物体热接触，则经验告诉我们，必然有热自发地从高温物体传向低温物体，系统的状态不断变化，最终达到一个温度均匀的状态。可见温差驱动了热流，直至温差消失，系统建立起了热平衡。同样，如果系统内或系统与外界间有压力差存在，必将引起宏观物体的位形变化，系统状态不断变化直至力差消失而建立起力平衡。诸如温度、压力等可统称为势。不平衡势（势差）是使系统状态发生变化的驱动力。对于有相变或化学反应的系统，是化学势差引起相转变或化学组成的变化。对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内及系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见的宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。热力学以平衡态这样一种最简单的热力学状态作为自己的主要研究对象。这是它不问细节只求结果的简捷研究方法所决定的。抛开使用“运动”方程计算实际复杂的不平衡过程进行的细节，只计算过程的结果，即系统状态的最终变化。这样只要抓住系统变化的初始和终了两个平衡态即可。处于平衡状态的单相热力系，若重力场造成的差别可忽略，应具有均匀一致的温度T、压力p等，故可以用确定的T、p等物理量来描述。用来描述热力系平衡状态的物理量称为状态参数。常用的状态参数有6个：压力p、体积V、温度T、内能U、焓H、熵S。其中，前三个是可测物理量，称为基本状态参量。后面将要指出，仅从几个热力学基本定律出发，后三个不可测量就可用前三个可测量来表示。压力热力学中的压力指的是气体压强，法定单位：帕（Pa）1Pa=1N/m2其它单位：巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）。1atm=760mmHg=10332.3mmH2O（相当于我国黄海海面大气压，可将水银柱支持760毫米高，水10.3米），1atm=1.033at（kg/cm2），1bar=105Pa=0.9869atm=1.0197at，可见巴（bar）与两个大气压接近.Pa的单位太小，故常用MPa（106Pa）或bar关于压力的测量，关键是抓住当地大气压pb的概念。当地指的是所处位置的大气压。压力计测得是表压力pe或真空度pv，它是一个相对压力，它与绝对压力的关系beppppppbv比体积关于体积，没有太多好讲的，这里重点讲一下比体积，即单位物质所占的体积它与密度互为倒数。温度温度这一概念在热科学中占据中心地位，放到后面详细讲。mVvVm状态参数除压力p、体积V、温度T、内能U、焓H、熵S还有许多，如自由能F、自由焓G等，它们是上述常用状态参数的某种组合。另外，若是电介质处于电场中或磁性物质处于磁场中，还应有电场强度E、总极化强度P、磁场强度H、总磁化强度M。以上这些物理量可分为两大类。一类与系统的质量有关，称为广延量。如上述的V、U、H、S、F、G、P、M等。这些量可以“分割”，系统总量等于各部分之和。因而，可以问譬如系统某一部分（甚至某一微元）的体积、能量是多少，但不能问某一“点”的体积、能量是多少。另一类与系统的质量无关，称为强度量。如上述的p、T、E、H等。强度量不具有加和性，但可以逐点地测量和改变，可以造成空间均匀或不均匀的分布。广延量除以总质量即可转化为强度量，但在其相应的名称前须冠以“比”字，并用小写字母表示，如比体积v、比内能u、比焓h、比熵s等。广延量和强度量基本上是成对出现的：体积V和压力p，熵S