热力学基本状态参数.docx
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热力学基本状态参数
功和热量
1-1 工质和热力系
一、工质、热机、热源与冷源
1、热机（热力发动机）：
实现热能转换为机械能的设备。
如:
电厂中的汽轮机、燃气轮机和内燃机、航空发动机等。
2、工质:
实现热能转换为机械能的媒介物质。
对工质的要求:
1）良好的膨胀性;2）流动性好；3）热力性质稳定,热容量大；4）安全对环境友善；5）价廉，易大量获取。
如电厂中的水蒸汽；制冷中的氨气等。
问题：
为什么电厂采用水蒸汽作工质？
3、高温热源：
不断向工质提供热能的物体（热源）。
如电厂中的炉膛中的高温烟气
4、低温热源：
不断接收工质排放热的物体（冷源）
如凝汽器中的冷却水
二、热力系统
1、热力系统和外界概念
热力系:
人为划分的热力学研究对象（简称热力系）。
外界:
系统外与之相关的一切其他物质。
边界:
分割系统与外界的界面。
在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。
边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。
注意:
热力系的划分，完全取决于分析问题的需要及分析方法的方便。
它可以是一个设备（物体），也可以是多个设备组成的系统。
如：
可以取汽轮机内的空间作为一个系统，也可取整个电厂的作为系统。
2、热力系统分类
按系统与外界的能量交换情况分
1）绝热系统：
与外界无热量交换。
2）孤立系统：
与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。
注意：
实际中，绝对的绝热系和孤立系统是不存在的，但在某些理想情况下可简化为这两种理想模型。
这种科学的抽象给热力学的研究带来很大的方便。
如：
在计算电厂中的汽轮机作功时，通常忽略汽缸壁的散热损失，可近似看作绝热系统。
状态及基本状态参数
状态参数特点
u状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。
反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。
状态参数的变化量仅决定于过程的初终状态，而与达到该状态的途径无关。
因此，状态参数的变化量可表示为（以压力p为例）：
二、基本状态参数
1.表压与真空
表压力：
当气体的压力高于大气压力时（称为正压），压力表的读数（pg），如锅炉汽包、主蒸汽的压力等。
有:
pg=p-pb p的计算式：
p=pg+pb
真空（度）：
当气体的压力低于大气压力时（称为负压），负压表（真空表）的读数（pv），如凝汽器的压力、炉膛压力等。
有:
pv=pb-p p的计算式：
p=pb-pv
压力的单位
（1）国际制：
1帕=1pa=1N/m2
1千帕=1kpa=103pa
1兆帕=1Mpa=106pa ;1巴=1bar=105pa
（2）工程中可用液柱高和工程大气压表示压力大小。
1mmHg≈
1工程大气压=1at=1kg/cm2
（3）标准大气压：
将纬度45o海平面上的常年平均气压称之，（物理大气压）
1标准大气压=1atm=760mmHg=
（4）标准状态:
处于1标准大气压下，温度为0oC的状态.
各种压力单位与帕的换算关系
2、温度
（1）概念：
传统：
标志物体冷热程度的物理量。
微观：
衡量分子平均动能的量度。
（2）温标：
温度的数值标尺。
温标的建立是确定其基准点和分度方法，常用的有摄氏温标和热力学温标。
1）摄氏温标（t，℃）：
2）热力学温标（绝对温标、开尔文温标）（T，K）：
以水的三相点为基点，并定义为K,每1/为1K。
3）相互关系：
基准点不同，但分度一样
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。
或表述为处于热平衡的物体必具有相同的温度。
是温度测量的理论基础。
温度的热力学定义：
处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量——温度。
温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量
测温仪表
日常：
水银温度计，酒精温度计，
工业：
热电偶、热电阻、辐射温度计
计量：
铂电阻温度计
3、比体积v（比容）
比体积：
单位质量工质所占有的容积。
v=V/m 单位：
（m3/kg）
密度ρ：
单位容积内工质的质量。
ρ=m/V 单位：
（kg/m3）
相互关系：
ρv=1 即互为倒数
例题分析
例题1-1：
如图所示,用水银压力计测量凝汽器的压力，已知测压计读数为706mmHg,当地大气压pb＝，求凝汽器的绝对压力、表压力和真空。
解：
由于凝汽器内蒸汽的密度远小于水银的密度，忽略蒸汽高度产生的压力，
则凝汽器内真空:
pv=706×=94110（Pa）
绝对压力力p＝pb-pv＝98070—94110＝3960（Pa）
凝汽器的表压力pg=p-pb=3960-98070=94110（Pa）
说明：
凝汽器内的表压力为负值．称为负压，负压与真空的绝对数值是相等的。
例1-2
?
一台型号HGl021／—540／540的锅炉，其中指的是蒸汽的表压力为，当地大气压为750mmHg，试求蒸汽的绝对压力为多少?
解：
根据p=pb+pg，则绝对压力为
p=750×十×l06=×106（Pa）＝18.3Mpa
1-3平衡状态和热力过程
1．平衡状态
（3）实现平衡的条件
热平衡：
组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。
力平衡：
组成热力系统的各部分之间没有相对位移。
化学平衡：
系统内各组成成分不再变化。
（4）平衡状态特点：
1）只有平衡状态是可以描述的（有确定的状态参数）；2）平衡状态不会自行打破；3）非平衡状态会自动趋于平衡。
2、状态方程式
状态方程式：
状态参数之间的函数关系式称为状态方程。
简单可压缩系统：
系统和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）交换的系统。
对这种系统只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态（由状态定理）。
3、状态参数坐标图
两个独立的状态参数可以确定一个状态，这样由任意两个相互独立的状态参数构成一个直角坐标图称为状态参数坐标图。
常用的有p-v图和T-s图等.
坐标图上的一个点表示工质所处的一个状态，线表示某个热力过程。
点——状态（1、2）
线——热力过程（1—2）
二、热力过程和准平衡过程
实际过程与准平衡过程
（2）按过程与外界产生的效果分
1）可逆过程：
一个过程进行以后，若使其原路返回至原态，并使系统和外界不发生任何改变，则这一过程称为可可逆过程，
2）不可逆过程:
否则称为不可逆过程。
实现可逆过程的充要条件
推动过程进行的势差无限小，如传热无温差，无压差；
不存在任何耗散效应，如作机械运动时不存在摩擦。
可逆运动与不可逆运动
平衡过程与可逆过程比较
1）都是理想化过程。
2）平衡指系统内部状态的平衡，可逆指与外界的效果。
3）可逆必平衡，平衡不一定可逆。
但不平衡一定不可逆。
分析研究可逆过程的意义：
可逆过程是一个理想过程，自然界中一切实际过程（如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等）均是不可逆过程。
可逆过程的概念为热力学分析提供了很大的方便。
利用这一概念可以将复杂的实际过程近似简化为一个理想的可逆过程加以研究，然后再加以适当的修正，所以研究可逆过程在理论上具有十分重要的意义。
1-4功和热量
3、可逆过程的体积变化功与p-v图
（1）体积变化功：
这种直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。
（1）体积变化功
对由气缸和活塞所包围的热力系统，进行的微元过程中，如活塞所受推力为F,位移为dx,则系统对外界作的膨胀功为：
δW=Fdx
对可逆过程，F=pA,所以有：
（2）功的计算及P-V图
二、热量与T-S图
1．热量的定义：
工程热力学中把依靠温差而通过边界传递的能量称为热量。
热量和热能不同，热量不是状态参数，它不仅与过程初、终态有关，而且与过程如何进行密切相关；热能则是物质热运动形态的反映，仅取决于状态，是状态参数。
可见：
热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）
2．热量的符号与单位
热量：
用Q表示，国际单位制中，热量的单位是焦（耳），用J表示。
工程上常用千焦（kJ）表示，
1kJ=1000J
比热量：
1kg气体与外界交换的热量，用q表示，单位为J/kg。
热量正负:
工程热力学中规定，工质从外界吸热，热量为正；工质向外界放热，热量为负。
3、热量的计算和T-S图
热力系与外界进行的各种能量交换所遵循的规律都是类似的，可以采用描述功的类似的方式来描述热量的传递。
热量与容积变化功
熵及T—S图
可逆过程中比容的变化是做容积功的标志，那么在可逆传热过程中也应该存在某一状态参数可用来作为热量传递的标志。
我们就定义这个新的状态参数为“熵”。
以符号S表示.
熵的定义式：
dS=dQ/T或ds=dq/T
熵的单位：
kJ/k或J/k
比熵：
s=S/m,比熵的单位：
kJ/（）或J/（）
例1-4
如图所示，1kg气体经历了AB、BC、CA三个可逆过程，试求出每个过程的功量和整个过程的总功量。
解：
计算各过程曲线下的面积
就是相应过程的功
WAB=1/2（P1+P2）（V2-V1）=-WBA
WBC=0
WCA=p1（v1-v2）=-p1（v2-v1）=-WAC
WABC=wAB+WCA =1/2（p2-p1）（v2-v1）
即整个过程的功是封闭三角形ABC的面积.
物质
化学符号
模型
相态
比热容量（基本）J/（kg·K）
比热容量（25℃）J/（kg·K）
氢
H
2
气
14000
14300
氦
He
1
气
5190
氨
NH3
4
气
2055
2050
氖
Ne
1
气
1030
锂
Li
1
固
3580
3582
乙醇
CH3CH2OH
9
液
2460
2440
汽油
混
混
液
2200
2220
石蜡
CnH2n+2
62至122
固
2200
2500
甲烷
CH4
5
气
2160
2156
油
混
混
液
2000
2000
软木塞
混
混
固
2000
2000
乙烷
C2H6
8
气
1730
1729
尼龙
混
混
固
1700
1720
乙炔
C2H2
4
气
1500
1511
聚苯乙烯
CH2
3
固
1300
1300
硫化氢
H2S
3
气
1100
1105
氮
N
2
气
1040
1042
空气（室温）
混
混
气
1030
1012
空气（海平面、干燥、0℃）
混
混
气
1005
1035
氧
O
2
气
920
918
二氧化碳
CO2
3
气
840
839
一氧化碳
CO
2
气
1040
1042
铝
Al
1
固
900
897
石绵
混
混
固
840
847
陶瓷
混
混
固
840
837
氟
F
2
气
820
砖
混
混
固
750
750
石墨
C
1
固
720
710
四氟甲烷
CF4
5
气
660
二氧化硫
SO2
3
气
600
620
玻璃
混
混
固
600
84
氯
Cl2
2
气
520
520
钻石
C
1
固
502
钢
混
混
固
450
450
铁
Fe
1
固
450
444
黄铜
Cu,Zn
混
固
380
377
铜
Cu
1
固
385
386
银
Ag
1
固
235
233
汞
Hg
1
液
139
140
铂
Pt
1
固
135
135
金
Au
1
固
129
126
铅
Pb
1
固
125
128
水蒸气（水）
H2O
3
气
1850
1850
水
H2O
3
液
4200
4186
冰（水）
H2O
3
固
2060
2050（-10℃）
理论上说，常见液体和固体物质中，水的比热容最大
对上表中数值的解释：
（1）比热此表中单位为kJ/（kg·℃）/J/（kg·℃），两单位为千进制1kJ/（kg·℃）/=1*10³J/（kg·℃）
（2）水的比热较大，金属的比热更小一些
（3）c铝>c铁>c钢>c铅
补充说明：
⒈不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种属性，因此，可以用比热的不同来（粗略地）鉴别不同的物质（注意有部分物质比热相当接近）
⒉同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。
如一杯水与一桶水，它们的比热相同。
⒊对同一物质，比热值与物态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的（忽略温度对比热的影响），但在不同的状态时，比热是不相同的。
例如水的比热与冰的比热不同。
⒋在温度改变时，比热容也有很小的变化，但一般情况下可以忽略。
比热容表中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。
⒌气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系，在体积恒定与压强恒定时不同，故有定容比热容和定压比热容两个概念。
但对固体和液体，二者差别很小，一般就不再加以区分。
常见气体的比热容
（单位：
kJ/（kg·K））
Cp Cv
氧气
氢气
水蒸气
氮气
什么是显热、潜热、热湿比及焓？
什么是显热？
显热主要表现在由于空气干球温度的变化而发生的热量转移，比如空气干球温度的升高或降低而引起的热量。
潜热的发生总会伴随着物质相态的变化，简单的理解就是水在沸腾的时候要吸收很多的热量而温度没多大的变化。
所以，在空调负荷的计算时，因为空气里含有水蒸汽，所以就要计算其显热负荷和潜热负荷。
显热对固态、液态或气态的物质加热，只要它的形态不变，则热量加进去后，物质的温度就升高，加进热量的多少在温度上能显示出来，即不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。
如对液态的水加热，只要它还保持液态，它的温度就升高；因此，显热只影响温度的变化面不引起物质的形态的变化。
例如机房中、其计算机或程控交换机的发热量很大，它属于显热。
什么是潜热？
对液态的水加热，水的温度升高，当达到沸点时，虽然热量不断的加入，但水的温度不升高，一直停留在沸点，加进的热量仅使水变成水蒸气，即由液态变为气态。
这种不改变物质的温度而引起物态变化（又称相变）的热量称为潜热。
如计算机房中、工作人员人体发热以及换气带进来的空气含湿量，这些热量称为潜热。
（全热等于显热与潜热之和。
）
如果要求的气温高于露点温度,则没有水蒸汽的产生或者水珠的产生,即湿度没有变化,也就是所说的显热交换！
如果要求的气温低于露点温度，就会有潜热交换。
潜热，相变潜热的简称,指单位质量的物质在等温等压情况下,从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。
这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。
固、液之间的潜热称为熔解热（或凝固热）,液、气之间的称为汽化热（或凝结热）,而固、气之间的称为升华热（或凝华热）。
什么是全热？
显热：
随着潮湿空气的温度变化而吸收或放出的热量（比热*温度变化）；
潜热：
随着潮湿空气中的水蒸气浓度的变化有关的热量（汽化热*凝结热）；
全热（焓）：
显热和潜热之和,一般状态下焓值与全热值相同。
什么是湿负荷？
湿负荷是指空调房间的湿源（人体散湿、敞开水池（槽）表面散湿、地面积水等）向室内的散湿量，也就是为维持室内含湿量恒定需从房间除去的湿量。
什么是热湿比？
热湿比ε是湿空气状态变化时其焓的变化（△h）和含湿量的变化（△d）的比值,它描绘了湿空气状态变化的方向。
在空调设计中，ε值通常用房间的余热（Q）余湿（W）的比值来计算，在焓湿图中热湿比线通过房间的设计状态点，此时ε线描述了送入房间的空气吸热吸湿后使房间状态稳定在设计状态点的变化方向和过程。
什么是焓？
焓表征物体吸收的热量（在等压过程中）〖enthalpy〗为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和。
焓是一个状态函数，也就是说，系统的状态一定，焓的值就定了。
焓的定义式（物理意义）是这样的：
H=U+pV[焓=流动内能+推动功]
其中
U表示热力学能，也称为内能（InternalEnergy），即系统内部的所有能量
p是系统的压力（Pressure）
V是系统的体积（Volume）
o
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