热工基础课件(2)第一章.ppt

1、第一篇工程热力学1第一章 基本概念 1-1 热机、工质、热源与热力系统热机热机：能能将将热热能能转转换换为为机机械械能能的的机机器器。如如蒸蒸汽汽机机、蒸蒸汽汽轮轮机机、燃燃气气轮轮机机、内内燃机和喷气发动机等。燃机和喷气发动机等。2工质工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质实现热能和机械能之间转换的媒介物质。热源热源：本本身身热热容容量量很很大大，且且在在放放出出或或吸吸收收有有限限量量热热量量时时自自身身温温度度及及其其它它热热力力学学参参数数没没有明显变化的物体。有明显变化的物体。例如空气、燃气、水蒸气等。例如空气、燃气、水蒸气等。例如锅炉、循环水池、大气等。例如锅炉、循环水池、大气等

2、。提提供供热热量量的的热热源源称称为为高高温温热热源源；吸吸收收热热量的热源称为量的热源称为低温热源低温热源。3热力系统热力系统：在在工工程程热热力力学学中中，通通常常选选取取一一定定的的工工质质或或空空间间作作为为研研究究的的对对象象，称称之之为为热热力力系系统统，简简称称系系统统。系系统统以以外外的的物物体体称称为为外外界界或或环环境境。系统与外界之间的分界面称系统与外界之间的分界面称为为边界边界。边界边界边界边界闭口闭口闭口闭口系统系统系统系统（1）闭口系统闭口系统 与与外外界界无无物物质质交交换换的的系系统统。系系统统的的质质量量始始终终保保持持恒恒定定，也也称为称为控制质量系统控制质

3、量系统。外界外界外界外界4（2）开口系统开口系统 与与外外界界有有物物质质交交换换的的系系统统。系系统统的的容容积积始始终终保保持持不不变变，也也称为称为控制容积系统控制容积系统。进口进口进口进口出口出口出口出口（3）绝热系统绝热系统 与外界没有热量交换的系统。与外界没有热量交换的系统。（4）孤立系统孤立系统 与与外外界界既既无无能能量量（功功、热热量量）交换又无物质交换的系统。交换又无物质交换的系统。51-2 平衡状态及基本状态参数 1.平衡状态平衡状态（1）状态（热力状态）状态（热力状态）系系统统在在某某一一瞬瞬间间所所呈呈现现的的宏宏观观物物理理状状况称为系统的况称为系统的热力状态热力状

4、态，简称，简称状态状态。（2）平衡状态）平衡状态 系系统统内内部部各各处处的的宏宏观观性性质质均均匀匀一一致致、不不随时间而变化的状态称为随时间而变化的状态称为平衡状态平衡状态。系系统统内内部部不不存存在在热热量量传传递递，即即各各处处的的温温度均匀一致的状态称为度均匀一致的状态称为热平衡状态热平衡状态。6（4）非平衡状态）非平衡状态 系系统统内内部部存存在在不不平平衡衡势势（温温差差或或压压差差），因因此此存存在在能能量量或或质质量量传传递递的的宏宏观观物物理理状状况况。非平衡状态不能用状态参数来描写。非平衡状态不能用状态参数来描写。状态参数的特点状态参数的特点：（3）状态参数）状态参数 用

5、用于于描描述述系系统统平平衡衡状状态态的的物物理理量量称称为为状态参数状态参数，如温度、压力、比体积等。，如温度、压力、比体积等。状状态态确确定定，状状态态参参数数的的数数值值也也确确定定，反反之亦然。之亦然。72.基本状态参数基本状态参数 工工程程热热力力学学中中常常用用的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比比体体积积、比比热热力力学学能能、比比焓焓、比比熵熵等等，其其中中可可以以直直接接测测量量的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比体积比体积，称为，称为基本状态参数基本状态参数。（1）压力）压力 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）单

6、位单位:Pa（帕帕），），1 Pa=1 N/m2，1 MPa=103 kPa=106 Pa 8常用非常用非SI压力单位压力单位：1 bar（巴巴）=105 Pa 1 atm（标准大气压标准大气压）=1.013 105 Pa 1 at（工程大气压工程大气压）=0.981 105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱毫米水柱）=9.81 Pa1 mmHg（毫米汞柱毫米汞柱）=133.3 Pa 9压力测量压力测量：绝对压力绝对压力 p、大气压力大气压力pb、表表压力压力pe、真空度真空度pv 只有绝对压力只有绝对压力 p 才是状态参数。才是状态参数。10（2）温度）温度 温温度度是是反反映映物物体体冷冷热

7、热程程度度的的物物理理量量。温温度度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。当当两两个个温温度度不不同同的的物物体体相相互互接接触触时时，它它们们之之间间将将发发生生热热量量传传递递，如如果果没没有有其其它它物物体体影影响响，这这两两个个物物体体的的温温度度将将逐逐渐渐趋趋于于一一致致，最最终终将将达达到到热热平平衡衡（即即温温度度相相等等）。所所以以温温度度是是热热平平衡衡的判据的判据。1）温度的物理意义）温度的物理意义温度相等温度相等 热平衡热平衡 112）热力学第零定律）热力学第零定律：如如果果两两个个物物体体中中的的每每一一个个都都分分别别与与第

8、第三三个个物物体体处处于于热热平平衡衡，则则这这两两个个物物体彼此也必处于热平衡。体彼此也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据。ABC3）温标）温标：温度的数值表示法。温度的数值表示法。建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：a.选选择择温温度度的的固固定定点点，规规定定其其数数值值；b.确确定定温温度度标标尺尺的的分分度度方方法法和和单单位位；c.选选择择某某随随温温度变化的物性作为温度测量的度变化的物性作为温度测量的 依据。依据。12摄氏温标摄氏温标:在在标标准准大大气气压压下下，纯纯水水的的冰冰点点温温度度为为0 ，纯纯水水的的沸沸点点温温度

9、度为为100，纯纯水水的的三三相相点点（固固、液液、汽汽三三相相平平衡衡共共存存的的状状态态点点）温温度为度为0.01 。瑞瑞典典天天文文学学家家摄摄尔尔修修斯斯（Celsius）于于1742年年建建立立。用用摄摄氏氏温温标标确确定定的的温温度度称称为为摄摄氏温度氏温度，用符号，用符号t 表示，单位为表示，单位为 。选选择择水水银银的的体体积积作作为为温温度度测测量量的的物物性性，认认为为其其随随温温度度线线性性变变化化，并并将将0 100 温温度度下下的体积差均分成的体积差均分成100份，每份对应份，每份对应1 1。13 用用热热力力学学温温标标确确定定的的温温度度称称为为热热力力学学温温度

10、度，用符号，用符号T 表示，单位为表示，单位为 K（开）。开）。热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）:英英国国物物理理学学家家开开尔尔文文（Kelvin)在在热热力力学学第第二定律基础上建立，也称二定律基础上建立，也称开尔文温标。开尔文温标。热热力力学学温温标标取取水水的的三三相相点点为为基基准准点点，并并定定义义其其温温度度为为273.16 K。温温差差1K相相当当于于水水的的三相点温度的三相点温度的1/273.16。热力学温标热力学温标与与摄氏温标摄氏温标的关系：的关系：温差温差:1 K=1 t t=T 273.15 K14 国国际际单单位位制制（SI）采采用用热热力力学学温温度度

11、T作作为为基本状态参数。基本状态参数。4)温度的测量温度的测量a.接触式接触式水银温度计、酒精温度计水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。热电偶、电阻温度计等。b.非接触式非接触式光学辐射高温计光学辐射高温计激光全息干涉仪激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法相干反斯托克斯喇曼光谱）法15（3）比体积）比体积定义：定义：单单位位质质量量的的工工质质所所占占有有的的体体积积，用用符号符号v表示，单位为表示，单位为 m3/kg 。密度密度：单单 位位 体体 积积 工工 质质 的的 质质 量量，用用 符符 号号 表示表示，单位为单位为 kg/m3 。比比体体积积和和密密度度二二者者

12、相相关关，通通常常以以比比体体积积作作为状态参数为状态参数 。161-3 状态方程与状态参数坐标图（1）状态公理）状态公理 对对于于和和外外界界只只有有热热量量和和体体积积变变化化功功（膨膨胀胀功功或或压压缩缩功功）的的简简单单可可压压缩缩系系统统，只只需需两两个个独独立立的的参参数数（如如p、v，p、T 或或v、T）便便可可确定它的确定它的平衡状态平衡状态。（2）状态方程式）状态方程式 表表示示状状态态参参数数之之间间关关系系的的方方程程式式称称为为状状态方程式态方程式。如：。如：17（3）状态参数坐标图）状态参数坐标图 在在以以两两个个独独立立状状态态参参数数为为坐坐标标的的平平面面坐标图

13、上，每一点都代表一个坐标图上，每一点都代表一个平衡状态平衡状态。以独立状态参数为坐标的坐标图。以独立状态参数为坐标的坐标图。181-4 准平衡过程和可逆过程（1）热力过程）热力过程 系统由一个状态到达另一个状态的变化过系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。程。19（2）准平衡过程）准平衡过程（准静态过程准静态过程）所所经经历历的的每每一一个个状状态态都都无无限限地地接接近近平平衡衡状态的过程。状态的过程。在在状状态态参参数数坐坐标标图图上上，准准平平衡衡过过程程可可以以近近似似地地用用连连续续的实线表示。的实线表示。在在系系统统内内外外的的不不平平衡衡势势（如如压压力力差差、温温度度差差等等

14、）较较小小、过过程程进进行行较较慢慢、弛弛豫豫时时间间非非常常短短的的情情况况下下，可可以以将将实实际际过过程程近近似似地地看看作作准平衡过程。准平衡过程。pv1220（3）可逆过程）可逆过程 如果系统完成了某如果系统完成了某一过程之后可以沿原路一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何并且不给外界留下任何变化，这样的过程为变化，这样的过程为可可逆过程逆过程。实实际际过过程程都都是是不不可可逆逆过过程程，如如传传热热、混混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等 。可可逆逆过过程程是是一一个个理理想想过过程程。可可逆逆过

15、过程程的的条件：条件：准平衡过程准平衡过程无耗散效应无耗散效应。211-5 功量与热量 1.功量与示功图功量与示功图(1)膨胀功膨胀功 工质在体积膨胀时所工质在体积膨胀时所工质在体积膨胀时所工质在体积膨胀时所作的功称为作的功称为作的功称为作的功称为膨胀功膨胀功膨胀功膨胀功。符号：符号：符号：符号：W 单位：单位：单位：单位：J 或或 kJ 对于对于微元可逆过程，微元可逆过程，微元可逆过程，微元可逆过程，对于可逆过程对于可逆过程对于可逆过程对于可逆过程1 1 1 12 2 2 2：22 单单位位质质量量工工质质所所作作的的膨膨胀胀功功用用符符号号w 表表示，示，单位为单位为J/kg 或或 kJ/

16、kg。(2)示功图示功图（p-v图图）功功是是过程量过程量而不而不是是状态量状态量。膨胀：膨胀：dv 0,w 0压缩：压缩：dv 0,w 0;系统放热：系统放热：q 0。热热量量和和功功量量都都是是系系统统与与外外界界在在相相互互作作用用的的过过程中所传递的能量，都是程中所传递的能量，都是过程量过程量而不是而不是状态量状态量 24 在在可可逆逆过过程程中中，系系统统与与外外界界交交换换的的热热量量与功量的计算公式具有相同的形式。与功量的计算公式具有相同的形式。功量功量：热量热量：s 称称为为比比熵熵。比比熵熵同同比比体体积积 v 一一样样是是工工质质的的状态参数。状态参数。比熵比熵的定义式：的定义式：（可逆过程）（可逆过程）比熵比熵的单位为的单位为J/(kgK)或或 kJ/(kgK)。25对于质量为对于质量为 m 的工质，的工质，S为质量为为质量为 m 的工质的熵，单位是的工质的熵，单位是 J/K。根根据据熵熵的的变变化化判判断断一一个个可可逆逆过过程程中中系系统统与外界之间热量交换的方向：与外界之间热量交换的方向：系统吸热；系统吸热；系统吸热；系统吸热；，系统放热。系统放热。系统放热