工程熱力學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

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第一章熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第一篇工程熱力學(xué)

1本章主要內(nèi)容工質(zhì)和熱力系狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)平衡狀態(tài)和熱力過程功和熱量2

21-1工質(zhì)和熱力系火電廠為什么采用水蒸氣作為工質(zhì)？一、工質(zhì)、熱機(jī)、熱源與冷源1.熱機(jī)：實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。(如電廠中的汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等)2.工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。對(duì)工質(zhì)的要求：1）良好的膨脹性；2）流動(dòng)性好；3）性質(zhì)穩(wěn)定，安全性好；4）熱容量大；5）對(duì)環(huán)境友善；6）價(jià)廉，易大量獲取。3

33.高溫?zé)嵩矗翰粩嘞蚬べ|(zhì)提供熱能的物體（熱源）。如電廠鍋爐中的高溫?zé)煔狻?.低溫?zé)嵩矗翰粩嘟邮展べ|(zhì)排放剩余熱能的物體（冷源）。如凝汽器中的冷卻水。鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器4

4熱能動(dòng)力裝置的工作過程：工質(zhì)從高溫?zé)嵩次崮?，將其中的一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而作功，并把余下的另一部分傳給低溫?zé)嵩吹倪^程。5

5二、熱力系1.熱力系定義：熱力系：人為劃分的熱力學(xué)研究對(duì)象。（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）外界：系統(tǒng)外與之相關(guān)的一切其他物質(zhì)。邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。6

6按系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換情況分：1）閉口系：與外界無質(zhì)量交換（控制質(zhì)量）2）開口系：與外界有質(zhì)量交換（控制容積）2.熱力系分類：根據(jù)系統(tǒng)與外界之間的質(zhì)量和能量交換情況分按系統(tǒng)與外界的能量交換情況分：1）絕熱系：與外界無熱量交換；2）孤立系：與外界既無能量（功量、熱量）交換，又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。7

71-2狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)—可以直接測(cè)量得到的狀態(tài)參數(shù)（如p、v、T）；導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)—由基本狀態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的狀態(tài)參數(shù)（如u、h、s等）。一、熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)1.熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)（工質(zhì)）在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理特性（簡(jiǎn)稱狀態(tài)）。2.狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)或工質(zhì)狀態(tài)特征的宏觀物理量。（如：溫度T、壓力p、比體積v、熱力學(xué)能u、焓h、熵s等。）8

8狀態(tài)參數(shù)特點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)某確定的狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)；反之，一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個(gè)狀態(tài)；其數(shù)值僅決定于狀態(tài)，而與達(dá)到該狀態(tài)的途徑無關(guān)。因此，狀態(tài)參數(shù)的變化量可表示為（式中x表示任一狀態(tài)參數(shù)）：工質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，則其所有狀態(tài)參數(shù)的變化量均為零，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：9

91.壓力二、基本狀態(tài)參數(shù)物理學(xué)上：?jiǎn)挝幻娣e上受到的垂直作用力，也稱壓強(qiáng)，p=F/A；熱力學(xué)中：大量氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊容器內(nèi)壁時(shí)，在單位面積上所產(chǎn)生的垂直方向的平均作用力。10

10絕對(duì)壓力（p）：氣體的真實(shí)壓力。大氣壓力（pamb或pb）：大氣環(huán)境對(duì)物體的作用力。相對(duì)壓力：指相對(duì)于環(huán)境大氣壓力的差值，即測(cè)壓儀表的讀數(shù)，分表壓力和真空度。壓力的測(cè)量常用測(cè)壓儀表有：彈簧管式壓力表U型管壓力計(jì)（測(cè)較小壓力）11

11表壓力與真空度表壓力：當(dāng)氣體的壓力高于大氣壓力時(shí)（稱為正壓），壓力表的讀數(shù)（pg）。計(jì)算式：p=pg+pb真空度：當(dāng)氣體的壓力低于大氣壓力時(shí)（稱為負(fù)壓），壓力表的讀數(shù)（pv）。計(jì)算式：p=pb-pvp、pg、pv都可作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)嗎？只有p才可作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)！12

12壓力的單位（1）國(guó)際單位制：1帕=1Pa=1N/m21千帕=1kPa=103Pa1兆帕=1MPa=106Pa（2）工程中可用液柱高和工程大氣壓表示壓力大小。1mmHg≈133.3Pa1mmH2o≈9.81Pa1工程大氣壓=1at=1kgf/cm2≈0.1MPa（3）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：指緯度為45o海平面上的常年平均氣壓（物理大氣壓）1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1atm=760mmHg=101325pa13

132.溫度（1）定義：標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。（2）物理意義：反映物質(zhì)內(nèi)部分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，也即分子平均動(dòng)能的大小。14

14（3）溫標(biāo)：溫度的數(shù)值標(biāo)尺。溫標(biāo)的建立必須確定其基準(zhǔn)點(diǎn)和分度方法，常用的有兩種溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)（t，℃）：純水在1atm下，熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)/開爾文溫標(biāo)）（T，K）：以水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定為273.16K。冰點(diǎn)0℃沸點(diǎn)100℃劃分100等份相互關(guān)系：基準(zhǔn)點(diǎn)不同，但分度一樣，即?t=?TT＝t+273.15K15

153.比體積（比容）比體積v：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)所占有的體積。v=V/m(單位：m3/kg)密度ρ：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量。ρ=m/V(單位：kg/m3)相互關(guān)系：ρv=1物理意義：二者均反映物質(zhì)內(nèi)部分子聚集的疏密程度，即分子間平均距離的大小。16

16例題分析例1-1如圖所示,用水銀壓力計(jì)測(cè)量凝汽器的壓力，已知測(cè)壓計(jì)讀數(shù)為706mmHg，當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b＝98.07kPa，求凝汽器內(nèi)蒸汽的絕對(duì)壓力。解：凝汽器內(nèi)真空為：pv=706×133.3=94110(Pa)則絕對(duì)壓力為：p＝pb-pv＝98070—94110＝3960(Pa)說明：在壓力計(jì)算中，各量單位應(yīng)換算統(tǒng)一后才能相加減！17

17例1-2一臺(tái)型號(hào)HGl021／18.2—540／540的鍋爐，其中18.2指的是蒸汽的表壓力為18.2MPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?50mmHg，試求蒸汽的絕對(duì)壓力為多少?解：根據(jù)p=pb+pg，則蒸汽的絕對(duì)壓力為p=750×133.3十18.2×l06=18.3×106(Pa)＝18.3MPa說明：在火力發(fā)電廠的設(shè)備型號(hào)中，通常有表示壓力的參數(shù)；在不同設(shè)備型號(hào)中，其含義不盡相同。18

181-3平衡狀態(tài)和熱力過程1、平衡狀態(tài)（1）定義：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的宏觀熱力性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。一、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程和參數(shù)坐標(biāo)圖（2）實(shí)現(xiàn)平衡的條件熱平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量的傳遞。力平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有相對(duì)位移。（3）研究平衡狀態(tài)的意義只有平衡狀態(tài)是可以描述的（平衡狀態(tài)下，工質(zhì)各點(diǎn)相同的狀態(tài)參數(shù)均勻一致，具有確定的數(shù)值）19

192、狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)（指由氣態(tài)工質(zhì)組成，與外界只有熱和功交換的熱力系），只需兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，便可確定它的平衡狀態(tài)（由狀態(tài)定理）。例如：在工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T中，只要其中任意兩個(gè)確定，另一個(gè)也隨之確定，如p=f(v,T)，表示成隱函數(shù)形式為：f(p,v,T)=0。20

203、參數(shù)坐標(biāo)圖熱力工程中常用的參數(shù)坐標(biāo)圖有：p-v圖、T-s圖及h-s圖等。如圖所示，參數(shù)坐標(biāo)圖中的點(diǎn)1、2分別表示平衡態(tài)1和平衡態(tài)2。21

21二、熱力過程1、熱力過程定義：熱力學(xué)狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。（簡(jiǎn)稱過程）2、熱力過程分類按過程中系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)特點(diǎn)分：非平衡過程—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)的過程。準(zhǔn)平衡過程—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列無限接近平衡狀態(tài)的過程。（準(zhǔn)平衡過程在參數(shù)坐標(biāo)圖上可用連續(xù)實(shí)線表示）22

22實(shí)際過程按準(zhǔn)平衡過程處理的條件：平衡恢復(fù)的速度>>平衡被破壞的速度準(zhǔn)平衡過程進(jìn)行的條件：推動(dòng)過程的作用無限?。处→0，Δp→0），故準(zhǔn)平衡過程又叫準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)平衡過程是一種理想過程，實(shí)際過程都是非平衡過程。只有準(zhǔn)平衡過程才能用熱力學(xué)方法進(jìn)行分析研究。23

23按系統(tǒng)與外界作用產(chǎn)生的效果分：可逆過程與不可逆過程：一個(gè)過程進(jìn)行完以后，若能使其沿原路返回至初態(tài)，并使系統(tǒng)和外界都不發(fā)生任何改變，則這一過程稱為可逆過程，否則稱為不可逆過程。24

24可逆過程的實(shí)現(xiàn)條件：1）過程必須是準(zhǔn)平衡過程；2）作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)不存在摩擦；3）傳熱無溫差?？赡孢^程＝準(zhǔn)平衡過程＋無能量耗散25

25分析研究可逆過程的意義可逆過程是一個(gè)理想過程，自然界中一切實(shí)際過程（如傳熱、混合、擴(kuò)散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等）均為不可逆過程?？赡孢^程是實(shí)際過程完善度的標(biāo)準(zhǔn)。可逆過程的概念為熱力學(xué)分析提供了很大的方便，利用這一概念可以將復(fù)雜的實(shí)際過程近似簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的可逆過程加以研究，然后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚匝芯靠赡孢^程在理論上具有十分重要的意義。26

261-4功和熱量熱力系與外界進(jìn)行能量交換有兩種方式：作功——與物體的宏觀位移有關(guān)（傳遞機(jī)械能的多少用功來度量）傳熱——不需要物體的宏觀移動(dòng)（傳遞熱能的多少用熱量來度量）27

271、功的定義物理學(xué)中功的定義：功=力×位移，即W＝Fx熱力學(xué)中對(duì)功的定義：由于系統(tǒng)體積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為體積變化功（分膨脹功或壓縮功）一、氣體的功功的正負(fù)規(guī)定：熱力學(xué)中規(guī)定，膨脹功為正，壓縮功為負(fù)。28

282、功的符號(hào)和單位功的符號(hào)：用W表示功的單位：1）國(guó)際單位中，J（焦耳）或kJ（千焦）1J=1N.m2）電力工程中常用kWh作為功的單位；1kWh=3600kJ比功：1kg氣體與外界交換的功稱為比功，用w表示，單位用J/kg或kJ/kg。(w=W/m)裝機(jī)容量為300MW的汽輪發(fā)電機(jī)組連續(xù)工作一天的發(fā)電量是多少kWh？7.2×106kWh29

293、可逆過程的體積變化功計(jì)算與p-v圖30

30=p-v圖中的過程曲線在v坐標(biāo)上的投影面積功與p-v圖結(jié)論：p-v圖又稱為示功圖；功是過程量。31

31二、熱量1.熱量的定義：工程熱力學(xué)中把依靠溫差而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。熱量和熱能不同，熱量不是狀態(tài)參數(shù)，它不僅與過程初、終態(tài)有關(guān)，而且與過程如何進(jìn)行密切相關(guān)，故熱量也是過程量；而熱能則是物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)形態(tài)的反映，僅取決于狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)。熱量的正負(fù)規(guī)定：熱力學(xué)中規(guī)定，工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正；工質(zhì)向外界放熱，熱量為負(fù)。32

322.熱量的符號(hào)與單位熱量：用Q表示，國(guó)際單位制中，熱量的單位是焦（耳），用J表示。工程上常用千焦（kJ）表示，1kJ=1000J比熱量：1kg氣體與外界交換的熱量，用q表示，單位為J/kg。（q=Q/m）33

333.熱量的計(jì)算既然可逆過程中體積的變化是作功的標(biāo)志，那么在可逆?zhèn)鳠徇^程中也應(yīng)該存在某一狀態(tài)參數(shù)可用來作為熱量傳遞的標(biāo)志。我們就定義這個(gè)新的狀態(tài)參數(shù)為“熵”,以符號(hào)S表示，而且這個(gè)參數(shù)具有下列性質(zhì)：熵的定義式：微元可逆過程中，dS=?Q/T，單位：kJ/k或J/k比熵：s=S/m,則ds=?q/T，單位：kJ/（kg.k）或J/（kg.k）34

34熱量與T-s圖由熵的定義式：ds=?q/T可知，所以在可逆過程中熵的變化可表示熱流方向，即1）熵增加：表示系統(tǒng)吸收熱量；2）熵減?。罕硎鞠到y(tǒng)放出熱量；3）熵不變：表示系統(tǒng)與外界沒有熱量的傳遞。結(jié)論：過程中系統(tǒng)與外界交換的熱量可用T-s圖上過程曲線在s坐標(biāo)軸上的投影面積來表示，因此T-s圖又稱為示熱圖。35

35功與熱量的比較功熱量性質(zhì)過程量過程量推動(dòng)力壓力p溫度T標(biāo)志dV,dvdS,ds公式條件可逆過程可逆過程36

36課堂作業(yè)教材P31.習(xí)題1-2、1-337

37本章小結(jié)熱機(jī)、工質(zhì)、熱源、冷源、熱力系狀態(tài)及平衡狀態(tài)、三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)（p、v、T)及其性質(zhì)熱力過程、準(zhǔn)平衡過程和可逆過程功與p-v圖關(guān)系、熱量與T-s圖關(guān)系比較狀態(tài)量與過程量的性質(zhì)38

38熱力學(xué)中兩種常見熱力系39

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42可逆過程43

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