《發(fā)電廠熱力設備及系統(tǒng)》第一章 熱力學基本概念

1、一、熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）、 外界和邊界、定義： 系統(tǒng)：人為分割出來，作為熱力學系統(tǒng)：人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統(tǒng)研究對象的有限物質系統(tǒng) 外界外界：與體系發(fā)生質、能交換的與體系發(fā)生質、能交換的物系。物系。 邊界：系統(tǒng)與外界的分界面邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。（線）。第一章熱力學基本概念與基本定律第一節(jié)熱能轉換的基本概念第一節(jié)熱能轉換的基本概念2 汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機3 汽缸-活塞裝置（閉口系例） 移動和虛構邊界移動和虛構邊界 1）系統(tǒng)與外界的人為性）系統(tǒng)與外界的人為性 2）邊界可以是：）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的）剛性的或可變形的或有彈性的 b）

2、固定的或可移動的）固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的）實際的或虛擬的注意： 閉口系閉口系 （控制質量（控制質量CM） 沒有質量越過邊界沒有質量越過邊界 開口系開口系 （控制體積（控制體積CV） 通過邊界與外界有質量交換通過邊界與外界有質量交換、 系統(tǒng)分類：按系統(tǒng)與外界質量交換 1）閉口系與系統(tǒng)內質量不變的區(qū)別；）閉口系與系統(tǒng)內質量不變的區(qū)別； 2）開口系與絕熱系的關系；）開口系與絕熱系的關系； 3）孤立系與絕熱系的關系。）孤立系與絕熱系的關系。注意：注意：簡單可壓縮系 由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交 換容積變化功的有限物質系統(tǒng)。換容積變化功的

3、有限物質系統(tǒng)。絕熱系 與外界無熱量交換與外界無熱量交換; 孤立系 與外界無任何形式的質能交換。與外界無任何形式的質能交換。按能量交換、 系統(tǒng)分類：以系統(tǒng)與外界關系劃分： 有有 無無是否傳質是否傳質 開口系 閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質是否傳熱、功、質 非孤立系非孤立系 孤立系1234mQW1 開口系開口系 熱力系統(tǒng)非孤立系相關外界非孤立系相關外界孤立系孤立系1+2 閉口系閉口系1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系孤立系 熱力學狀態(tài) 系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù) 描述物

4、系所處狀態(tài)的宏觀物理量描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量 SHUTVp, (1)狀態(tài)參數(shù)是宏觀量狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效，是大量粒子的統(tǒng)計平均效 應，應，只有只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有才有狀參，系統(tǒng)有多多個狀態(tài)參數(shù)，如個狀態(tài)參數(shù)，如二、熱力學狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類(2)狀態(tài)的單值函數(shù)。狀態(tài)的單值函數(shù)。 物理上物理上與過程無關；與過程無關； 數(shù)學上數(shù)學上其微量是全微分。其微量是全微分。1 21 2d0ddbaxxx(3)狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類 廣延量廣延量（extensive property） 強度量強度量（intensive proper

5、ty ） mVv 又：廣延量的比性質具有強度量特性，如比體積又：廣延量的比性質具有強度量特性，如比體積工程熱力學約定用小寫字母表示單位質量參數(shù)。工程熱力學約定用小寫字母表示單位質量參數(shù)。、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件 系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有所有狀態(tài)參數(shù)一一對應相等狀態(tài)參數(shù)一一對應相等 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩個獨立的兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應相等狀態(tài)參數(shù)對應相等1定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)熱平衡 ： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內部、系統(tǒng)與外界

6、在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內部、系統(tǒng)與外界 處處溫處處溫度相等。度相等。力平衡： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內部、系統(tǒng)與外在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內部、系統(tǒng)與外 界處處壓力相等。界處處壓力相等。熱力平衡的熱力平衡的充要條件 系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡。三、平衡狀態(tài)討論： 1）系統(tǒng)平衡與均勻）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定平衡與穩(wěn)定 平衡可不均勻平衡可不均勻 穩(wěn)定未必平衡穩(wěn)定未必平衡狀態(tài)方程狀態(tài)方程0,Tvpf1理想氣體狀態(tài)方程 gpvR T23Pa N/mm /kgKpvTgpVmR TnRTpV Rg 氣體常數(shù)氣體常數(shù)R通用氣體常數(shù)通用氣體常數(shù) J/(kg K)8.

7、3145J/(mol K)R gRMR摩爾質量摩爾質量狀態(tài)方程狀態(tài)方程對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，參數(shù)服從一定的關系；對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，參數(shù)服從一定的關系；五、 狀態(tài)參數(shù)坐標圖 一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐面坐標上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標上找到對應點，如：標上找到對應點，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO、準靜態(tài)過程(準平衡過程） 定義：定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復平衡的狀態(tài)變化過程恢復平衡的狀態(tài)變化過程。進行條件進行條件： 破壞平衡

8、的勢破壞平衡的勢 Tp ,過程進行無限緩慢過程進行無限緩慢工質有恢復平衡的能力工質有恢復平衡的能力準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線連續(xù)實線表示表示無窮小無窮小六、工質的狀態(tài)變化過程 、可逆過程定義定義：系統(tǒng)可經原途徑返回原來狀系統(tǒng)可經原途徑返回原來狀 態(tài)而在外界不留下任何變化態(tài)而在外界不留下任何變化 的過程的過程?？赡孢^程與準靜態(tài)過程的關系非準平衡(高溫傳熱至低溫)不可逆準平衡可逆非準靜態(tài)過程非準靜態(tài)過程 準靜態(tài)過程，不可逆準靜態(tài)過程，不可逆準靜態(tài)過程，可逆準靜態(tài)過程，可逆bcospAFfp AbcospAFfp Abcos(0)pAFp AfpFfpb 1.

9、1.可逆可逆= =準靜態(tài)準靜態(tài)+ +沒有耗散效應沒有耗散效應 2.2.準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內部平衡，可逆著眼于準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內部平衡，可逆著眼于 系統(tǒng)內部及系統(tǒng)與外界作用的總效果系統(tǒng)內部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 3.3.一切實際過程都不可逆一切實際過程都不可逆 4.4. 可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示 討論：、功的定義和可逆過程的功、功的定義和可逆過程的功 功的力學定義功的力學定義 沿力的方向的位移與力的乘積沿力的方向的位移與力的乘積 功的熱力學定義：功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量，其全部通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。效果可表現(xiàn)為舉起重物。

10、可逆過程功的計算可逆過程功的計算212211ddWWpA xp V功是過程量功是過程量功可以用功可以用p- -v圖上過程線圖上過程線與與v軸包圍的面積表示軸包圍的面積表示七、功和熱量 系統(tǒng)對外作功為“+”外界對系統(tǒng)作功為“-”功和功率的單位：功和功率的單位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ功的符號約定：討論討論有用功概念有用功概念pluWWWW其中其中:W膨脹功膨脹功 Wl摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大氣功。排斥大氣功。pbf、熱量定義：定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量的能量。符號約定：系統(tǒng)吸熱符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱

11、放熱“-”單位：單位： JkJ計算式及狀態(tài)參數(shù)圖計算式及狀態(tài)參數(shù)圖21d(dQT SQT S可逆過程）熱量是過程量（T-s圖上）表示圖上）表示、熱量與功的異同： （1 1）. .均為通過邊界傳遞的能量；均為通過邊界傳遞的能量； （3 3）. .功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志；功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；功功（2 2）. .均為過程量；均為過程量；熱是無條件的；熱是無條件的；熱熱功是有條件、限度的功是有條件、限度的。、定義、定義： 封閉的熱力過程封閉的熱力過程 特性特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復

12、原值一切狀態(tài)參數(shù)恢復原值，即d0 x 、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)、動力循環(huán)（正向循環(huán)）輸出凈功；輸出凈功；在在pv圖及圖及Ts圖上順時針進行；圖上順時針進行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。汽輪機汽輪機水泵水泵冷凝器冷凝器鍋爐鍋爐、動力循環(huán)（正向循環(huán)）、逆向循環(huán) 制冷循環(huán)制冷循環(huán) 熱泵循環(huán)熱泵循環(huán) 一般地講：輸入凈功；一般地講：輸入凈功； 在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行；在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行； 吸熱小于放熱。吸熱小于放熱。蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓氣機壓氣機冷凝器冷凝器節(jié)流閥節(jié)流閥吸收低溫吸收低溫處的熱量處的熱量向外界環(huán)向外界環(huán)境散失熱境散失熱量量

13、MM、逆向循環(huán) 動力循環(huán)：動力循環(huán)： 熱效率熱效率逆向循環(huán)：逆向循環(huán)： 制冷系數(shù)制冷系數(shù)供暖系數(shù)供暖系數(shù)1netqw九、循環(huán)經濟性指標：nett1wq2netqw第二節(jié)熱力學第一定律一、熱力學第一定律可表述為：熱可以轉變?yōu)楣?，功也可以轉變成熱；熱可以轉變?yōu)楣?，功也可以轉變成熱；一定量的熱消失時，必然伴隨產生相應量一定量的熱消失時，必然伴隨產生相應量的功；消耗一定量的功時，必然出現(xiàn)與之的功；消耗一定量的功時，必然出現(xiàn)與之對應量的熱。對應量的熱。第一類永動機第一類永動機（可以不消耗能量而連續(xù)作（可以不消耗能量而連續(xù)作功）是功）是造不成造不成的。的。二、熱力學能熱力學能是工質微觀粒子所具有的能熱力學

14、能是工質微觀粒子所具有的能量。對于不包括化學反應和核變化的簡單量。對于不包括化學反應和核變化的簡單可壓縮系統(tǒng)，熱力學能僅包括分子的內動可壓縮系統(tǒng)，熱力學能僅包括分子的內動能和分子的內位能。能和分子的內位能。U=U(T,V)U=U(T,V) 單位質量工質的熱力學能稱為比熱力學能單位質量工質的熱力學能稱為比熱力學能mUu 加入系統(tǒng)的能量總和加入系統(tǒng)的能量總和熱力系統(tǒng)輸出的能量總和熱力系統(tǒng)輸出的能量總和= 熱力系熱力系總儲存能的增量總儲存能的增量EE+dEi imeQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e內部貯能的增量內部貯能的增量：dEtotdjjiiQEe me mW 或

15、21totjjiiQEe me mW EE+dEi imeQWjjm ed定義定義 d dU = U = Q - Q - WW 內能內能U U 狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù) Q = dU + WQ = U + W閉口系熱一律表達式閉口系熱一律表達式兩種特例：兩種特例： 絕功系絕功系 Q Q = d = dU U 絕熱系絕熱系 W W = - d= - dU U 閉口系基本能量方程式21totjjiiQEe me mW 閉口系：閉口系： 00ijmm忽略宏觀動能忽略宏觀動能U Uk k和位能和位能U Up p，EU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表達式功的基本表達

16、式熱熱討論：討論： 對于可逆過程對于可逆過程ddQUp VddQUWQUWquwquw 3939T電電冰冰箱箱QU W 0W 0UW0Q 4040T空空調調 QAir-conditionerQU W 0W0QUQ WQW4141Q=W=0U=0 即即 U1=U242424343)(452570212121kJWQUaaakJUUba452121)(454590212121kJUQWbbb4444kJUc4512kJW30)(753045121212kJWUQccc五、穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動特征穩(wěn)定流動特征：注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。1）各截面上參數(shù)不隨時間變

17、化。）各截面上參數(shù)不隨時間變化。2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0? 穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動系統(tǒng)系統(tǒng)定義：系統(tǒng)內部定義：系統(tǒng)內部各點狀態(tài)參數(shù)不隨時各點狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化的流動系統(tǒng)間變化的流動系統(tǒng)。21QH+2shm cmg zW 21+2shqhcg zw 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程; shW：軸功若流入、流出系統(tǒng)的工質為單位質量，則有：焓： H=U+PV 比焓: hu+pv焓是狀態(tài)參數(shù)，在開口系中，焓表示流入（流出）系統(tǒng)工質所攜帶的取決于熱力學狀態(tài)的總能量。六、穩(wěn)定流動能量方程式的應用1.1.葉輪式機械葉輪式機械(1)(1)蒸汽輪機蒸汽輪機 流進系統(tǒng)：流進系統(tǒng)：1111hvpu

18、流出系統(tǒng)：流出系統(tǒng)：2222s,up vhw內部儲能增量：內部儲能增量： 0 012sthhww(2)壓氣機，水泵類流入流入2f111s,2chgzw流出流出2f 222,2chgzq內部貯能增量內部貯能增量 0 0s21whhq(2)壓氣機，水泵類2.2.換熱器（鍋爐、加熱器等）換熱器（鍋爐、加熱器等） 流入：流入：12221f113f331122mmqhcgzqhcgz流出：流出：12222f 224f 441122mmqhcgzqhcgz內增：內增： 0 0若忽略動能差、位能差若忽略動能差、位能差124312mmqhhhhq、節(jié)流n與外界交換熱量忽略不計q=0，忽略動能差、位能差，與外界

19、無功量交換：20hhh或第三節(jié) 熱力學第二定律一、熱力過程的方向性 經驗告訴我們，自然界發(fā)生的許多過程是有方向性的。例如：1、熱功轉化 功轉換成熱的試驗。如圖，重物下降，攪動容器中的流體使流體溫度升高，但不能讓流體自動冷卻而產生動力把重物舉起。即重物下降能使流體溫度升高，但流體溫度降低不能使重物上升 熱功轉換模擬圖A物體B物體2、熱量傳遞的方向性AB熱量傳遞的方向性圖熱量傳遞方向熱量傳遞方向真空3、 自由膨脹與壓縮過程的方向性、混合與分離過程的方向性自然過程的方向性 由于人們分析問題的出發(fā)點不同，所以由于人們分析問題的出發(fā)點不同，所以“熱力學第二定律熱力學第二定律”有各種各樣的說法，有各種各樣

20、的說法，但無論有多少種不同的說法，它們都反映但無論有多少種不同的說法，它們都反映了客觀事物的一個共同本質，即自然界的了客觀事物的一個共同本質，即自然界的一切自發(fā)過程有一切自發(fā)過程有方向性方向性。二、熱力學第二定律的表述1 1、克勞修斯說法（克勞修斯說法（18501850）：）： 不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。變化。2 2、開爾文說法（開爾文說法（18511851）：）： 不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不引起其它變化。不引起其它變化? (第二類永動機是不可以實現(xiàn)的第二類永動

21、機是不可以實現(xiàn)的) ) “克氏克氏”是從傳熱的角度出發(fā)，是從傳熱的角度出發(fā)，“開氏開氏”是從功熱是從功熱轉換的角度出發(fā)。轉換的角度出發(fā)。二、熱力學第二定律的表述、卡諾循環(huán)、卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是卡諾循環(huán)是18241824年法國青年工程師年法國青年工程師卡諾提出的一種理想的有重要理論意義卡諾提出的一種理想的有重要理論意義的可逆熱機的可逆循環(huán)，它是由四個可的可逆熱機的可逆循環(huán)，它是由四個可逆過程組成：一個可逆熱機在二個恒溫逆過程組成：一個可逆熱機在二個恒溫熱源間工作。熱源間工作。 三、卡諾循環(huán)和卡諾定理循環(huán)熱效率：121TTc重要結論：重要結論：（1） 效率效率 只取決于只取決于 、 ，提高，提高

22、和和降低降低 都可以提高熱效率；都可以提高熱效率；（2） 循環(huán)效率小于循環(huán)效率小于1：（3） 當當 = 時時 ， =0，所以借助單一，所以借助單一熱源連續(xù)做功的機器是制造不出來的。熱源連續(xù)做功的機器是制造不出來的。c2T1T1T2T1T2Tc實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)n原因：原因： a）一切實際過程不可逆；）一切實際過程不可逆； b）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難；）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難； c）氣體卡諾循環(huán)）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦，輸太小，若考慮摩擦，輸出凈功極微。出凈功極微。 、卡諾定理定理一：定理一： 在相同溫度的高溫熱源在相同溫度的高溫熱源(T T1 1)和相同溫

23、度的和相同溫度的低溫熱源低溫熱源(T T2 2)之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關，與采用效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關，與采用哪一種工質也無關。哪一種工質也無關。定理二：定理二： 在溫度同為在溫度同為T T1 1的熱源和溫度同為的熱源和溫度同為T T2 2的冷源的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)間工作的一切不可逆循環(huán) ，其熱效率必小于，其熱效率必小于可逆循環(huán)?？赡嫜h(huán)。01ttcwq01ttcwq01ttcwq211tcTT 結論： 在同樣的兩個溫度不同的熱源間工作的在同樣的兩個溫度不同的熱源間工作的熱機，以可逆熱機熱效率最大，不可逆熱熱機，