熱工基礎(chǔ)第一章

第一章

基本概念

§1-1熱力系統(tǒng)1、熱機(jī)能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱能電能機(jī)械能風(fēng)能水能化學(xué)能核能地?zé)崮芴柲芄怆娹D(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵囁啓C(jī)風(fēng)車熱機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)換

熱機(jī)種類

發(fā)電（火力、核能）40%

車輛發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）25~35%

輪船發(fā)動機(jī)25~35%

航空發(fā)動機(jī)

20~30%能量利用率火電廠系統(tǒng)圖火力發(fā)電裝置鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器基本特點：1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)航空發(fā)動機(jī)（燃?xì)庋h(huán)）活塞燃?xì)獍l(fā)電裝置活塞燃?xì)庋b置基本特點：1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣單缸汽油發(fā)動機(jī)構(gòu)造（內(nèi)燃機(jī)）

圖6-15單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖-火花塞2-氣缸蓋3-出水口4-氣缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞銷9-進(jìn)水口10-連桿11-飛輪12-曲軸13-機(jī)油管14-曲軸箱15-機(jī)油泵16-曲軸正時齒輪17-凸輪正時齒輪18-凸輪軸19-排氣管20-進(jìn)氣管21-進(jìn)氣門22排氣門23-化油器內(nèi)燃機(jī)裝置空氣、油廢氣吸氣點火膨脹排氣內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點：1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)制冷空調(diào)裝置基本特點：1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán)

(加壓、放熱、膨脹、吸熱)動力裝置共同基本特點：

1、熱源，冷源

2、工質(zhì)

3、容積變化功

4、循環(huán)§1-1熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為選取的研究對象外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、系統(tǒng)與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無是否傳質(zhì)開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系1234mQW1

開口系§1-1熱力系統(tǒng)非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系熱力系統(tǒng)其它分類方式

其它分類方式

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

簡單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)平衡狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性

如

質(zhì)量m、容積

V、熱力學(xué)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比體積比熱力學(xué)能比焓比熵單位：/kg/kmol具有強(qiáng)度量的性質(zhì)§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比體積v

（容易測量）1、壓力

p

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa

,N/m2常用單位：

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg=9.80665104

Pa

1psi=0.006895MPa壓力p測量示意圖一般是工質(zhì)絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力

p

才是狀態(tài)參數(shù)絕對壓力與相對壓力示意圖當(dāng)

p>pb表壓力pe當(dāng)

p<pb真空度pvpbpeppvp環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。

見習(xí)題1－4大氣壓隨時間、地點變化。物理大氣壓

1atm=760mmHg=1.013105

Pa其它壓力測量方法高精度測量：活塞式壓力計工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度

T0.5

mw2T=0

0.5mw

2=0

分子一切運動停止熱力學(xué)第零定律溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)B

溫度計熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律1931年T熱力學(xué)第一定律18401850年E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準(zhǔn)溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量溫度的測量溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點刻度溫標(biāo)常用溫標(biāo)絕對K攝氏℃

華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點溫標(biāo)的換算溫度測量方法日常：水銀溫度計，酒精溫度計，水溫度計工業(yè)：熱電偶，熱敏電阻計量：鉑電阻溫度計比體積v［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

溫差

—

熱不平衡勢壓差

—

力不平衡勢化學(xué)反應(yīng)

—

化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述§1-5狀態(tài)方程、坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理閉口系：不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種不平衡勢差

達(dá)到某一方面平衡

消除一種能量傳遞方式而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N

=n

+1=2狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)例：R134a的維里型狀態(tài)方程座標(biāo)圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標(biāo)圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21§1-6準(zhǔn)平衡過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過程一般過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準(zhǔn)靜態(tài)過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果

p外微小可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W=pAdl=pdV1kg工質(zhì)w=pdvdl很小，近似認(rèn)為p不變準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：

上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功是過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負(fù)）5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦損失的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W′<W若外界將得到的功W′再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W<W′則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W′＝W若外界將得到的功W'再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。可逆過程的定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程的實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q自由膨脹真空?????????????????典型的不可逆過程節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★引入可逆過程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆

外部可逆，內(nèi)部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆§1-7功量1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義(外文參考書）

a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對外作功。b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。例：火力發(fā)電裝置鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器功的表達(dá)式功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-8熱量與熵1、熱量定義：

熱力系通過邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量如何表達(dá)？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標(biāo)志

dV,dv

dS

,ds公式條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆熵（Entropy）的定義reversible熵的簡單引入比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程

傳熱的大小與方向2、正負(fù)號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負(fù)

Q<0dS<04、用途：判斷可逆過程的熱量方向計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖第一章小結(jié)基本概念：熱力系、熱機(jī)平衡、穩(wěn)定、均勻準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)功、熱量、熵

p-V圖、T-S圖第一章小結(jié)

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系

熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。

一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱量：氣體通過活塞從外界吸熱Q(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對放逸氣體作功W′W′Q′熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q′(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W-W′熱量：Q-Q′WQW′Q′(4)以容器為系統(tǒng)開口系功量：W′熱量：Q′W′Q′(5)以氣缸為系統(tǒng)開口系功量：W-W熱量：Q-QWQWQ強(qiáng)度量與廣延量速度動能高度

位能

熱力學(xué)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）思考題5有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？不對。關(guān)鍵看是否引起外界變化?？赡孢^程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復(fù)到初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程＝準(zhǔn)靜態(tài)過程＋無耗散可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準(zhǔn)靜態(tài)過程很少用。判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（1）以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱外部溫差傳熱準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無耗散內(nèi)可逆外不可逆判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（2）蒸汽流經(jīng)減壓閥進(jìn)入汽輪機(jī)典型