大學熱工化工課件(2)第一章大

工程熱力學廣東工業(yè)大學機電工程學院汽車工程系1緒論工程熱力學是技術基礎課工程熱力學是有關能量的科學23氫、酒精等二次能源

燃料電池

電能

機械能

輻射能熱能風能、水能、海洋能

機械

機械能直接利用發(fā)電機

煤、石油、天然氣

熱能熱機直接利用核能核反應

太陽能光合作用生物質能燃燒食物利用集熱器光電池90％燃燒456目前通過熱能形式利用的能源在我國占總能源利用的90％以上，世界其它各國平均也超過85％。由此可見，在能量轉換與利用過程中，熱能不僅是最常見的形式，而且具有特殊重要的作用。主要研究內容：熱能和機械能之間相互轉換的規(guī)律及提高能量轉換經濟性的途徑和技術措施。78高溫熱源吸熱Q1熱機作功W機械能放熱Q2低溫熱源鍋爐汽輪機冷凝器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機9第一章基本概念1-1

熱機、工質、熱源與熱力系統熱機：

能將熱能轉換為機械能的機器。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機和噴氣發(fā)動機等。

1011工質：

實現熱能和機械能之間轉換的媒介物質。

熱源：

本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數沒有明顯變化的物體。

例如空氣、燃氣、水蒸氣等。

例如鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。

提供熱量的熱源稱為高溫熱源；吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。12熱力系統：

在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，稱之為熱力系統，簡稱系統。系統以外的物體稱為外界或環(huán)境。系統與外界之間的分界面稱為邊界。

邊界閉口系統（1）閉口系統

與外界無物質交換的系統。系統的質量始終保持恒定，也稱為控制質量系統。

外界13（2）開口系統

與外界有物質交換的系統。系統的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統。

進口出口（3）絕熱系統

與外界沒有熱量交換的系統。（4）孤立系統

與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質交換的系統。141-2

平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數1.平衡狀態(tài)（1）狀態(tài)（熱力狀態(tài)）

系統在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為系統的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

（2）平衡狀態(tài)

系統內部各處的宏觀性質均勻一致、不隨時間而變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

系統內部不存在熱量傳遞，即各處的溫度均勻一致的狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。15（4）非平衡狀態(tài)

系統內部存在不平衡勢（溫差或壓差），因此存在能量或質量傳遞的宏觀物理狀況。非平衡狀態(tài)不能用狀態(tài)參數來描寫。

狀態(tài)參數的特點：（3）狀態(tài)參數

用于描述系統平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數，如溫度、壓力、比體積等。

狀態(tài)確定，狀態(tài)參數的數值也確定，反之亦然;點函數，只取決于初始與最終狀態(tài)。162.基本狀態(tài)參數

工程熱力學中常用的狀態(tài)參數有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態(tài)參數。

（1）壓力單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）單位:Pa

（帕），1Pa=1N/m2

，

1MPa=103

kPa=106

Pa

17常用非SI壓力單位：

1bar（巴）=105

Pa

1atm（標準大氣壓）

=1.013105

Pa

1at

（工程大氣壓）

=0.981105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg

（毫米汞柱）

=133.3Pa

18壓力測量：絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv

只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數。19（2）溫度

溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內部微觀粒子熱運動的強弱。

當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據。1）溫度的物理意義溫度相等熱平衡202）熱力學第零定律：

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據。ABC3）溫標：溫度的數值表示法。

建立溫標的三個要素：

a.選擇溫度的固定點，規(guī)定其數值；b.確定溫度標尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據。21攝氏溫標:

在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0℃

，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01℃

。

瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0～100℃溫度下的體積差均分成100份，每份對應1℃。

22

用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T

表示，單位為K（開）。熱力學溫標（絕對溫標）:

英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。

熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。

熱力學溫標與攝氏溫標的關系：溫差:1K=1℃t=T

–273.15K23

國際單位制（SI）采用熱力學溫度T作為基本狀態(tài)參數。4)

溫度的測量a.

接觸式水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.

非接觸式光學輻射高溫計激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法24（3）比體積定義：單位質量的工質所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg

。密度：單位體積工質的質量，用符號表示，單位為kg/m3

。

比體積和密度二者相關，通常以比體積作為狀態(tài)參數。251-3

狀態(tài)方程與狀態(tài)參數坐標圖（1）狀態(tài)公理

對于和外界只有熱量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）的簡單可壓縮系統，只需兩個獨立的參數（如p、v，p、T

或v、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。

（2）狀態(tài)方程式

表示狀態(tài)參數之間關系的方程式稱為狀態(tài)方程式。如：26（3）狀態(tài)參數坐標圖

在以兩個獨立狀態(tài)參數為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)。

以獨立狀態(tài)參數為坐標的坐標圖。271-4

準平衡過程和可逆過程

（1）熱力過程

系統由一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的變化過程。

28（2）準平衡過程（準靜態(tài)過程）

所經歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。

在狀態(tài)參數坐標圖上，準平衡過程可以近似地用連續(xù)的實線表示。

在系統內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行較慢、弛豫時間非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作準平衡過程。pv1229（3）可逆過程

如果系統完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復到原來的狀態(tài)，并且不給外界留下任何變化，這樣的過程為可逆過程。

實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。

可逆過程是一個理想過程。可逆過程的條件：準平衡過程＋無耗散效應。301-5

功量與熱量

1.

功量與示功圖

(1)

膨脹功

工質在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。

符號：W

單位：J

或kJ

對于微元可逆過程，對于可逆過程1～2：31

單位質量工質所作的膨脹功用符號w

表示，單位為J/kg

或kJ/kg。(2)

示功圖（p-v圖）

功是過程量而不是狀態(tài)量。膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv<

0,w<0

w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示。322.

熱量與示熱圖

（1）熱量

系統與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號為Q

，單位為J

或kJ。

單位質量工質所傳遞的熱量用q

表示，單位為J/kg

或kJ/kg。

熱量正負的規(guī)定：系統吸熱：q>0;系統放熱：q<0

。

熱量和功量都是系統與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量

33

在可逆過程中，系統與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。

功量：熱量：

s

稱為比熵。比熵同比體積v

一樣是工質的狀態(tài)參數。

比熵的定義式：

（可逆過程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。