華北電力工程熱力學課件第1章 基本概念

第1章基本概念21-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)31-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)4什么是工質(zhì)？定義：實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)制冷工程中又稱為制冷劑對工質(zhì)的要求:1）膨脹性2）流動性3）熱容量4）穩(wěn)定性，安全性5）對環(huán)境友善6）價廉，易大量獲取物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜作為工質(zhì)5工質(zhì)的舉例火力發(fā)電、核電等水蒸氣太陽能、地熱發(fā)電、制冷設備等低沸點物質(zhì)：氨、氟里昂內(nèi)燃機、燃氣輪機燃氣和空氣6什么是熱力系統(tǒng)？被人為地分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面7系統(tǒng)、外界和邊界8邊界特性

固定、活動 真實、虛構91-鍋爐；2-汽輪機；3-凝汽器；4-水泵a）以鍋爐為熱力系統(tǒng)；b）以汽輪機為熱力系統(tǒng)；c）以整個蒸汽動力裝置為熱力系統(tǒng)劃分熱力系統(tǒng)舉例10熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關系劃分：

有無有無質(zhì)量傳遞 開口系 閉口系有無熱量傳遞 非絕熱系 絕熱系有無能量、物質(zhì)傳遞 非孤立系 孤立系11熱力系統(tǒng)其他分類

熱力系統(tǒng)

物理化學性質(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12關于熱力系統(tǒng)重點掌握開口系、閉口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界，看是否有質(zhì)量交換、熱量傳遞、功的傳遞及其他形式能量傳遞。13熱力系統(tǒng)分析1234mQW1

開口系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系14簡單可壓縮系統(tǒng)工程熱力學中最常見、最重要的熱力系統(tǒng)因為熱能動力裝置常用工質(zhì)都是可壓縮流體（水蒸氣、空氣、燃氣等）系統(tǒng)與外界只交換熱量和一種準靜態(tài)的體積變化功（膨脹功和壓縮功）體積變化功只與工質(zhì)的壓力和體積的變化量有關工程熱力學中討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系統(tǒng)151-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)16定義狀態(tài)：某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量工程熱力學中常用狀態(tài)參數(shù)？基本狀態(tài)參數(shù)：溫度T、壓力p、體積V、熱力學能U、焓H、熵S涉及化學反應：化學勢μ、自由能F、自由焓G17狀態(tài)參數(shù)的特征狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分18狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關，如溫度、壓力12ab19狀態(tài)參數(shù)的微分特征設dz

是全微分20基本狀態(tài)參數(shù)：溫度熱力學定義：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為溫度熱平衡：熱力系相互接觸時，相互間無宏觀熱量傳遞，稱它們處于熱平衡狀態(tài)宏觀：表示物體的冷熱程度微觀：標志物質(zhì)分子熱運動的激烈程度，是衡量分子平均動能的量度21熱力學第零定律如果兩個系統(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。1930年由福勒（R.H.Fowler）正式提出溫度測量的理論基礎22溫度單位開氏（絕對）溫標：T(K)攝氏溫標：t(℃)華氏溫標：t(F)溫標換算關系23開氏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)燒水沸點常用溫標24基本狀態(tài)參數(shù)：壓力單位面積上承受的垂直作用力物理中壓強，單位Pa，N/m2常用單位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105

Pa（標準大氣壓）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa（工程大氣壓）25絕對壓力與相對壓力絕對壓力p真實壓力相對壓力絕對壓力p與環(huán)境壓力pb之差是否高于環(huán)境壓力：表壓力pe、真空度pv注意：只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)26p>pb表壓力

pep<pb真空度

pvpbpepvp相對壓力：表壓力與真空度p27U形管壓力計原理28環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境的壓力大氣壓力指當?shù)卮髿獾膲毫Νh(huán)境壓力一般為大氣壓，但不絕對大氣壓隨時間、地點變化在計算時絕對壓力時要看清楚環(huán)境壓力是否為大氣壓力29溫度和壓力都是強度量壓力的變化速度快，以音速傳播溫度的變化慢，隨著熱量的傳遞而改變壓力的改變具有即時性溫度的改變具有滯后性30基本狀態(tài)參數(shù)：比體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積，v（m3/kg）表征工質(zhì)聚集的疏密程度物理中常用的是密度，ρ（kg/m3）在熱力學中使用比體積更方便311-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)32平衡狀態(tài)定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)引起不平衡的因素：溫差—

存在熱不平衡壓差—

存在力不平衡相變—

存在相不平衡化學反應—

存在化學不平衡平衡的本質(zhì)：不存在任何不平衡作用達到熱平衡、力平衡、相平衡、化學平衡33平衡狀態(tài)特點有確定的狀態(tài)參數(shù)，能夠在坐標圖上用一點表示（如T、p、v等）非平衡狀態(tài)能夠自發(fā)地趨于平衡狀態(tài)（熱二律，熵增原理使之趨于平衡狀態(tài)）舉例：鐵塊、氣體混合平衡狀態(tài)是靜態(tài)，沒有能量交換，那么如何描述非平衡狀態(tài)？平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換34平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化（銅棒）穩(wěn)定但存在不平衡勢差，若去掉外界影響，則狀態(tài)變化（去掉熱源、冷源）平衡一定穩(wěn)定，穩(wěn)定不一定平衡35平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，但單相平衡態(tài)一定是均勻的36狀態(tài)方程平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公設：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)數(shù)目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)？獨立狀態(tài)參數(shù)數(shù)目N=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n:體積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等37簡單可壓縮系狀態(tài)方程簡單可壓縮系（僅體積變化功）：N=1+1=2對于絕熱簡單可壓縮系：N=？狀態(tài)方程：描述基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關系的方程，具體形式取決于工質(zhì)的形式，如理想氣體、實際氣體38狀態(tài)參數(shù)坐標圖簡單可壓縮系N=2，是平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）非平衡態(tài)無法在圖上用實線表示21391-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)40如何描述非平衡過程平衡狀態(tài)能量交換狀態(tài)變化破壞平衡非平衡狀態(tài)如何描述平衡、靜態(tài)與過程是矛盾的，熱力學引入準平衡（準靜態(tài)）過程的概念系統(tǒng)經(jīng)歷的一系列中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的熱力過程稱為準平衡過程41一般過程p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T0突然加上重物最終p2

=p0+重物T2

=T0pv2.1.p2，T242準平衡過程假如重物有無限多層每次只加上無限薄一層pv2.1.系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T043準平衡過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準平衡過程應無限緩慢，工程上怎樣處理？44準平衡過程的工程條件例：活塞式內(nèi)燃機轉(zhuǎn)數(shù)為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壓力波恢復平衡速度（聲速）340m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準平衡過程45

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何改變，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)的過程可逆過程46準平衡過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，磁阻，非彈性變性等）

不平衡勢差

不可逆根源耗散效應

耗散效應可逆過程的實現(xiàn)47不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程（閥門）p1p2p1>p2典型的不可逆過程48混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????典型的不可逆過程49關于可逆過程可逆過程必然是準平衡過程，同時過程中不存在任何耗散效應可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上的連續(xù)實線表示實際過程都是不可逆的，可逆過程是不引起任何熱力學損失的理想過程。對于實際過程應盡量減少不可逆因素，使其盡可能接近可逆過程可逆過程完全理想化，對于工程熱力學的研究范圍內(nèi)用可逆過程的概念，而準平衡過程很少用除典型不可逆(如節(jié)流、自由膨脹等)外，本書所有熱力過程都可看成可逆過程501-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)51功的定義力學定義:力乘以在力方向上的位移熱力學定義：功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物功是系統(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。功的單位：J、kJ；功率的單位：W、kW規(guī)定系統(tǒng)對外界作功取為正，外界對系統(tǒng)作功取為負52功的一般表達式熱力學最常見的功體積變化功

其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等功的表達式53m

kg工質(zhì)：1

kg工質(zhì)：可逆過程的體積變化功p外dxpA54示功圖（p-v圖）pV.12.WdVW21pp外Am

kg工質(zhì)：1

kg工質(zhì)：55可逆過程體積變化功的說明可在p-V圖（示功圖）上用面積表示功是過程量，功的大小與路徑有關體積變化功包括膨脹功和壓縮功dV>0膨脹對外作功（正）

dV<0壓縮外內(nèi)作功（負）適用于可逆過程下的任何工質(zhì)（理想氣體、水蒸氣等）工程熱力學中的功多指體積變化功56熱量定義：熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。國際單位：J，kJ，和功的單位相同非法定單位：cal，kcal熱功當量：1cal=4.1868J規(guī)定系統(tǒng)吸熱取為正，系統(tǒng)放熱取為負57熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的形式表示？引入“熵”W=pdV58體積變化功與熱量能量傳遞方式

體積變化功

熱量性質(zhì)

過程量

過程量推動力

壓力p

溫度T標志

dV，dvdS，ds公式條件

準平衡或可逆可逆59熵的定義reversible熵的簡單引入比熵[J/kg·K]ds：可逆過程qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量[J/K]60熵的說明熵是狀態(tài)參數(shù)符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負Q<0dS<0熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小與方向用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量61示熱圖（T-s圖）621-5功和熱量第1章基本概念1-1工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過程1-6熱力循環(huán)63熱力循環(huán)定義：工質(zhì)從某一初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間過程又回到初始狀態(tài)，稱工質(zhì)經(jīng)歷了一個熱力循環(huán)要實現(xiàn)工質(zhì)的連續(xù)作功，必須構成熱力循環(huán)特點：狀態(tài)參數(shù)坐標圖上為一閉合曲線