《熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)》課件1第一章 熱力學(xué)基本概念

2023/10/8第一篇工程熱力學(xué)2023/10/8

工程熱力學(xué)是從工程應(yīng)用的角度研究熱能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。

工程熱力學(xué)是各種動(dòng)力裝置、制冷裝置、熱泵空調(diào)機(jī)組、鍋爐及各種熱交換器進(jìn)行分析和計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

本篇主要講述：熱力學(xué)的基本概念及基本定律（熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律）；理想氣體的熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程；參與能量轉(zhuǎn)換與傳遞的工作介質(zhì)（水蒸氣、混合氣體、濕空氣等）的熱力性質(zhì)；蒸汽動(dòng)力循環(huán)；氣體和蒸汽的流動(dòng)等工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。

2023/10/8第一章

熱力學(xué)基本概念2023/10/8學(xué)習(xí)導(dǎo)引

本章介紹了許多重要的概念，對(duì)于后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)非常重要。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)注意把相關(guān)的概念串接起來(lái)，既對(duì)單個(gè)概念的物理意義有較深刻的理解，又能從整體上將這些概念有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)。

2023/10/8學(xué)習(xí)要求

理解工質(zhì)、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。理解熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的定義；掌握狀態(tài)參數(shù)的特征、分類，基本狀態(tài)參數(shù)的物理意義和單位；掌握絕對(duì)壓力、表壓力和真空度的關(guān)系。掌握平衡狀態(tài)的物理意義及實(shí)現(xiàn)條件。了解狀態(tài)方程式及參數(shù)坐標(biāo)圖的物理意義及作用。理解熱力過(guò)程、準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程的物理意義與聯(lián)系，能正確判定準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程。2023/10/8本章難點(diǎn)

本章的許多概念比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)將抽象的概念與具體的物理量或圖形聯(lián)系起來(lái)。在工程熱力學(xué)中普遍采用抽象和簡(jiǎn)化的方法，為此，應(yīng)對(duì)研究方法的實(shí)用性和科學(xué)依據(jù)有比較深刻的理解。2023/10/8

第一節(jié)工質(zhì)和熱力系一、工質(zhì)

1.什么是工質(zhì)?

——實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互傳遞與轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。

2.工質(zhì)特性:可壓縮、易膨脹、易流動(dòng)

3.常用工質(zhì):

熱機(jī)循環(huán)中:水蒸氣、空氣、燃?xì)?、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)中:氨、氟里昂2023/10/8蒸汽動(dòng)力循環(huán)示意圖鍋爐汽輪機(jī)凝汽器水泵冷卻水過(guò)熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)給水泵

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器過(guò)熱器

2023/10/8二、熱力系、邊界與外界

1.熱力系

——在工程熱力學(xué)中，通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對(duì)象，并將之人為劃分出來(lái),稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱熱力系或系統(tǒng)?？蔀檎鎸?shí)的物質(zhì)、設(shè)備或假想的熱力學(xué)模型如:泵中的水、汽輪機(jī)、卡諾熱機(jī)

2023/10/8如:對(duì)小球進(jìn)行受力分析2023/10/8熱力系高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩村仩t汽輪機(jī)凝汽器水泵冷卻水過(guò)熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)2023/10/8熱力系高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩唇o水泵

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器過(guò)熱器

2023/10/82.外界

——與熱力系相互作用的周圍物體。3.邊界

——熱力系與外界之間的分界面?？蓪?shí)際存在,亦可假想;可固定不動(dòng),亦可移動(dòng)或變形。2023/10/8三、熱力系的分類（1）封閉熱力系

與外界有能量傳遞,無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量恒定不變。

邊界活塞氣缸2023/10/8（2）開口熱力系

與外界有能量、物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持變。（3）絕熱熱力系

與外界沒(méi)有熱量交換的系統(tǒng)。汽輪機(jī)邊界葉輪11進(jìn)口22出口2023/10/8（4）孤立熱力系

與外界既無(wú)能量（功、熱量）交換又無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。2023/10/8特殊熱力系如:熱源

本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時(shí)自身溫度及其它熱力學(xué)參數(shù)沒(méi)有明顯變化的物體。提供熱量的熱源稱為高溫?zé)嵩矗晃諢崃康臒嵩捶Q為低溫?zé)嵩?。高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩?023/10/8

第二節(jié)

工質(zhì)的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

工質(zhì)在進(jìn)行熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,其狀態(tài)不斷發(fā)生變化．低溫液態(tài)過(guò)熱蒸汽

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器2023/10/8一、熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)１．熱力狀態(tài)

——工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。

２．狀態(tài)參數(shù)

——描述工質(zhì)熱力狀態(tài)的宏觀的物理量。

狀態(tài)參數(shù)特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量只與初、終態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)歷的路徑無(wú)關(guān)。經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，狀態(tài)參數(shù)的變化量必為零。狀態(tài)參數(shù)與狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。

2023/10/8常用狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)

溫度（T）、壓力（p）、比體積（v）導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S）

可直接或間接測(cè)量2023/10/8二、基本狀態(tài)參數(shù)１．溫度

——用來(lái)標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。

溫度是熱平衡的判據(jù)。

溫度的測(cè)量:溫度計(jì)溫度的數(shù)值表示:溫標(biāo)溫標(biāo)溫度及符號(hào)單位關(guān)系

攝氏溫標(biāo)攝氏溫度t℃

T

t+273.15

或

T

t+273熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫度TK1K=1℃溫度相等熱平衡

2023/10/8

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)溫度為0℃

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

瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。

選擇水銀的體積作為溫度測(cè)量的物性，認(rèn)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(duì)應(yīng)1℃。

攝氏溫標(biāo)2023/10/8

用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度。

英國(guó)物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱絕對(duì)溫標(biāo)。

熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。

熱力學(xué)溫標(biāo)基本狀態(tài)參數(shù)2023/10/8溫差:1K=1℃

T

=t+273.15

或T=t+273熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系2023/10/8基本狀態(tài)參數(shù)2.壓力

——指單位面積上承受的垂直作用力(即壓強(qiáng)).壓力的實(shí)質(zhì):大量分子向容器壁面撞擊的平均結(jié)果.壓力的符號(hào):

p

壓力的單位:

Pa

（帕），1Pa=1N/m2

1MPa=103

kPa=106

Pa2023/10/8工程上常用非SI壓力單位

1bar（巴）=105Pa

1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）

=1.01325

105Pa

1at（工程大氣壓）

=9.80665

104Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.80665Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.322Pa壓力2023/10/8壓力壓力的測(cè)量:測(cè)壓計(jì)2023/10/8壓力三種壓力

絕對(duì)壓力p

表壓力

pg

p

pg+pb(pb:當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?

真空度pv

p

pb

pv

只有絕對(duì)壓力才是狀態(tài)參數(shù)2023/10/8p、pg、pv與pb間的關(guān)系壓力ppgpbppvp=0pb2023/10/8

例1-1某蒸汽鍋爐壓力表讀數(shù)為12.5MPa，凝汽器的真空表讀數(shù)為95KPa。若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，試求鍋爐及凝汽器的絕對(duì)壓力為多少。

解：由題意知，大氣壓力為pb1.01325105Pa。鍋爐中蒸汽的絕對(duì)壓力為

p

pg+pb12.5106+1.0132510512.601325106（Pa）

12.601325（MPa）凝汽器內(nèi)蒸汽的絕對(duì)壓力為

p

pb

pv1.01325105951036.325103（Pa）

6.325（KPa）

2023/10/8

若題中沒(méi)有給出當(dāng)?shù)卮髿鈮海瑒t對(duì)高壓容器取pb

0.1MPa，此時(shí)鍋爐內(nèi)的蒸汽絕對(duì)壓力為

p

pg+pb

12.5+0.1

12.6（MPa）

計(jì)算誤差很小，可以忽略。但對(duì)凝汽器內(nèi)的蒸汽，

其絕對(duì)壓力為

p

pb

pv

0.1

106

95

103

5

103（Pa）

5（KPa）

由此引起的相對(duì)誤差

20.9％

可見，對(duì)于低壓或負(fù)壓空間，近似取值會(huì)引起很大的誤差，計(jì)算應(yīng)用時(shí)必須采用真實(shí)大氣壓力。2023/10/8基本狀態(tài)參數(shù)3.比體積

——指單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積,用符號(hào)

v

表示，單位為

m3/kg。

比體積與密度

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第三節(jié)平衡狀態(tài)和熱力過(guò)程

一、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式及狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

1.平衡狀態(tài)

——指在沒(méi)有外界作用（重力場(chǎng)除外）的情況下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài);否則為非平衡狀態(tài)。條件：力平衡、熱平衡用狀態(tài)參數(shù)描述熱力系狀態(tài)特性，只有在平衡狀態(tài)下才有可能。平衡狀態(tài)為理想狀態(tài)。

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一個(gè)熱力系，當(dāng)其內(nèi)部無(wú)不平衡的力，且作用在邊界上的力和外力平衡，則該熱力系處于力平衡；當(dāng)熱力系內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻一致且等于外界溫度時(shí)，則該熱力系處于熱平衡。熱力系要達(dá)到平衡狀態(tài)，必須滿足力平衡和熱平衡這兩個(gè)條件。如熱力系內(nèi)還存在化學(xué)反應(yīng)，則尚應(yīng)包括化學(xué)平衡?？梢姡幱谄胶鉅顟B(tài)的熱力系其內(nèi)部各處都是相同的狀態(tài)，并且不會(huì)發(fā)生變化，因而可用確定的狀態(tài)參數(shù)加以描述。

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2.狀態(tài)方程式

——表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。描述熱力狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)往往互有聯(lián)系，可用狀態(tài)方程式來(lái)表示。

對(duì)于氣態(tài)工質(zhì)組成的簡(jiǎn)單熱力系，只需兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)就可確定其平衡狀態(tài)。P

f1（v，T）V

f2（p，T）T

f3（p，v）

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3.狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

由任意兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成的平面坐標(biāo)圖

。在以兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點(diǎn)都代表一個(gè)平衡狀態(tài)。如:p-v圖21V1V2P2P10PV2023/10/8二、熱力過(guò)程

——熱力系從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。過(guò)程與狀態(tài)一切實(shí)際熱力