《發(fā)電廠熱力設(shè)備及系統(tǒng)》第一章 熱力學(xué)基本概念

一、熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）、外界和邊界１、定義：?

系統(tǒng)：人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)

?

外界：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。?邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。第一章熱力學(xué)基本概念與基本定律第一節(jié)熱能轉(zhuǎn)換的基本概念2２、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)3?汽缸-活塞裝置（閉口系例）２、系統(tǒng)及邊界示例?移動(dòng)和虛構(gòu)邊界２、系統(tǒng)及邊界示例1）系統(tǒng)與外界的人為性2）邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的注意：

閉口系

（控制質(zhì)量CM）

—沒有質(zhì)量越過邊界

開口系

（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質(zhì)量交換３、

系統(tǒng)分類：按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；

2）開口系與絕熱系的關(guān)系；

3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：簡單可壓縮系

—由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。絕熱系—

與外界無熱量交換;

孤立系—

與外界無任何形式的質(zhì)能交換。按能量交換３、

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

熱力學(xué)狀態(tài)

—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合

狀態(tài)參數(shù)

—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

(1)．狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如二、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)１、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類(2)．狀態(tài)的單值函數(shù)。物理上—與過程無關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分。(3)．狀態(tài)參數(shù)分類

廣延量（extensiveproperty）

強(qiáng)度量（intensiveproperty

）

又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性，如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。２、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件

系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀態(tài)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)相等簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：

兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等1．定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)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(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡：在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件

—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)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2）平衡與穩(wěn)定—平衡可不均勻—穩(wěn)定未必平衡四、純物質(zhì)的狀態(tài)方程

狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程

Rg—?dú)怏w常數(shù)R—通用氣體常數(shù)

摩爾質(zhì)量狀態(tài)方程——對(duì)簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，參數(shù)服從一定的關(guān)系；五、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

一簡單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO１、準(zhǔn)靜態(tài)過程(準(zhǔn)平衡過程）

定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。進(jìn)行條件：

破壞平衡的勢—

過程進(jìn)行無限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無窮小六、工質(zhì)的狀態(tài)變化過程２、可逆過程定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過程?？赡孢^程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系非準(zhǔn)平衡(高溫傳熱至低溫)不可逆準(zhǔn)平衡可逆非準(zhǔn)靜態(tài)過程

準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆３、作功過程pFfpb1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒有耗散效應(yīng)

2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果

3.一切實(shí)際過程都不可逆

4.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示討論：１、功的定義和可逆過程的功

功的力學(xué)定義

沿力的方向的位移與力的乘積

功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。可逆過程功的計(jì)算▲功是過程量▲功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示七、功和熱量

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”功和功率的單位：附：功的符號(hào)約定：討論有用功概念其中:

W—膨脹功

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf２、熱量定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”單位：

計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-s圖上）表示３、熱量與功的異同：

（1）.均為通過邊界傳遞的能量；

（3）.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；功（2）.均為過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。八、熱力循環(huán)１、定義：

封閉的熱力過程特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值，即２、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)３、動(dòng)力循環(huán)（正向循環(huán)）輸出凈功；在p－v圖及T－s圖上順時(shí)針進(jìn)行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐簡單蒸汽動(dòng)力循環(huán)過程圖鍋爐(熱源):燃料燃燒產(chǎn)生熱量,將水變成蒸汽(吸熱過程)汽輪機(jī):將蒸汽攜帶的熱能→動(dòng)能→轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械能(對(duì)外作功過程)冷凝器(冷源):將作功后的低溫低壓蒸汽凝結(jié)成水(對(duì)外放熱過程)水泵:提高水的壓力,將水送入鍋爐(消耗外功)３、動(dòng)力循環(huán)（正向循環(huán)）４、逆向循環(huán)

▲制冷循環(huán)

▲熱泵循環(huán)

一般地講：輸入凈功；在狀態(tài)參數(shù)圖逆時(shí)針運(yùn)行；吸熱小于放熱。蒸發(fā)器壓氣機(jī)冷凝器節(jié)流閥蒸汽壓縮式制冷示意圖吸收低溫處的熱量向外界環(huán)境散失熱量M４、逆向循環(huán)

動(dòng)力循環(huán)：熱效率逆向循環(huán)：制冷系數(shù)供暖系數(shù)九、循環(huán)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：第二節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律可表述為：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變成熱；一定量的熱消失時(shí)，必然伴隨產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)，必然出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)量的熱。

第一類永動(dòng)機(jī)（可以不消耗能量而連續(xù)作功）是造不成的。二、熱力學(xué)能熱力學(xué)能是工質(zhì)微觀粒子所具有的能量。對(duì)于不包括化學(xué)反應(yīng)和核變化的簡單可壓縮系統(tǒng)，熱力學(xué)能僅包括分子的內(nèi)動(dòng)能和分子的內(nèi)位能。

U=U(T,V)

單位質(zhì)量工質(zhì)的熱力學(xué)能稱為比熱力學(xué)能

三、熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

加入系統(tǒng)的能量總和－熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲(chǔ)存能的增量EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dE或EE+dE定義dU=

Q-

W

內(nèi)能U

狀態(tài)函數(shù)

Q=dU+WQ=U+W閉口系熱一律表達(dá)式兩種特例：

絕功系

Q=dU

絕熱系

W=-dU四、閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式閉口系基本能量方程式

閉口系：

忽略宏觀動(dòng)能Uk和位能Up，第一定律第一解析式—功的基本表達(dá)式熱討論：

對(duì)于可逆過程39門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱40以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程T空調(diào)QAir-conditioner門窗緊閉房間用空調(diào)降溫41自由膨脹一剛性絕熱容器，抽去隔板，求△U解：?。ˋ+B）為熱力系

—閉口系？開口系？?強(qiáng)調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量！Q=△U+WQ=0W=0△U=0即U1=U242

如圖所示，閉口系內(nèi)的一定量氣體由狀態(tài)1經(jīng)1a2變化至狀態(tài)2，吸熱70kJ，同時(shí)對(duì)外做功25kJ，試問：（1）工質(zhì)若由1經(jīng)1b2變化到2時(shí)，吸熱為90kJ，則對(duì)外做功是多少？（2）若外界對(duì)氣體做功30kJ，迫使它從狀態(tài)2經(jīng)2c1返回到狀態(tài)1，則此返回過程是吸熱過程還是放熱過程？其值為多少？例題：43例題：解（1）熱力系經(jīng)歷1a2過程后，吸熱Q=70kJ，對(duì)外做功W=25kJ，因熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，其變化量只與工質(zhì)的初、終態(tài)有關(guān)。所以已知熱力系經(jīng)歷1b2過程后，吸熱Q=90kJ，則44（2）熱力系由2變化到1，其熱力學(xué)能的變化量外界對(duì)氣體做功熱量為負(fù)值，表示該過程為放熱過程。例題：五、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)特征：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(shí)間變化。2）ΔECV=0，ΔSCV=0，ΔmCV=0?···

穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)定義：系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)系統(tǒng)。穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程;

：軸功若流入、流出系統(tǒng)的工質(zhì)為單位質(zhì)量，則有：焓：H=U+PV

比焓:h＝u+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(zhì)所攜帶的取決于熱力學(xué)狀態(tài)的總能量。六、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用1.葉輪式機(jī)械(1)蒸汽輪機(jī)

流進(jìn)系統(tǒng)：

流出系統(tǒng)：內(nèi)部儲(chǔ)能增量：0(2)壓氣機(jī)，水泵類流入流出內(nèi)部貯能增量0(2)壓氣機(jī)，水泵類2.換熱器（鍋爐、加熱器等）

流入：流出：內(nèi)增：0若忽略動(dòng)能差、位能差３、節(jié)流與外界交換熱量忽略不計(jì)q=0，忽略動(dòng)能差、位能差，與外界無功量交換：第三節(jié)

熱力學(xué)第二定律一、熱力過程的方向性

經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)化功轉(zhuǎn)換成熱的試驗(yàn)。如圖，重物下降，攪動(dòng)容器中的流體使流體溫度升高，但不能讓流體自動(dòng)冷卻而產(chǎn)生動(dòng)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

１、熱—功轉(zhuǎn)換的方向性

熱功轉(zhuǎn)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真空3、

自由膨脹與壓縮過程的方向性４、混合與分離過程的方向性上述諸現(xiàn)象說明自然過程具有方向性，即只能自發(fā)地向一個(gè)方向進(jìn)行，如果要逆向進(jìn)行，就必須付出代價(jià)，或者說具備一定的補(bǔ)充條件，即自然過程是不可逆的。自然過程的方向性

由于人們分析問題的出發(fā)點(diǎn)不同，所以“熱力學(xué)第二定律”有各種各樣的說法，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(gè)共同本質(zhì)，即自然界的一切自發(fā)過程有方向性。

二、熱力學(xué)第二定律的表述1、克勞修斯說法（1850）：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。2、開爾文說法（1851）：不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Γ灰鹌渌兓?第二類永動(dòng)機(jī)是不可以實(shí)現(xiàn)的)

“克氏”是從傳熱的角度出發(fā)，“開氏”是從功熱轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)。二、熱力學(xué)第二定律的表述１、卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是1824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的可逆熱機(jī)的可逆循環(huán)，它是由四個(gè)可逆過程組成：一個(gè)可逆熱機(jī)在二個(gè)恒溫?zé)嵩撮g工作。三、卡諾循環(huán)和卡諾定理d－a可逆絕熱壓縮a－b

T1下的可逆等溫吸熱Q1

b－c可逆絕熱膨脹

c－d

T2下的可逆等溫放熱Q2循環(huán)熱效率：重要結(jié)論：（1）效率只取決于、，提高和降低都可以提高熱效率；（2）循環(huán)效率小于1：（3）當(dāng)=時(shí)，=0，所以借助單一熱源連續(xù)做功的機(jī)器是制造不出來的。實(shí)際循環(huán)不可能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)原因：a）一切實(shí)際過程不可逆；b）氣體實(shí)施等溫吸熱，等溫放熱困難；c）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦，輸出凈功極微。２、卡諾定理定理一：

在相同溫度的高溫?zé)嵩?T1)和相同溫度的低溫?zé)嵩?