1完整版本.2工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識

第一章制冷與空調(diào)技術(shù)理論基礎(chǔ)第二部分工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識一、熱力學(xué)的基本概念（一）、熱力系統(tǒng)與工質(zhì)1.熱力系統(tǒng)在熱力學(xué)研究中，研究者所指定的具體研究對象稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。和系統(tǒng)發(fā)生相互作用(能量交換或質(zhì)量交換)的周圍環(huán)境稱為外界，或稱為環(huán)境。系統(tǒng)與環(huán)境的分界面稱為邊界。閉口系：與外界沒有質(zhì)量交換的系統(tǒng)，稱為閉口系統(tǒng)。開口系：與外界有質(zhì)量交換的系統(tǒng)，稱為開口系統(tǒng)。絕熱系：與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)，稱為絕熱系統(tǒng)。完全絕熱的系統(tǒng)實際上是不存在的，工程上將與外界換熱量相對很小的系統(tǒng)近似為絕熱系統(tǒng)。

2.工質(zhì)在制冷與空調(diào)工程及其他熱力設(shè)備中，熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換或熱能的轉(zhuǎn)移，都要借助于某種攜帶熱能的工作物質(zhì)的狀態(tài)變化來實現(xiàn)，這類工作物質(zhì)稱為工質(zhì)。制冷系統(tǒng)中使用的工質(zhì)稱為制冷劑，也叫冷媒（二）系統(tǒng)的熱力狀態(tài)及其基本參數(shù)1.熱力狀態(tài)某時刻，系統(tǒng)中工質(zhì)表現(xiàn)在熱力現(xiàn)象方面的總的狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的取值完全由狀態(tài)確定。如果工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)可以在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定的數(shù)值，不隨時間變化而變化，則稱為熱力平衡態(tài)，簡稱平衡態(tài)。2.基本狀態(tài)參數(shù)如果系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了變化，那么將表現(xiàn)為狀態(tài)參數(shù)的變化，換而言之，我們可以通過觀測系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的變化來了解系統(tǒng)的變化。表示系統(tǒng)狀態(tài)變化的參數(shù)有六個，分別為:壓力、溫度、比體積（或密度）、內(nèi)能、焓、熵，其中溫度、壓力、比體積可以直接或者間接的用一起測出，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。（三）理想氣體狀態(tài)方程有關(guān)理想氣體的定義和性質(zhì)以及理想氣體狀態(tài)方程屬于高中物理內(nèi)容，不再贅述。（四）內(nèi)能、焓、和熵內(nèi)能：系統(tǒng)中工質(zhì)分子做熱運動動能和分子勢能的總和稱為系統(tǒng)內(nèi)能。用字母U表示，單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能用u表示。焓：這是一個組合狀態(tài)參數(shù)，在數(shù)值上等于工質(zhì)內(nèi)能加上壓力和體積的乘積，用字母H表示，單位質(zhì)量工質(zhì)的焓（也叫比焓）用字母h表示，焓和內(nèi)能的數(shù)學(xué)關(guān)系可以用公式：h=u+pv

和H=U+pV

表示。焓的量綱和內(nèi)能一樣，都是焦耳，說明焓也具有能量意義，實際上在焓比內(nèi)能更加全面的代表了工質(zhì)的能量。個人認(rèn)為：焓就是工質(zhì)所包含的和熱力學(xué)相關(guān)的能量的總和。上面圖示中的閉口絕熱系A(chǔ)中的黃色方塊是一團(tuán)氣體，它從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，很顯然，按照理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行分析，由于氣體膨脹對外做功，我們會得到u1<u2的結(jié)論，但是根據(jù)能量守恒定律，工質(zhì)與外界無能量交換，因此工質(zhì)的能量總和應(yīng)當(dāng)不變，再經(jīng)過進(jìn)一步分析，我們會得到u1+p1V1=u2+p2V2

即H1=H2的結(jié)論。絕熱系A(chǔ)絕熱系A(chǔ)真空真空熵：熵是熱工學(xué)中一個非常重要的參數(shù)，它本身是不存在的，而是科學(xué)家為了更方便的分析研究而人為導(dǎo)出的一個狀態(tài)參數(shù)。用來分析熱力學(xué)變化過程的趨勢。在可逆過程中熵是一個微分?jǐn)?shù)值：（五）熱力過程熱力過程：系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另外一個狀態(tài)的時候經(jīng)歷的所有的中間狀態(tài)的集合稱為熱力過程，簡稱過程。如果系統(tǒng)經(jīng)歷一系列過程最終又回到初始狀態(tài)，則說這些過程構(gòu)成一個熱力循環(huán)。準(zhǔn)靜態(tài)過程：在一個熱力過程中，初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都是平衡態(tài)，從初始狀態(tài)變化到最終狀態(tài)說明了原有平衡被打破，然后經(jīng)歷一些列變化最后形成了新的平衡。這個變化不會是一瞬間完成的，因此意味著在這兩個狀態(tài)之間，系統(tǒng)經(jīng)歷了一些列連續(xù)的，依次相差為無窮小的平衡狀態(tài)，這個過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。例如系統(tǒng)原來的狀態(tài)用參數(shù)表示為（A,B,C,D,E,F），最終狀態(tài)表示為（A’,B’,C’,D’,E’,F’），如果該過程是準(zhǔn)靜態(tài)過程，那么6個參數(shù)的變化全部是連續(xù)的，如果表示在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，有關(guān)6個參數(shù)的曲線全部應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的?？赡孢^程與不可逆過程系統(tǒng)經(jīng)歷一準(zhǔn)靜態(tài)過程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2后，若可以按原路線反向的從狀態(tài)2回復(fù)到狀態(tài)1，并且對外界沒有任何影響，這樣的過程稱為可逆過程AB有摩擦/無摩擦上圖中，小球以一定初速度勻速運動，若平板光滑，則不論從A到B還是從B到A都是可逆的，但是如果有摩擦的話，上述過程就不可逆了。實際上，生活中有很多可逆或者不可逆的例子，但是它們的含義和熱力學(xué)中的可逆和不可逆是不一樣的，如四季交替、生老病死、時間流逝、木已成舟等是完全的無法逆轉(zhuǎn)的過程，而凝水成冰、融冰成水，跟燒水成汽、凝汽成水，看似都是可逆的，但是本質(zhì)又有不同。工程熱力學(xué)中的可逆或不可逆，主要是看是否對于外界產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的影響。主要集中在兩個方面：1.做功有無摩擦，這是由于機(jī)械能通過摩擦變?yōu)闊崮艿倪^程無法逆轉(zhuǎn)。2.傳熱有無溫差，這是由于高溫物體和低溫物體雖然都包含熱能，但是品位不同，使得熱量只會自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。熱工中的不可逆過程并不是象木已成舟一樣完全無法逆轉(zhuǎn)，而是只，想要逆轉(zhuǎn)這種過程我們需要花費額外的代價，這個代價一般指的是能量，也就是說想要逆轉(zhuǎn)一個不可逆過程我們需要付出能量作為補(bǔ)償。熱工領(lǐng)域中的可逆過程必須滿足做功無摩擦、傳熱無溫差，而這在現(xiàn)今是不可能實現(xiàn)的，在分析的時候，如果摩擦和溫差傳熱造成的不可逆因素影響很小的話，我們也可以吧該過程當(dāng)作可逆過程進(jìn)行分析，這將大大簡化我們的分析和計算。（六）功和熱量（一）.熱工中涉及的功有兩種：1.容積功：工質(zhì)與外界間壓力差作用下，工質(zhì)體積發(fā)生變化時，工質(zhì)所做的功。包括工質(zhì)膨脹時對外做功（膨脹功），工質(zhì)被壓縮時外界對工質(zhì)做功（壓縮功）。用W表示定壓力時：W=p*ΔV變壓力時：W=∫pdv在常用的p-v圖上，容積功W等于過程變化曲線與v軸圍成的面積。2.流動功對于一個存在穩(wěn)定流動的系統(tǒng)，在某一管道出截取一段進(jìn)行分析，如圖中12界面之間的管道部分，左側(cè)流體想要流入，需要推開管內(nèi)已有流體做功，若界面處壓力為p1，流入流體體積為V1，則功為W1=p1*V1。而右側(cè)流出的流體則可認(rèn)為是被管內(nèi)的流體做功推出來的，若界面壓力為p2，流出體積為V2，則功為W2=p2*V2。這即是流動功，其中流入為正，流出為負(fù)，結(jié)合起來，對于管道12的凈流動功就是W=W1-W212（二）熱量1.工質(zhì)與外界之間通過熱傳遞交換的能量叫做熱量。顯熱：工質(zhì)吸收或者放出熱量，其溫度發(fā)生變化而集態(tài)不變，這時傳遞的熱量稱為顯熱。潛熱：工質(zhì)吸收或者放出熱量，其集態(tài)發(fā)生變化但是溫度不變，這時傳遞的熱量稱為潛熱。2.熱量計算方法用熵計算可逆過程的熱量Q=∫Tds

在T-s圖上，熱量等于變化過程曲線與橫坐標(biāo)軸圍出的面積。用比熱容計算顯熱潛熱計算制冷和空調(diào)領(lǐng)域一般用到的潛熱都是流體從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時吸收或放出的汽化潛熱。1kg工質(zhì)在不同溫度下的汽化潛熱可以查手冊得到。如通過查下表我們可以知道1kg制冷劑R22在零下50攝氏度時完全蒸發(fā)需要吸收的潛熱為:q=h〞-hˊ=383.921-144.956=238.965kJ（三）功率單位時間內(nèi)系統(tǒng)與外界通過做功交換的能量稱為功率用字母P表示。二、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用熱力學(xué)第一定律其實就是能量守恒定律在熱力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，由于熱力學(xué)領(lǐng)域總是把某一系統(tǒng)作為研究對象，所以強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)和外部環(huán)境的總的能量守恒。在對單一熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析的時候，系統(tǒng)本身能量變化ΔE、系統(tǒng)與外界的功交換ΔW、系統(tǒng)與外界的熱交換ΔQ、還有涉及物質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)帶來和帶出的能量Δe之間滿足下列關(guān)系：ΔE=ΔW+ΔQ+Δe

這個公式項比較多，分析較復(fù)雜，但是實際應(yīng)用中經(jīng)常因為實際情況使得其中一些項不變而被忽略掉，從而可以得到它的其他方程表現(xiàn)形式。（一）閉口系能量方程閉口系與外界無質(zhì)量交換，因此Δe為0，閉口系本身動能和重力勢能也不變，所以閉口系自身能量變化只有熱力學(xué)能的變化即ΔE=ΔU。所以化簡的閉口系能量方程：ΔU=ΔQ+ΔW而對于熱機(jī)和制冷機(jī)一類工質(zhì)循環(huán)流動的設(shè)備，工質(zhì)進(jìn)行一個循環(huán)后又回復(fù)初始狀態(tài)所以熱力學(xué)能變化為0。又得到：ΔQ+ΔW=0這說明循環(huán)工作的熱機(jī)要對外輸出功，必須外界不斷提供熱，反之對于制冷機(jī)，要對外輸出熱，則要外界提供功。（二）穩(wěn)定流動能量方程開口系能量方程較復(fù)雜，但是里面有一例我們經(jīng)常碰到的穩(wěn)定流動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點：1.各個位置上工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)恒定2.系統(tǒng)總質(zhì)量恒定，一定時間內(nèi)流入和流出的工質(zhì)質(zhì)量相等。3.系統(tǒng)本身的總能量不變ΔE=04.系統(tǒng)與外界的功的交換可以分為機(jī)器軸傳遞的功稱為軸功Ws和工質(zhì)流動帶來的凈流動功Wf。二者代數(shù)和為ΔW。5.工質(zhì)自身的能量可以分成3部分：焓H，動能Ek，重力勢能Eg。最終得到穩(wěn)定流動能量方程：ΔQ+ΔW+ΔH+ΔEk+ΔEg=0（三）穩(wěn)定流動能量方程典型應(yīng)用1.制冷壓縮機(jī)壓縮機(jī)出入口工質(zhì)機(jī)械能變化很小，同時由于壓縮過程很迅速，工質(zhì)與外界發(fā)生熱量交換很少，可近似認(rèn)為是絕熱，所以方程簡化為：ΔW=ΔH=Ｈ２-Ｈ１

說明壓縮機(jī)壓縮工質(zhì)時消耗的外功等于工質(zhì)出入口的焓差。２.熱交換器工質(zhì)經(jīng)過換熱器時，與外界無功交換，其機(jī)械能變化也很少，于是方程簡化為：ΔＱ＝ΔＨ＝H2-H1

說明工質(zhì)流經(jīng)換熱器吸收或放出的熱量等于出入口的焓差。3.節(jié)流閥制冷系統(tǒng)中工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥，由于截面突然縮小工質(zhì)克服局部阻力做功，導(dǎo)致壓力下降，溫度也下降，但是做功產(chǎn)生的熱量又被工質(zhì)自身吸收，工質(zhì)自身機(jī)械能無變化，與外界無做功交換，由于節(jié)流過程很快，與外界熱量交換也很少。得方程：

ΔH=0即H1=H24.噴管和擴(kuò)壓管噴管的作用是通過降低壓力來提升流速，擴(kuò)壓管相反，上一講中是通過動壓和靜壓的轉(zhuǎn)化來說明原理，使用能量方程同樣可以解釋。管道可以認(rèn)為是絕熱的，與外界無功交換，重力勢能的變化也可以忽略，于是方程簡化為：ΔEk=ΔH

說明工質(zhì)經(jīng)過噴管，焓下降，動能增加，經(jīng)過擴(kuò)壓管，動能減少，焓增加。***流動工質(zhì)的焓在能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移中有非常重要的作用，焓是隨工質(zhì)流動而轉(zhuǎn)移的由工質(zhì)熱力狀態(tài)所決定的能量。三、熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用熱力學(xué)第二定律的兩種表達(dá)形式：1.無法制造一個只從一個熱源吸熱并將之完全變?yōu)闄C(jī)械能的熱機(jī)。2.熱不可能自發(fā)的不付代價的從低溫物體傳到高溫物體。這兩種方式從兩個側(cè)面說明了熱力學(xué)第二定律，第一條強(qiáng)調(diào)循環(huán)熱機(jī)必須存在與兩個熱源之間，利用熱量的傳遞可以將其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。第二條著重強(qiáng)調(diào)溫差傳熱的自發(fā)性和不可逆性，指出如果想實現(xiàn)逆向傳熱必須給予補(bǔ)償。***既然無法100%把熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，那么我們最高可以做到什么地步呢？（一）卡諾循環(huán)為了得到效率最高的熱機(jī)循環(huán)，卡諾嘗試使用最少的熱源個數(shù)（兩個，一個高溫?zé)嵩匆粋€低溫?zé)嵩矗?，最好的工質(zhì)（理想流體）、無損耗的過程（可逆過程）來構(gòu)建循環(huán)，他得到了用4個可逆過程構(gòu)成的一個循環(huán)，稱為卡諾循環(huán)。這個4個過程在T-S圖上構(gòu)成一個矩形，沿順時針方向循環(huán)變化，也叫做正向循環(huán)。ab是定溫吸熱膨脹過程，代表工質(zhì)從高溫?zé)嵩次崃縬1bc是等熵膨脹過程，代表工質(zhì)對外做功W

同時溫度降低到TLcd是等溫放熱壓縮過程，代表工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬2da是等熵壓縮過程通過壓縮使得工質(zhì)溫度上升到TH，重新回復(fù)到初始狀態(tài)開始新的一輪循環(huán)。工質(zhì)每循環(huán)一次，從高溫?zé)嵩次諢崃縬2，向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬1，對外輸出機(jī)械功WWAB*卡諾循環(huán)熱力分析根據(jù)熱力學(xué)第一定律，顯然循環(huán)滿足：q1=q2+W其中數(shù)值上等于圖中矩形abBA的面積而數(shù)值上等于圖中矩形cdAB的面積顯然熱機(jī)輸出的功W等于兩者的差，即矩形abcd的面積。由于三個矩形長相等，那么面積比取決于寬，所以得到熱機(jī)效率公式這是熱機(jī)所能夠達(dá)到的最高效率，而且這個效率只和兩個熱源的溫度有關(guān)。例：理想蒸汽機(jī)高溫蒸汽溫度250℃，低溫蒸汽溫度150℃，問效率多少？理想汽油機(jī)高溫燃?xì)鉁囟?000℃，廢氣溫度500℃，問效率多少？解：蒸汽機(jī)效率汽油機(jī)效率實際上，由于各種不可逆因素，蒸汽機(jī)的效率只有10%左右，汽油機(jī)效率只有20%~30%左右（二）逆卡諾循環(huán)將卡諾循環(huán)的所有過程全部逆轉(zhuǎn)，也可以得到一個循環(huán)，這個循環(huán)也是一個矩形，按逆時針方向變化，叫做逆卡諾循環(huán)，也叫逆向循環(huán)。它是制造制冷機(jī)的理想循環(huán)。它表示的含義是，有外界對制冷機(jī)做功，使得制冷機(jī)可以不斷的從低溫?zé)嵩次崃?，向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃俊Ｋ袃煞N運用方法，一種是制冷，即把環(huán)境當(dāng)作高溫?zé)嵩?，可以獲得比環(huán)境溫度低的低溫。另外一種是供熱，即把環(huán)境作為低溫?zé)嵩矗瑢崿F(xiàn)向高溫區(qū)域送熱，做供熱用的逆卡諾循環(huán)也叫做熱泵循環(huán)。dc是等溫吸熱過程，工質(zhì)從低溫?zé)嵩次諢崃縬2cb是定熵壓縮過程，通過壓縮使得工質(zhì)溫度升高到TH，需要消耗機(jī)械功Wba是等溫放熱過程，工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶懦?/p>