《工程热力学》第一章 基本概念

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3. 按能量交换 绝热系统（adiabatic system）— 与外界无热量交换; 孤立系统（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
一切热力系统连同与之相互作用的外界可抽 象为孤立系统。
注意： 1）闭口系统与系统内质量不变的区别； 2）孤立系统与绝热系统的关系。
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四、热力系示例
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●作功过程
F
p

pb
f
pA F cos f pb A 非准静态过程
pA F cos f pb A 准静态过程，不可逆
pA F cos pb A ( f 0)
准静态过程，可逆
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讨论： 1.可逆=准静态+没有耗散效应 2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于 系统内部及系统与外界作用的总效果 3.一切实际过程不可逆 4.可逆过程可用状态参数图上实线表示
1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态
•热平衡（thermal equilibrium） ： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处温
度相等。
•力平衡（mechanical equilibrium）： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外 界处处压力相等。
•热力平衡的必要条件 —系统热平衡和力平衡。
1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
物质三态中 气态最适宜。
2
三、热源(heat source; heat reservoir)
定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 • 高温热源—热源 （ heat source ） 低温热源—冷源（heat sink）
J 或 kJ J/s W kJ/s kW
附： 1kWh 3600kJ
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6．讨论 有用功(useful work)概念
Wu W Wl Wp
pb
f
其中:
W—膨胀功 Wl—摩擦耗功； Wp＿排斥大气功。
例A7001331
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三、热量（heat）
1．定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。
一简单可压缩系用两个独立参数可确定其平衡状 态，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一 状态可在平面坐标上找到对应点，如：
p
p1 1
O
v1
T
T2
2
p
p3
3
vO
s2
பைடு நூலகம்sO
T3
T
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1-4 工质的状态变化过程
一、准静态过程
定义：偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程。
进行条件： 破坏平衡的势—
四、逆循环
以获得制冷量为目的——制冷循环
以获得供热量为目的——热泵循环
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制冷循环——工质从冷源吸取热量q2
热泵循环——工质将从冷源吸收的热量q2，连同 循环中消耗的净工w0，一并向较高温度的供热系 统供给热量q1，其中q1=q2+w0
逆循环的经济指标： 工作系数：COP（Coefficient of Performance）
4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的
能量。
功
热是无条件的；
热
功是有条件、限度的。
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第五节 热力循环
分析循环的目的
在热力学基本定律的基础上分析循环能量 转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。
分析循环的一般步骤
1.实际循环（复杂不可逆）—抽—象—、—简—化—>可逆理论循环 —分—析—可逆—循—环—>影响经济的主要因素和可能改进途径
附：
华氏温标和朗肯温标
{T} °R={t} ℉ +459.67
华氏温标和摄氏温标
{t} ℃=5/9[{t} ℉-32] {t} ℉ =9/5{t} ℃ +32
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五、压力(pressure)
压力的定义 绝对压力 p(根据p=F/ƒ或
p
2 nBT )
表压力 pe（pg）
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真空度 pv
当地大气压pb
研究目的：合理安排循环，提高热效率。
蒸汽动力循环
蒸汽动力循环是正循环，以蒸汽为工质，将蒸汽的热能 在动力装置中转换为机械功的循环。
蒸汽的卡诺循环
1.工作原理
朗肯循环
正循环中热转换工的经济性指标
循环热效率： t
t

w0 q1

q1 q2 q1
1 q2 q1
其中： q1——工质从热源吸收的热量 q2——工质向冷源放出的热量 w0——循环所做的净工 w0=q1-q2
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状态方程式
▪ 对于由气态工质所组成的热力系统，当处于平衡状态时，各部分具有 相同的状态参数，例P、V、T等这些参数并不是不相关的。
▪ 例如：当V一定时，T↑→P ↑
▪
当P一定时，T↑→V ↑
▪ 若V、P一定，则T一定，则状态被确定，即只要两个状态参数确定， 其它参数也确定了。
▪ T=f(P、V) V=f（T、P） P= f（T、V）
Ñ dx 0
dx dx
1b2
1a2
3．状态参数分类 广延量（extensive property） 强度量（intensive property ）
又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积

v

V
m
工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数(比参数)。
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平衡状态
1、平衡状态是指组成热力系统各个部分之间 a：无热量传递（温度均匀一致）——热平衡 b：无相对位移（压力均匀一致）——力平衡 c：若存在化学反应，应包括化学平衡 2、热力系统当处于平衡状态时各参数都有确定的值。 3、热力平衡状态系统只要不变外界影响，它的状态就不 会随时间变化，平衡也不会自动被破坏。 4、处于不平衡状态的系统，在没有外界影响下总会自发 趋于平衡。
状态参数（state properties） —描述物系所处状态的宏观物理量
二、状态参数的特性和分类
1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平 衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如
p,V ,T,U, H, S
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2．状态的单值函数。 物理上—与过程无关； 数学上—其微量是全微分。
p, T 无穷小
过程进行无限缓慢 工质有恢复平衡的能力
准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示
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二、可逆过程( reversible process)
定义：系统可经原途径返回原来状 态而在外界不留下任何变化 的过程。
可逆过程与准静态过程两者区别：
可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程
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三、纯物质的状态方程
状态方程 f p, v,T 0
1．理想气体状态方程
pv RgT
pV mRgT
pV nRT
Rg —气体常数 （gas constant） J/(kg K)
R—通用气体常数
R 8.3145J/(mol K)
摩尔质量
R MRg
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四、 状态参数坐标图（parametric coordinates）
2．符号约定：系统吸热“+”； 放热“-”
3．单位： J kJ
4．计算式及状态参数图
（T-s图上）表示
2
Q 1 TdS
δQ TdS
(可逆过程）
热量是过程量
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四、热量与功的异同：
1.均为通过边界传递的能量；
2.均为过程量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；
▪ 对于平衡状态，这三个基本参数间总有一定的关系F(P、V、T)=0， 这个关系式即为气体的状态方程式。
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四、温度和温标（temperature and temperature scale）
温度的定义 测温的基础—热力学零定律 热力学温标和国际摄氏温标
toC
T K
273.15
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第一章 基本概念
Basic Concepts and Definition
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态 1-4 工质的状态变化过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环
1
工质(working substance; working medium)
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 对工质的要求:
1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝
红线内 ——闭口绝热系
黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
蓝线内
——孤立系
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1-2 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
热力学状态（state of thermodynamic system） —系统宏观物理状况的综合
p pb pe
p pb pv
( p pb ) ( p pb )
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常用压力单位：
1Pa

1
N m2
1MPa 1106 Pa
1bar 1105 Pa
1atm 101325Pa 760mmHg
1mmHg 133.32Pa
1mmH2O 9.80665Pa
3
▪ 研究方法 ▪ 主要内容：热一热二、工质的热力性质、
热工设备的工作过程分析。 ▪ 发展简史 ▪ 瓦特 ▪ 卡诺 ▪ 克劳修斯及汤姆逊
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1-1 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界
一、定义
• 系统(thermodynamic system, system)
将所要研究的对象与周围环境分隔开 来，这种人为分隔出来的研究对象， 成为热力系统，简称系统。 • 外界(surrounding )： 边界以外与系统相互作用的物体
例A4001441
1kPa 1103 Pa
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六、比体积和密度
比体积(specific volume)
vV m
密度(density)
m
V
单位质量工质的体积 m3/kg 单位体积工质的质量 kg/m3
两者关系:
v

1

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1-3 平衡状态
一、平衡状态（thermodynamic equilibrium state）
指导改善
————>实际循环 2.分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失 的部位、大小、原因及改进方法。
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三、动力循环（正循环）（power cycle; direct cycle ）
输出净功；
在p－v图及T－s图上顺时针进行；
膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。
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动力循环：工质连续不断地将高温热源取得的热量 一部分转换成对外的净工。
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补充习题：
一容器被一刚性壁分为两部分，如图所示。 压力表D读数为175kPa，C读数为110kPa，如 大气压为97kPa，试求表A的读值。
气体初态p1=0.5MPa，v1=0.172m³/kg，按pv= 常数的规律，可逆膨胀到p1=0.1MPa，试求膨 胀工。
1-6 功和热量
一、功(work)的定义和可逆过程的功
供暖系数(coefficient of performance for the heat-pump cycle)
t

wnet q1
1
q2 or 1
wnet ' q1 1
wnet
下一章
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1．功的力学定义 2．功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部
效果可表现为举起重物。 3．可逆过程功的计算
2
W 1 δW
2
2
1 pAdx 1 pdV
▲功是过程量
▲功可以用p-v图上过程线
与v轴包围的面积表示
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4．功的符号约定： 系统对外作功为“+” 外界对系统作功为“-”
5．功和功率的单位：
纯氮等。
多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统
待。
注：空气在不发生相变时，其化学组成不变，常可当作纯物质看
2.按相数 单相系：由单一物相组成的系统 复相系：由两个相以上组成的系统，如固、液、气组成 称三相系统
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2. 按系统与外界质量交换 闭口系（closed system）
（控制质量CM） —没有质量越过边界 开口系（open system） （控制体积CV） —通过边界与外界有质量交换
制冷系数 供热系数
1

q2 w0

q2 q1 q2
1

q1 w0

q1 q1 q2
五、循环经济性指标：
收益 代价
动力循环： 热效率(thermal efficiency)
逆向循环： 制冷系数(coefficient of performance for the refrigeration cycle)
• 边界(boundary)： 分隔系统与外界的分界面（线）。
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• 汽缸-活塞装置（闭口系例）
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• 移动和虚构边界
1）系统与外界的人为性 2）边界可以是：
a）刚性的或可变形的 或有弹性的
b）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的
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三、热力系统的分 类
1. 按组元和相
按组元数
单元系：由一种化学成分组成的系统，例如纯水、纯氧、