02 热力学基本概念

汽轮机的简化热力学分析模型 汽轮机的简化热力学分析模型
物质 物质 （水蒸汽） 水蒸汽）
热力系
（水蒸汽） 水蒸汽） 轴功
开口热力系（冷凝器） 冷凝器）
冷却水 来自汽轮机的水蒸汽
去水泵的凝结水
冷却水
冷凝器的简化热力学分析模型 冷凝器的简化热力学分析模型
冷凝器的简化热力学分析模型 冷凝器的简化热力学分析模型
２）按与系统内包含物质多少有无关系划分 ①强度参数——与系统内包含物质的多少无关。 强度参数——与系统内包含物质的多少无关 与系统内包含物质的多少无关。 如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。 温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。 ②广延参数——与系统内包含物质的多少有关。 广延参数——与系统内包含物质的多少有关 与系统内包含物质的多少有关。 如：总内能、总焓、总熵等。 总内能、总焓、总熵等。
热力系统的分类Ⅱ 热力系统的分类Ⅱ
（二）按照系统内部的情况可划分 1.均匀热力系 系统内部各部分化学成分和物理性质都均 1.均匀热力系—系统内部各部分化学成分和物理性质都均 均匀热力系 匀一致的系统，它是由单相组成的。 匀一致的系统，它是由单相组成的。 2.非均匀热力系 由两个或两个以上的相态组成的热力系 2.非均匀热力系—由两个或两个以上的相态组成的热力系。 非均匀热力系 由两个或两个以上的相态组成的热力系。 3.单元热力系 由一种化学成分组成的热力系。 3.单元热力系—由一种化学成分组成的热力系 单元热力系 由一种化学成分组成的热力系。 4.多元热力系 由两种或两种以上物质组成的热力系 4.多元热力系—由两种或两种以上物质组成的热力系。 多元热力系 由两种或两种以上物质组成的热力系。 可压缩系统—由可压缩流体组成的热力系。 可压缩系统 由可压缩流体组成的热力系。 由可压缩流体组成的热力系 简单可压缩系统—与外界只有热量和机械功交换的可压 简单可压缩系统 与外界只有热量和机械功交换的可压 缩系统。 缩系统。
汽 轮 机
发电机
W
锅 炉
Q1
Q 2
给水泵
冷 0 却 20C 水
Wp
冷凝器
1-1 简单蒸汽动力循环系统简图
锅 炉(热源):燃料燃烧产 生热量,将水变成蒸汽 (吸热过程) 锅炉 汽轮机:将蒸汽携带的热能 →动能→转子旋转机械能 汽轮机 (对外作功过程) 冷凝器(冷源):将作功后的 低温低压蒸汽凝结成水 (对外放热过程) 冷凝器 水 泵:提高水的压力,将水 送入锅炉 (消耗外功)
实现平衡的充要条件：无内部、 实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。
三、状态参数 描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。 描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。 １.状态参数的数学特性
∫
2
1
dx = x2 − x1
或
∫ dx = 0
如果某物理量具有上述数学特性， 如果某物理量具有上述数学特性，它就是状 态参数。 态参数。 ２.热力学中常用的状态参数 温度、压力、比容、热力学能（内能）、 ）、焓 温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。
(主要考虑蒸汽的发生 主要考虑蒸汽的发生) 主要考虑蒸汽的发生
热量 （热源） 热源） 物质 (锅炉给水) 锅炉给水)
热力系
物质 (高温蒸汽) 高温蒸汽)
开口热力系 汽
轮机示意图
开口热力系 汽轮机
喷管 叶片 汽轮机 来自锅炉 调速器 发电机
去凝汽器
汽轮机的简化热力学分析模型 汽轮机的简化热力学分析模型
第一章
基本概念
教学目标: 教学目标 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。 知识点： 知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数； 平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。 重 点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参 数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力 的计算；可逆过程的判定准则。 难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念， 是本章的难点。
物质 热
闭口热力系
功
物质
开口热力系
功 热
功 物质
绝热热力系
物质
孤立热力系
闭口热力系
开口热力系
管 道
续15
开口热力系
去汽轮机
开 口 热 力 系
过热器 炉墙
蒸发管
来自水泵
（锅炉示意图） 锅炉示意图）
锅炉的简化热力学分析模型 锅炉的简化热力学分析模型
锅炉的简化热力学分析模型 锅炉的简化热力学分析模型
３.状态参数的分类 １）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分 ① 基本状态参数 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄ 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如 ：温度、压力、比容 温度、压力、 ② 导出状态参数 不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄ 不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如：热力学（内能）、焓、熵。 热力学（内能）、焓 ）、
界面
系
统
系
统
热力系、界面、外界例Ⅱ 热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
系 统
热力系、界面、外界例 热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
系 统
热力系、界面、外界例Ⅲ 热力系、界面、外界例Ⅲ
界面
外界
系
统
外界
热力系、界面、外界 热力系、界面、
热力系、界面、 热力系、界面、 外界例Ⅳ 外界例Ⅳ
界面 系 统
二、热力系统的分类
水泵
1-2 简单蒸汽动力循环过程图
工 质:水
热动力装置工作过程的共同点: 1.从高温热源吸热(吸热过程) 2.将其中一部分转变为功(对外作功过程) 3.将其余部分传给低温热源(对外放热过程) 4.工质提高压力需要耗功(消耗外功)
1-2 热力系（或称热力系统） 热力系（或称热力系统）
一、热力系的定义
常用的温标 ①摄氏温标 t ℃
常用的温标
基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为 规定冰点温度为 ℃ 沸点温度为100℃。 ℃ 分度方法： 分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分, 0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分, 这两个基准点之间分成100等分 每一等分为1 每一等分为1度。 ②热力学温标ＴＫ 纯水的汽、 固三相平衡共存的状态点( 基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相 点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。 为基准点，并规定它的温度为 。 热力学温标与摄氏温标之间的关系： 热力学温标与摄氏温标之间的关系： t = T—273.15 摄氏温标之间的关系
平衡状态,状态方程, 1-4 平衡状态,状态方程,坐标图
问题：如何定量描述工质的状态？ 一、平衡状态 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下, 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的状态 能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态. 能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态. 热平衡状态 力平衡状态 化学平衡状态
物质 （凝结水） 凝结水） 功
热力系
物质 （锅炉给水） 锅炉给水）
蒸汽动力装置流程简图
蒸汽动力装置流程简图
蒸汽动力装置的简化热力学分析模型
蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型
热源供热 （工质吸热量） 工质吸热量） 向系统输入功 （水泵耗功） 水泵耗功）
冷却水带走热量
热力系
（工质放热量） 工质放热量） 向外输出功 （汽轮机） 汽轮机）
通常根据所研究问题的需要， 通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任 意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。 意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内 的物质的总和称为热力学系统,简称为系统或热力系。 的物质的总和称为热力学系统,简称为系统或热力系。系统以 热力学系统 热力系 外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界 边界。 外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。系 外界 统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移 统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。
(一)按系统与外界之间的相互联系划分： 按系统与外界之间的相互联系划分： 1.闭口系 与外界无物质交换的热力系 1.闭口系—与外界无物质交换的热力系。 闭口系 与外界无物质交换的热力系。 2.开口系 与外界有物质交换的热力系 2.开口系—与外界有物质交换的热力系。 开口系 与外界有物质交换的热力系。 3.绝热系 与外界无热量交换的热力系 3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。 绝热系 与外界无热量交换的热力系。 4.孤立系 与外界无任何联系的热力系 4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。 孤立系 与外界无任何联系的热力系。
界面的特性: 界面的特性 可以是真实的， 可以是真实的， 也可以是虚拟的； 也可以是虚拟的； 可以是固定的， 可以是固定的， 也可以是运动的。 也可以是运动的。
热力系、界面、外界例 热力系、界面、外界例Ⅰ
界面
外界
外界
热 源
热力系统
热力系、界面、 热力系、界面、外界
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
U形管式压力计示意图
U形管式压力计示意图
pb
pb
p
pg
p
pv 真空度
p < pb
p = pb − pv
p > pb
p = pb + pg
3.温度 3.温度
１）热力学第零定律 状态参数温度 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。 ２）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。 ３）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法， 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。 度的标尺称为温标。 建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温 建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、 标的基准点及分度方法。 标的基准点及分度方法。
热力系、界面、 热力系、界面、外界
续4
外界
界面 外界
热 源
热力系统
热力系、界面、 热力系、界面、外界 续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
热力系、界面、 热力系、界面、外界
续4
外界
界面 外界
热 源
热力系统
热力系、界面、外界例Ⅱ 热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
热力系、界面、外界例Ⅱ 热力系、界面、外界例Ⅱ
(主要考虑蒸汽的凝结 主要考虑蒸汽的凝结) 主要考虑蒸汽的凝结
物质 （水蒸汽） 水蒸汽）
热力系
物质 (凝结水） 凝结水）
蒸汽放热给冷却水
开口热力系（水泵示意图） 水泵示意图）
锅炉给水
水泵示意图） 开口热力系（水泵示意图）
来自冷凝器的水 电动机
水 泵
水泵的简化热力学分析模型 水泵的简化热力学分析模型
四、基本状态参数
１.比容、密度和重度 比容、 ① 比容 单位质量物质所占有的容积，称为比容。 单位质量物质所占有的容积，称为比容。
表达式 ② 密度
V v= m
m3 /kg
单位容积的物质所具有的质量，称为密度。 单位容积的物质所具有的质量，称为密度。
表达式 ③ 重度
m ρ= V
kg/m3
单位容积内所含有物质的重量，称为重度。 单位容积内所含有物质的重量，称为重度。
表达式
G mg γ= = V V
N /m3
状态参数压力 ２.压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。
表达式
F p= A
N /m 2 或 Pa
常用的压力单位间的关系
1kPaBiblioteka Baidu= 103 Pa
1bar = 105 Pa
1MPa=106 Pa
上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 。 上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。 由气压计测量出来的压力称为大气压力 由气压计测量出来的压力称为大气压力 pb。 由压力表测量出来的压力称为表压力 由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。 表压力p 、大气压力p 和绝对压力p之间的关系如下 之间的关系如下： 表压力 g、大气压力 b和绝对压力 之间的关系如下：
1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数
状态和平衡状态
一、热力学状态 工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理 状况。 二、平衡状态的描述 在不受外界影响（重力场除外）的条件下， 在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如 果系统宏观特性不随时间变化， 果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处 的状态称为平衡状态。 的状态称为平衡状态。
1-1
热能在热机中转变为 机械能的过程
内 燃 机 的 工 作 原
气缸 活塞
理 图
曲柄连杆机构
内燃机（汽油机）
工作过程： 吸气 燃烧、膨胀 压缩 排气 工作物质： • 燃气 能量转换： 燃料 化学能 燃气 热能 排入大气 机械能
蒸汽动力装置流程简图 550C
过 热 器
0
蒸汽动力装置流程简图
高温高压蒸汽