第一章传热学基本概念

蒸汽动力装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
过热器 锅 炉
汽轮机
发电机
凝 汽 器
给水泵
图1-2 蒸汽动力装置
• 具有一定动能的蒸汽推动叶片，使轴 转动作功。 • 作功后的乏汽从汽轮机进人冷凝器， 被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入 锅炉加热。 • 如此周而复始，通过锅炉、汽轮机、 冷凝器等不断把燃料中的化学能转变 而来的热能中的一部分转变成功，其 余部分则排向环境介质。
第一章 基本概念
1－1 热能在热机中转变成机械能的过
程 1 －2 1 －3 1 －4 1 －5 1 －6 1 －7
热力系统 工质的热力学状态及基本状态参数 平衡状态、状态方程式、坐标图 工质的状态变化过程 过程功和热量 热力循环
1－1 热能在热机中转变成机械能 的过程
热力工程利用矿物燃料的化学能 燃烧产生热能转变为机械能 蒸汽动力装置
• 热力系统 • 系统：用界面从周围的环境中分割 出来的研究对象，或空间内物体的 总和。 • 外界：与系统相互作用的环境。 • 界面：假想的、实际的、固定的、 运动的、变形的。
• 依据：系统与外界的关系，系统 与外界的作用： • 热交换、功交换、质交换。
常见的热力系统有四类:
(1)闭口系统——系统内质量保持恒定不变
热力系统： 为分析问题方便，和力学中取分离 体一样，热力学中常把分析的对象从周 围物体中分割出来，研究它与周围物体 之间的能量和物质的传递。 这种被人为分割出来作为热力学分 析对象的有限物质系统叫做热力系统， 周围物体统称外界。 系统和外界之间的分界面叫做边界。 边界可以是实际存在的，也可以是假想 的。
同样的研究对象内燃机： 1.内燃机在气缸进废气阀门都关闭时 ，取封闭于气缸内的工质为系统就是 闭口系统； 2.把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程 一起研究时，取气缸为划定的空间就 是开口系统。
简单可压缩系：
在热力工程中，热力系是由可压缩流体 （如水蒸气、空气、燃气等）构成的。 这类热力系若与外界可逆的功交换只有 体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形 式，则该系统称为简单可压缩系。
温度是物体冷热程度的标志
经验告诉我们，若令冷热程度不同的两个 物体A和B相互接触，它们之间将发生能量 交换，净能流将从较热的物体流向较冷的 物体。
经过一段时间后．它们达到相同的冷热程 度，不再有净能量交换，这时物体A和物 体B达到热平衡。
当物体C同时与物体A和B接触而达到热平 衡时，物体A和B也一定热平衡。
热能动力装置的工作过程可概括成：
• 工质自高温热源吸热，
• 将其中一部分转化为机械能而作功， • 并把余下部分传给低温热源。
动力循环简图
Thermal efficiency
Q1
热机 Q2
低温热源
热效率
高温热源
W
1－2 热力系统
工质——实现热能和机械能互相转化的 媒介物质。 热源——向给定系统提供式获取热量的 物体，其作用就是一个热源或冷源(又称 低温热源) 热力系统——被一封闭边界面包围的物 质的任一集合或空间的任一区域(控制体)
1－3 状态及状态参数
1.状态——某一时刻，热力系统中工质所 处的某种宏观状况，是全部宏观性质的综 合，又称热力学状态 2.状态参数——从各个不同方面描述工质 状态的物理量
状态参数的特征
• 特征：状态参数的微分是一个 全微分
2 d x x x 或 d x 0 1 2 1
• 状态参数的这一特性表现在数 学上是点函数，其微元差是全 微分，而全微分沿闭合路线的 积分等于零。
因此蒸汽的膨胀过程是发生在有宏观运 动时。
火力发电装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
过热器 锅 炉
汽轮机
发电机
凝 汽 器
给水泵
3. 其他型式的热机可能还有另外的方式 和特性。
4. 但是概括地看来，无论哪一种动力装 置，总是用某种媒介物质从某个能源 获取热能从而具备作功能力并对机器 作功，最后又把余下的热能排向环境 介质。
(2)开口系统——系统与外界有能量和 物质交换 开口系统的特点：
开口系统中的能量和质量都可以变化， 但这种变化通常是在某一划定的空间范 围内进行的，所以开口系统又叫做控制 容积，或控制体。
• 闭口系统和开口系统(按系统与 外界有无物质交换) • 闭口系统：系统内外无物质交换, 称控制质量。 • 开口系统：系统内外有物质交换, 称控制体积。
强度量和广延量 • 压力和温度这两个参数与系统质 量的多少无关，称为强度量。 • 体积、热力学能、焓和熵等与系 统质量成正比，具有可加性，称 为广延量。
• 但广延量的比参数，例如比 体积、比热力学能、比焓和 比熵，即单位质量工质的体 积、热力学能、焓和熵，又 具有强度量的性质，不具有 可加性。
基本状态参数介绍 • 一. 温度及热力学第零定律 • 热力学第零定律: 无论多少个 物体互相接触都能达到热平 衡。 • 温标: 表示温度高低的尺度叫 温度标尺，简称温标。
系统划分的方法 • 1.把整个蒸汽动力装置划作一 个热力系统，计算它在一段 时间内从外界投入的燃料， 向外界输出的功，以及冷却 水带走的热量等。这时整个 蒸汽动力装置中工质的质量 不变，是闭口系统
2.倘若只分析其中某个设备，如汽 轮机或锅炉中的工作过程，它们 不仅有吸热作功等能量交换过程 ，而且有工质流进流出的物质交 换过程。这时如取汽轮机或锅炉 为划定的空间就组成开口系统。
图1-1气缸与活塞
• 燃料和空气的混合物在气缸中燃 烧，释放热能，燃气的温度、压 力大大高于周围介质的温度和压 力而具备作功的能力。
• 它在气缸中膨胀作功； • 推动活塞，气体的能量通过曲柄 连杆机构传给装在内燃机曲轴上 的飞轮，转变成飞轮的动能； • 飞轮的转动带动曲轴，向外输出 轴功，同时完成活塞的逆向运动， 排出废气，为下一轮进气作好准 备。
mc BT 2
2
当这一性质相同时，它们之间达到热平 衡。这一宏观物理性质称为温度。 从微观上看，温度标志物质分子热运动 的激烈程度。对于气体，它是大量分子 平移动能平均值的量度，其关系式为：
mc BT 2
2
mc 2
2
BT
（1-1）
式中：T是热力学温度；B=(3/2)k， k=(1.380058 + 0.000012)×10-23J/K是玻尔 兹曼常数；是分子移动的均方根速度。
• 每经过一定的时间间隔，空气和 燃料即被送入气缸中，并在其中 燃烧、膨胀，推动活塞作功。 • 活塞不断地往复运动，曲轴则连 续回转。飞轮从气体那里所得到 的能量，除了部分作为带动活塞 逆向运动所需的能量外，其余部 分传递给工作机械加以利用。
• 排出的废气把一部分燃料化学能 转换来的热能排向环境大气 。
空气、油 废气
吸气
压缩 点火
膨胀
排气
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
2. 蒸汽动力装置中：
工质的吸热、膨胀、冷凝等过程分别发 生在不同的设备里， 而且蒸汽虽然在进入喷管时速度较低(20 ～50 m/s)，但膨胀后冲出喷管时蒸汽 的速度却很大(500～1200 m/s)，
工程热力学讨论的大部分系统都是简单 可压缩系。
• 根据系统内部状况划分： • 可压缩系统：由可压缩流体组成的系 统。 • 简单可压缩系统：与外界只有热量及 准静态容积变化。 • 均匀系统：内部各部分化学成分和物 理性质都均匀一致的系统，是由单相 组成的。 • 非均匀系统：由两个或两个以上的相 所组成的系统。
工质———我们把实现热能和机械能相 互转化的媒介物质叫做工质； 热源———把工质从中吸取热能的物系 叫做热源，或称高温热源；把接受工质 排出热能的物系叫做冷源，或称低温热 源。热源和冷源可以是恒温的，也可以 是变温的。
1. 如利用燃气轮机的高温排气作热源在 余热锅炉里加热水，由于热源的热容 量不是无穷大，故而热源（燃气轮机 的排气）的温度不断下降，是变温热 源。 2. 又如用环境大气作冷源，由于其热容 量非常大，故可以认为是恒温热源。
工程热力学不深入研究各种热机的具体 结构和各自的们构造不同，工作 特性不同。例如， 1. 活塞式内燃机的燃烧、膨胀、压缩和 排气都发生在气缸内，而且可以说气体 的膨胀过程发生在气体无宏观运动的状 况下；
内燃机装置
internal combustion engine
上述整套设备 为热动力装置 内燃动力装置
• 在当今热力工程所利用的热源物 质主要是矿物燃料。 • 从燃料燃烧中得到热能，以及利 用热能得到动力的整套设备（包 括辅助设备），统称热能动力装 置。
• 内燃机的主要部分为气缸、活塞 （图1-1） 内燃机工作时，活塞作往 复运动．由于这一运动并借助于连 杆和曲柄使内燃机曲轴转动，以带 动工作机器。
• 单元系统：一种均匀的和化学成分 不变的物质组成的系统。 • 多元系统：由两种或两种以上物质 组成的系统。 • 单相系：系统中工质的物理、化学 性质都均匀一致的系统称为单相系。 • 复相系：由两个相以上组成的系统 称为复相系，如固、液、气组成的 三相系统。
• 注意: • 系统的选取方法仅影响解决问题 的繁复程度，与研究问题的结果 无关。
(3)绝热系统——系统与外界无热量交 换 当热力系统和外界间无热量交换时，该 系统称为绝热系统。
(4)孤立系统——系统与外界即无能量 交换又无物质交换
孤立系统的特点： 1. 热力系统和外界无能量交换， 2. 热力系统和外界也无物质交换。 3. 孤立系统的一切相互作用都发生在 系统内部。
• 绝热系统与孤立系统 • 绝热系统：系统内外无热量交换 (系 统传递的热量可忽略不计时，可认 为绝热) • 孤立系统：系统与外界既无能量传 递也无物质交换 • =系统+相关外界=各相互作用的子系 统之和= 一切热力系统连同相互作用 的外界 •