湖南大学工程热力学

? ? ? 是全微分 充要条件：
dx ? 0
dx ? dx
1b2
1a2
可判断是否是状态参数
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3．状态参数分类
热动力装置工作可以概括为：
工质从高温热源吸取热能，将其中一部分 转化为机械能，把另一部分热能传给低温
热22源。
1-2 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界
一、定义
? 系统( , ) 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。 ? 外界( )：
与体系发生质、能交换的物系。
? 边界()：
只交换热
注意：
1.系统与外界的作用都通过边界，不画边界进行热 力学研究无意义。
2.热力系统的选取，取决于所提出的研究任务，但 不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守统计平 均规律。
3.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、热力系分类
1. 按组元和相分
工程热力学
陈敬炜 助理教授
第一章 基本概念
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态 1-5 工质的状态变化过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环
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本章基本要求：
?掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热 力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。
工质是实现能量转换必不可少的内部条件
对工质的要求: 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
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物质三态中 气态最适宜。
三、热源( ; )
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 （ ） 低温热源 —冷源（ ） ? 恒温热源 ( ) 变温热源
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三个基本概念
工质：实现热能与机械能相互转化的媒介物质
热源：工质从中吸取热能的物系，或称高温热源 热源
冷源：接受工质排出热能的物系，或称低温热源
热动力装置的工作过程：工质自高温热源吸热，将 其中一部分转化为机械能而做功，并把余下部分传 给低温热源
热能
吸热 膨胀 作功 排气 机械能
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二、工质( )
状态参数（ ） —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
压力 p、温度 T、比容 v
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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。
状态参数的微分特征
设 z (x , y)
兰线内 ——孤立系
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例2：刚性绝热喷管
取红线为系统— 闭口系 取喷管为系统— 开口系绝热系
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例３： A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老 死不相往来”
A部落为系统 —闭口系
部落为系统 —孤立系
A B
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1-3 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（ ） —系统宏观物理状况的综合
?掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、 T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过 程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆 过程的热量、功量进行计算。
3
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置( )
定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得 到动力的整套设备。
化学能
热能
机械能
燃气动力装置 ( )
按组元数 单元系( ) 多元系( ) 按相数 单相系( ) 复相系( )
注意： 1）不计恒外力场影响； 分离状态。
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2. 按系统与外界质量交换
闭口系（ ） （控制质量） —没有质量越过边界
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开口系（ ） （控制体积） —通过边界与外界有质量交换
内燃机( )
分
燃气轮机装置 ( )
类
喷气发动机 ( )
……
蒸气动力装置 ( )
4
内燃机装置
5
燃气轮机装置
6
燃气轮机装置
7
小型燃气轮机装置
8
喷气发动机
9
蒸汽轮机装置
10
核 电 厂 汽 轮 机
11
电厂俯瞰图
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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：
系统与外界的分界面（线）。? 边界可以是实在的，
也可以是假想的；可以
是固定的，也可以是移
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动的
二、系统及边界示例
? 汽车发动机
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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
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边界特性 固定、活动
真实、虚构
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热力系统选取的人为性
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
给水泵
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只交换功 既交换功 也交换热
开口系统的分类： (1)不稳定流动开口系 (2)稳定流动开口系统 稳定流动开口系统中的质量32 及状态参数不随时间变化。
3. 按能量交换方式
绝热系（ ）— 与外界无热量交换 ;
孤立系（ ）— 与外界无任何形式的质能交换。
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4. 简单可压缩系（ ） —由可压缩物质组成，无化学反应、与外
界有交 换容积变化功的有限物质系统。
最重要的系统 简单可压缩系统
只交换热量和一种准静态的容积变化功
容积变化功
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压缩功 膨胀功
注意：
1）闭口系与系统内质量不变的区别；稳定流动开口系统 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
孤立系统 =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
孤立系统一定是闭口系；反之则不然。孤立系统 一定是绝热系统；绝热系统不一定是孤立系统。
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热力系统分类小结 以系统与外界关系划分：
有
是否传质 是否传热 是否传功 是否传热、功、质
开口系 非绝热系 非绝功系 非孤立系
无
闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
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四、热力系示例
例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
燃料 化学能
燃气 热能
机械能
排入大气
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内燃机工作原理动画
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热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅 汽轮机 炉
乏汽 循环水
冷凝器
水泵
冷却水
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高温热源 吸热Q 1 作功W
热机 机械能
放热Q2 低温热源
为使热能源源不断地转化为机械能必须：
1. 凭借工质作为媒介物质； 2. 工质源源不断地从高温热源吸收热量； 3. 工质热力学状态发生循环往复的连续变化； 4. 向温度较低的热源排出一部分热量。