热能工程基础(2)

这种说法从热、功转换的角度表述热力学第二定律，指出热功转换过 程的方向性，以及热变功所需要的条件。如，单一热源的热机，即所 谓的第二类永动机是不可能制造成功的。
第二章 热工理论基础
§2.3 理想气体性质及热力过程
分析热力过程的一般方法和步骤为：
（1）根据热力过程的特征确定过程方程式。过程方程式是指以基本状态 参数p、v、T来表征过程特点的方程式。 （2）在状态参数坐标图（p-v、 T-s）上绘出过程曲线。依照状态参数 坐标图上的过程曲线，可定性地分析过程说明状态参数变化的情况以 及过程中能量交换的情况。 （3）确定过程中基本状态参数p、v、T和关系式，以及过程说明系统内 的热力学能、焓及熵的变化（ u 、 h 、 s ）。 （4）计算过程功量和热量。过程中系统与外界交换的功量和热量，可根 据具体的条件采用不同的方法来求得。即热力学第一定律闭口系统及 稳定流动开口系统表达式。
0 u
工质比热力学能减小时，其比热力学能变化量为负，即
0 u
第二章 热工理论基础
2、功与压容图
热力学功是热力学系统和外界通过边界而传 递的能量，其全部效果可表面为举起重物。
功的定义：力与沿力方向产生位移的乘积。单位：J
wpfdx pdv
w pdv
v1 v2
mkg工质所做的总功为
（3）可逆过程
系统完成某一过程之后，若能够沿原路径返回其初始平衡态，且系统 和外界均不留下任何宏观的变化痕迹，则称该过程为可逆过程，反之 为不可逆过程。实际的热力过程都是不可逆过程，因为过程中都存在 着各种各样的能量损失，系统与外界会留下变化而返回到初始状态。
第二章 热工理论基础
（4）准静态过程
过程中热力学系统经历的是一系列平衡状态并在每次状态变化时仅无 限小地偏离平衡状态，称为准静态过程。表示过程进行得如此缓慢而 似乎处于静止不变的状态之中。热力学中主要研究准静态过程。
ws 0
z1 z2
1 2 2 h 2 ( 2 1) c c 1 h 2
第二章 热工理论基础
二、热力学第二定律
第一种描述：热量不可能自发地、无代价地从低温物体向高 温物体传递。
这种说法指出了传热过程的方向性。如制冷机。必须消耗机械能做为 补偿。
第二种描述：不可能制成一种循环工作的热机，只从一个热 源取热，并完全变为有用功，而不发生任何其它改变。
技术功
12 1 w (2) ( 2 gzw gz 1 s ) t c c 1 2
w pdv p vdp ( 2 v p1 t 2 v 1)
1 1 2 2
第二章 热工理论基础
qhh wh t ( 1 t ) w 2
1 2 2 q2u p p ( g z w 1 ( 2 1 c ( 1 s ( 2 u ) v v c1 z ) ) 2 ) 2 1 2
第二章 热工理论基础
4、热力学第一定律的表达形式
热力学第一定律可以表述为：热能作为一种能量形态，可以和其他能 量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。即热可以变为功，功也可 以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功，消耗一定 量的功时，也必将出现相应数量的热。热力循环中，工质所接受的净 热量应该等于对外所作的净功，即
W pdv w m m pdV
v 1 V 1
v 2
V 2
第二章 热工理论基础
结论：
（1）工质与外界交换功量，由两个状态参数p、v来描述。
（2）气体与外界有压差即可能做功，比体积的改变与否标志有无做 功。dv 0 ,工质对外膨胀做功； dv 0 ,工质被压缩获得 功； dv 0 ,表示气体即未膨胀做功，也未获压缩功。 （3）工质由状态1可以经过多条途径到达状态2。途径不同，做功大小 不同。做功的大小与过程的初态和终态有关，而且还决定于过程所 经过的途径。说明功是和过程有关的量，而不是状态参数。可通过 图下的面积来判断做功的大小。 （4）工程上，更需要知道的是热机功率的大小，也就是热机在单位时 间内所做的功。单位W或kW。
第二章 热工理论基础
3、比体积 单位质量物质所占有的体积。用 表示，单位m3 / kg。比体积与 质量密度互为倒数。
V v m
m3 / kg
第二章 热工理论基础
三、热能转换的基本概念
1、热力系统 （1）封闭系统（闭口系）
系统与外界没有物质交换。如，把内燃机气缸中正进行膨胀的燃气选 作系统。
结论：稳定流动过程中，系统接受的热量一部分用于对外输出轴功及净 推动功，另一部分则用于使流过系统的工质增加热力学能、宏观动能及 重力位能。
ws 0
c c
2 1
z1 z2
qh h 2 1
2 2
第二章 热工理论基础
q0
2 c12 c2
z1 z2
w h 2 s 1 h
q0
能量平衡方程可写为
12 12 q ＝ u c 2 pv ＋ gz 2 2 u c 1pv ＋ gz 1 1 2 2 1 1 2 2
w
s
第二章 热工理论基础
1 2 2 1 2 c1 z ) w ( u( 2p ( cg z u ) p 1 ( 1 q vv 2 ) 2 ) 2 s 1 2
QW
说明工质比热力学能 不变 U
第二章 热工理论基础
5、热力学第一定律的解析式
（1）闭口系的热力学第一定律解析式 根据能量守恒与转换定律
u 2 1 q wu
q 2 uw 1 w u u
若工质的质量是mkg，则
Q UW
第二章 热工理论基础
（2）开口系的热力学第一定律解析式
稳定流动过程中，转换为机械能的热能先通过工质容积膨胀以容积变 化功转换为机械能。则对于准静态过程，有
q ( 21 pdv u u )
1
2
1 2 2 w pdvv ( g z 2 p2 c ( (v 1 p ) c 1 ) z 1 s 2 1 2 ) 1 2
2
结论：稳定流动过程中开口系统所作的轴功，是工质受热而得到的相当 于容积变化功的机械能，在扣除了推动工质流动的净推动功以及增加流 动动能、重力位能后通过边界输出的功。
第二章 热工理论基础
令 则
12 1 gz 1 s ) h pv w (2) ( 2 gzw u t c c 1 2
qhh wh t ( 1 t ) w 2
上式即为开口系的热力学第一定律的表达式，又称为稳定流动能量方程式。 状态参数比焓的定义
h
h pv（J/kg） u
第二章 热工理论基础
一、理想气体典型热力过程 1、定容过程
（1）过程方程式
v
=C
（2）过程在p-v图和T-s图上的表示 在定容过程中系统比熵的变化为
ds cV 0
dT T
定容过程曲线的斜率为
T T s V cV 0
第二章 热工理论基础 （3）状态参数关系式
pv R T g
w p p v1 2 ( s , 2 vdp ) 1
1
பைடு நூலகம்
2
第二章 热工理论基础
2、定压过程
（1）过程方程式
p
=C
（2）过程在p-v图和T-s图上的表示
在定压过程中系统比熵的变化为
ds c p0
dT T
定压过程曲线的斜率为
T T s p c p 0
第二章 热工理论基础
二、基本状态参数 压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵 1、温度
温度是表示物体冷热程度的物理量。国际单位制中采用热力学温 标（绝对温标、开尔文温标），T（K）表示。t为摄氏温标。
T = t + 273.15 (K)
第二章 热工理论基础
2、压力 压力指单位面积上承受的垂直作用力。气体的压力是大量分 子向窗口壁面撞击的平均结果。
（2）开口系统
系统与外界有物质交换。例如，把汽轮机的汽缸选作系统，有工质的 流入和流出。
（3）绝热系统
系统与外界没有热量的交换。例如，汽轮机的汽缸外包以绝热材料， 当工质流经汽轮机时，其散热量非常小，可忽略，则此热力系统可认 为是绝热系统。
（4）孤立系统
系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。
第二章 热工理论基础
无摩擦绝热可 逆，有摩擦有 散热不可逆
第二章 热工理论基础
§2.2 热力学基本定律
一、热力学第一定律 1、工质的比热力学能
比热力学能指单位质量的工质在储存于热力学内部各种形式能量的 总和，包括内动能和内势能。 单位： J / kg 或 kJ / kg
uf( ,v T )
热力学规定：工质比热力学能增加时，其比热力学能变化量为正，即
（1）单位 国际Pa 工程大气压（at） 液注（mmHg mmH2O） 1at =1 kgf / cm2 = 98067 Pa 1mmHg = 133.321Pa 1mmH2O = 9.8067Pa
（2）表压力、绝对压力和真空度
工质的实际压力p为绝对压力。 表压力 pg = p – pb 真空度（负压） pv = pb – p
第二章 热工理论基础
第二章 热工理论基础
§2.1 工质及其状态参数
一、 工质 1、工质
在热机中，热能转变为机械能是通过某种物质的一系列状态变化 过程而实现的，用以实现热功转换的媒介物质称为工质。
2、工质特点
良好的膨胀性（状态变化过程中可获得较多的功）；良好的流动 性（易于流入与排出，使热机连续工作）。如汽轮机中的工质是 水蒸气，内燃机的工质是燃气。
p1 p 2 T1 T2
（4）过程功量和热量
w 2 pdv0 1
1
2
即系统接受的热量全部用于增加系统的热力学能
q221 c dT u u V 1 0
1
2
q uuc 2 T 0 ( 1 T ) 1 2 2 1 V
对于稳定流动的开口系统，若工质的流动动能与重力位能的变化可以忽略， 则定容过程中系统所作的轴功为
第二章 热工理论基础
3、热量与温熵图
Tds q
q Tds
s1 s2
q ds T
s-------传递热量作用的状态参数，1kg工质的比熵，J/(kg.K)。 标志有无传热。
第二章 热工理论基础
结论：
（1）工质与外界交换热量，由两个状态参数T、s来描述。 （2）气体与外界有温差即有可能传热，比熵的改变与否标志有无热量交 换。 0 ，q为正值，工质对从外界吸收热量； 0，q为负值， ds ds 工质向外界放出热量；ds 0 ，则 q 0 ，表示气体与外界没有发 生热量交换。称为定熵过程或绝热过程。 （3）工质由状态1可以经过多条途径到达状态2。途径不同，热量交换多 少不同。热量交换的多少与过程的初态和终态有关，而且还决定于过 程所经过的途径。说明热量也是和过程有关的量，而不是状态参数。 （4）温熵图可以用过程曲线下面的面积来表示热量的大小，而且还可以 判断气体在过程中是从外界吸入热量还是向外界放出热量。
在1-1截面处，工质带入系统的总能量为
在进、出口截面上为推 动工质进、出系统所传 递的功，称为推动功。
12 u c 1pv gz 1 1 1 1 2
在2-2截面处，工质带出系统的总能量为
12 u c 2 pv gz 2 2 2 2 2
外界对工质加热量为 工质对外做功为
q
s
w
开口系统和外界间通过 进、出口截面以外的边 界（通常为机器轴）所 传递的功，称为轴功。
第二章 热工理论基础
第二章 热工理论基础
2、热力状态的变化过程 （1）平衡状态
在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，热力系统的宏观特性 仍不发生变化，称热力系统处于平衡状态。经典热力学所研究的热力 学状态都是平衡状态。
（2）热力过程
系统由其初始平衡状态，经过一系列中间状态而达到某一新的平衡状 态的变化过程称为热力过程，简称过程。
第二章 热工理论基础
（3）状态参数关系式
pv R T g
2
v1 v 2 T1 T 2
（4）过程功量和热量
w 2 v R pdv1 g 2 T pT 1 ( v ) ( ) 1 2
1
q22 c dT h h p 1 1 0
1
2
c
p 0 为定值，则
q p(2 ) 1 2 c T T 0 1
对于稳定流动的开口系统，若工质的流动动能与重力位能的变化可以忽略，则定压 过程中系统所作的轴功为