热工基础电子教案(1)

移动的
真实的
固定的
移动的
1
2
1
假定的
假设的
变化的 固定的 2 假设的
⑷ 闭口系——与外界没有物质交换的热力系（但可以有能量 交换，如加热）。 ⑸ 开口系——与外界有物质或能量交换的热力系
⑹ 绝热系——热力系与外界无热量交换（但有其它能量交 换，如功）
⑺ 孤立系——热力系与外界无任何能量和物质交换。
(K)
1.4.状态方程
两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态。 三个基本状态参数之间的关系，称为状态方程。 常见的状态方程有： pv RT 理想气体方程： a ( p 2 )( v b) RT 范德瓦尔斯方程： v

平衡状态下，可用二维平面坐标图描述系统状态：
p p1
1(p1,v1) T
。
2.2. 功和热量
• 功——在力的作用下，通过宏观有序运动而传递 的能量
F dx
dw F dx
w F dx
1
2
① Ｗ在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量。 ② Ｗ是过程量，与初终态有关，还与过程有关。 ③ 系统对外做功为正，外界对系统做功为负。 功的单位：Ｊ（焦耳） 功率单位 Ｗ（瓦特）＝Ｊ／Ｓ ④ 热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的，称容积变化功.
热传递问题（传热学）
如何提高效率 间接利用（工程热力学）
2.热工基础与车辆工程的关系



空调——制冷、制冷工质、循环； 汽车的动力——热能与动力的转化（包括： 效率、原理）； 散热器、管道传热——空调管道、热水管 道； 车内的舒适性——空气温度、湿度、降温 与去湿、结露及湿空气过程
3．热工基础的基本计量单位简介
p A
1
B
2
V
(2)目的:是实现连续的能量转换（Ｗ、Ｑ都是过程量，使之可能）
(3)分类:可逆循环；不可逆循环；动力循环；制冷循环；热泵循环
正向循环——膨胀功大于零，顺时针。 逆向循环——膨胀功小于零，逆时针。
高温热源
QH
高温热源
QH 输出功
输入功 QL
QL
低温热源
低温热源
正向循环效率（热效率）: t 逆向循环制冷系数: 热泵循环系数:

W0 QH
QH W0
QH W0
小结：
Win
Qin
Wout 系统
Qout
• 输入热量为正;
输出功量为正.
《热工基础》电子教案
绪论 1. 热能及其利用
能源——为人类提供能量和动力的物质资源。
常见能源有：化石能、水力能、太阳能、风能、 地热能、海洋能、核能等 绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务，但 我们需要的却主要是动力。 人类利用热能目前主要有两种形式： (1) 热能的直接利用——能的形式不发生变化；如： 取暖、烘烤、冶炼、蒸煮等。 (2) 热能的间接利用——能的形式发生变化，转变为 机械能、电能等；如：热力发电厂、内燃机等， 主要用于交通运输、机械制造等。
m ( kg / m 3 ) V
（２）压力p（Ｐa）
压力是指单位面积上所承受的垂直作用力。 p=F/A (N/m2) 常用单位有： kPa; Mpa; mmHg; atm; 托 气体的压力——是组成气体的大量分子对容器壁碰撞的统 计平均的效果。 通常用压力表或真空表测量流体压力. 绝对压力（p）——物质的真实压力。 大气压力（pb）——大气环境的真实压力。 表压力（pg）——压力表上读到的压力。 真空度（pv）——真空计上的读数。 表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差，所以 当p＞pb时，p＝pg＋pb

热能利用的历史就是一部Fra Baidu bibliotek类的发展史：
远古时代 钻木取火 （烤食、取暖） 原始社会时期 古代 冶炼、制造金属工具 （直接利用） 封建社会时期 近代（1784年） 发明蒸汽机 （间接利用） 工业革命 资本社会时期
现代 建立完善的热工理论 （间接利用） （产生了飞机、火车、 汽车、制冷） 信息社会
当今
⑻ 简单可压缩系——由可压缩的流体构成，与外界只有容 积变化功交换.
⑼ 热源（冷源）——能为热力系提供无限热能（冷量）， 而自身温度不会发生变化.（高温热源、低温热源）其热 容量无限大。 (10) 工质——用来实现能量相互转换的媒介物质为工质。
1.2热力系的状态及状态参数
• 热力系的状态——热力系在某一瞬间呈现的宏观 物理状况。 • 平衡状态——在没有外界影响条件下，系统各部 分长时间内不发生任何变化的状态。 • 状态参数——用于描述系统平衡状态的物理量。 • 状态参数可分为两类： • 尺度量（广延量）——与系统所包含的物质量有 关的量称为尺度量。 • 强度量——与所含物质量无关，热力系中任一点 都具有相同的数。
A
p dx
dwre F dx p A dx p dV
pb
wre pdV
1
2
• ⑤ 在准静态可逆过程时，对外做功由系统内部参数决定 的，不用考虑外界因素。
在p－Ｖ图上表示：
p
1
p
2
• １－２线下的面积即为膨胀功，所以p－ Ｖ图叫示功图。
V
（２）热量——是在温差作用下，通 过微观粒子无序运动传递的能量。
主要采用SI国际单位制： 长度——米； m. 质量——千克； kg. 时间——秒； s. 电流——安培； A . 热力学温度——开尔文； K. 物质量——摩尔； Mol.
4.热工基础的常见物理量及单位
物理量 力、重力 压力、压强、应力 能量、功、热量、内能、焓 功率 热流密度 热容、熵 比热容、比熵 比内能、比焓 摩尔内能、摩尔焓 常用单位及符号 牛顿（N） 帕斯卡（Pa） 焦耳（J） 瓦特（W） 2 瓦特每平方米（W/m ） 焦耳每开尔文（J/K） J/(kg·K) J/kg J/mol SI 单位表示 N 2 N/m N·m J/S 2 J/S·m N·m/K J/(kg·K) J/kg J/mol
考查一个渐变的过程：
状态1
一系列中间状态
状态2
p 1
2
v
可逆过程——如果系统完成某一热力过程后，再沿原路经逆 向返回 能使系统和外界都恢复原来状态而不留下任何变 化的过程。 （要包括系统及外界都不发生任何变化）
，
特征：
（１）可逆过程必然是准平衡过程。 （２）可逆过程不应有摩擦、电阻、磁阻等耗散效应存在。 可逆过程是理想过程（充要条件）：只有准平衡且无任何耗 散效应的过程才是可逆过程。 实际过程都是不可逆的
第一章：热能转变的基本概念
1.热力系、状态和状态参数 1.1. 热力系与工质 ⑴ 热力系——人为地选取一定范围的物质作为 研究对象，这个对象称为热力系统 （system）。 ⑵ 外界——热力系以外的物质（也称为环境）。 ⑶ 边界——热力系与外界的交界面（界面）。
边界可以是假设的，也可以是真实的；可以 是固定的，也可以是运动的。
• • 热量是过程量。 • • 系统吸热取正号，放热取负号。 • • 热量为：热容与其变化温差的乘积。
dQ m c dT
Q mcdT
1 2
2.3. 热力循环 系统由某一初态出发，经历一系列中间状 态，最后又回到初态的过程称为热力循环。 （封闭过程） • 特征： （１）它是一个封闭的过程。
Ａ Ｂ Ｃ
温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量。
衡量温度的标尺叫温标：国际单位所确定的温 标叫热力学温度，T （K） 常用温标是摄氏温标，t (℃) 热力学温标取水的三相点为基点，定为273.16 K 摄氏温标取纯水在一个标准大气压下的冰点为 0 ℃，与水的三相点差0.01度。所以

T = 273.15+t

当p＜pb时，p＝pb－pv
常用的压力计有:弹簧压力计及Ｕ形管压力计（测压差）
比如右图的Ｕ形管压力计， 对ＡＡ线上有： p＝pb+ρgH Ｈ为高度差（单位m）； p为被测压力； pb为环境压力； ρ为液柱中液体的密度； g为重力加速度。
pb
p
H
A
A
（３）温度

温度是物体冷热程度的标志 温度概念的建立以热力学第零定律为依据。 第零定律：Ａ与Ｂ处于热平衡；Ｂ与Ｃ处于热 平衡，则Ａ与Ｃ必然处于热平衡。
1.3.基本状态参数
常用的状态参数：压力p，比容v ，温度Ｔ，热力学能(内 能)U ，焓Ｈ，熵Ｓ。 基本的热力学参数:比容v ，压力p，温度Ｔ.
（１）比容
比容是单位质量的物质所占有的容积。 若m(kg)物质占有的容积为Ｖ(m3)，则比容为：
V v ( m 3 / kg ) m
密度是单位容积内所含物质的量。
T1
1(T1,s1)
v v1 s1
s
２．热力过程、功和热量
2.1.热力过程 要实现热能与机械能的相互转化，必须通过工质 的状态变化才能实现：
工质状态变化 热能 机械能
但，对热力系而言，只能对平衡态进行描述。 如何调和状态变化与平衡态之间的矛盾？——由 此引进准平衡态的概念！ 准静态就是无限接近于平衡态的状态。