热力学过程常用功量

河南理工大学2011-2012学年《热工学》小论文

学院：安全科学与工程学院

专业班级：安全09

姓名：卡匹迪恩

Q Q：1258114933

任课教师：

时间：2011-11-8

热力学过程常用功量

摘要：本文主要说明热功转换的原理，解释功的概念，阐释热力过程中常用功量，流动功、膨胀功、技术功、轴功的概念、计算及其相关联系。

关键字：热功转换流动功膨胀功技术功轴功

由热力学第一定律我们知道，“在自然界中，一切物质都具有能量。能量既不能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式。在能量转化过程中，能量的总量保持恒定不变。”能量由一个物体传递到另一个物体的主要形式有：做功、热传递。因此人类利用能量主要有两种方式，一是，直接利用，转化为热能应用与生产和生活；另一种是，间接利用，转换为机械能或电能用作动力。由于社会发展对动力的需要，生产中主要通过第二种方式，即通过能量对外做功的形式，把能量转化为机械能或电能。因此，热功转换是热能利用过程中非常重要的环节。而在热功转换过程中又涉及到各种形式的功，其之间既有联系又有区别，并且对热能利用意义极大。

在热力学中，功在广义上指热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可以表现为举起重物。

如图一，对于闭口热力系，当外界通过边界对系统传递热量Q 时，系统一方面将其转换为自身的内能E ∆，另一方面系统以做功W 的形式进行能量输出。因此，.

E Q W ∆−=而再实际应用中的热力系不可能像闭口热力系那样简单，往往是开口并且涉及其他因素。在此过程中会产生流动功、膨胀功、技术功、轴功等不同形式的类型。Q W

E ∆

图一.闭口系热功转换示意图

1.流动功（推动功）f

W 在开口系中当工质出入热力系时，由于后面（热力系外）的工质推动它，前面（热力系内）的工质阻碍它，即它在外界工质的推动下克服热力系内功之阻力才得以进入热力系。在此过程中，外界对热力系作功。同理，当工质流出热力系时，必须克服外界环境对它的阻力，热力系内工质必须对外界作功。因此，定义推动工质流入或流出热力系，外界或工质作的功为流动功或推动功。

图二.开口系示意图

如图二所示，开口系有流体在流道内流过。取出22,11−−两截面间的流体为热力系。两截面处流体的各参数分别标以下标2,1。当一定质量的流体从截面1进入热力系时。外界需克服1p 作推挤功。而当流体从截面2流出时，系统应对外界作推挤功22v p 。使流体从截面1流

入到截面2流出的流动过程中，系统付诸于质量迁移所作的功称为流动功，用f W 表示，则

1122v p v p W f −=（1-1）

写成微分形式有)

(pv d W f =δ（1-2）

图三.气缸压缩示意图

图四.压缩过程P-V 图

2.膨胀功W 体积变化功是系统工质体积变化所作的功（膨胀功或压缩功）,如图三，在所示气缸中，取气缸内工质为研究对象，其压力为P ,设活塞面积为A ,则系统作用于活塞的作用力为A P ⋅,当活塞向左移动x d 时,系统对活塞作功为

x d A P W ⋅⋅=δ（2-1）

活塞位置由1到2时，∫=2

1v Pd W （2-2）所以在V P −中，该过程所作的功相当于过程曲线下的面积。

3.技术功t

W 技术功指在工程技术上可以利用的功。它包括进出系统工质的宏观动能差、位能差和轴功，即

.212sh t W z mg c m W +∆+∆=（3-1）或.212sh t w z g c w +∆+∆=（3-2）

经过推到，对于可逆过程有.21∫−=Vdp W t （3-3）

或.2

1p vd w t ∫−=（3-4）和可逆过程的体积变化功一样，可逆过程的技术功也可以在V P −图上面积表示。

4.轴功sh

W 轴功指系统通过轴旋转与外界交换的功量称为轴功。轴功sh W 与技术功t W 之间存在如下关系：

.212sh t W z mg c m W +∆+∆=（4-1）

在实际应用中，应抓住热力设备和装置的用途，然后才能分析能量方程中哪些相是必须考虑的主要因素，那些相是次要因素。因此在处理以输出轴功为主要作用的动力机时，一般近视认为0,02≈∆≈∆z c 。因此.

t sh W W =5.几种功量之间的联系

在稳定流动系统能量方程式中，22/1c m ∆和z mg ∆是机械能，前者是工质的宏观动能的变化，后者是工质宏观是能的变化，它们均是技术上可资利用的功，当然，通过旋转轴与外界交换的轴功sh W ，更是技术上可资利用的功，因此将22/1c m ∆，z mg ∆，sh W 三者之和定义为技

术功t W ，即

.2

12sh t W z mg c m W +∆+∆=于是稳定流动系统的能量方程变换为：

.

t W H Q +∆=

既然稳定流动系统的能量方程可以理解为控制质量系统的能量方程，则上式变换为

.

)(t W PV U Q +∆+∆=将能量方程t W H Q +∆=带入上式得

.

2/1)(2sh f t f t W z mg c m W W W W PV W +∆+∆+=+=+∆=由上式可以看到，维持工质流动的流动功和可资利用的技术功均是由工质体积变化功转化而来。也说明工质的体积变化功是热能和机械能转换的唯一途径和源泉。

参考资料：

[1]:李传统.热工学[M].江苏：中国矿业大学出版社，1994.

[2]：傅秦生.热工基础要点与解析[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[3]：陈丙义.热力学过程中几种功量关系的探讨，平顶山：河南城建高等专科学校学报.