1热工(绪论+第一章)1、2

1
内 燃 机
绪 论 动力装置 工 质
1
绪 论 动力装置 工 质
1
绪 论 动力装置 工 质
燃气轮机
1
动力装置
二、工质．热源 1、工质：(working substance)
工 质 热 源
定义：实现热能与机械能相互转化的媒介物质
对工质的要求: 1）膨胀性; 2）流动性 3）热容量
物质三态中 气态最适宜。
热平衡 力平衡
系统外：不受外界影响； 与外界不发生不平衡势作用
3、特征： ①系统内各部分性质均匀一致， p 状态参数T,p,v各相等 ②状态参数可用一点来表示 p1 （p-v图上只能是平衡态）
1

1
v1
v
4、说明：
①温差、力差、化学势差、 势差存在---系统变化 是系统变化的动力 势差消失---系统平衡 不平衡势消失是达到热力系平衡的必要条件 ②只有平衡态才能在p-v图上表示 ③气液两相并存系统—非均匀平衡系 ④气体分子运动快—可视为平衡态 -工程热力学研究平衡态问题
p
p1

1
v1
v
-----温度到处相同
力平衡: mechanical equilibrium：
系统各部分无相对位移
---压力到处相同
状态方程 平衡状态 准 静态
平衡状态:同时有热平衡和力平衡 1
状态方程
2、平衡条件： 系统内：各部分无热量交换 各部分无相对位移
(T 0) (p 0)
平衡状态 准 静态
例 试按理想气体状态方程求空气在表列温 度、压力条件下的比体积v，并与实测值比较。 已知：空气气体常数Rg=287.06J/(kg· K) 解： v
R gT p 2 8 7 .0 6 3 0 0 101325 0 .8 4 9 9 2 m / k g
3
1
理想气体 状态方程 比 热 容
玻意尔定律 查理定律 盖 吕萨克定律
1
工程热力学
kg K
p V m R gT
p v R gT pV nRT p 0V 0 R T 0
1k g n m ol 1m o l 标 准 状 态
Pa
m3
气体常数：J/(kg.K)
R=MRg=8.3145J/(mol.K)
1
理想气体 状态方程 比 热 容
实测值
T/K
300 300 300 200 90
p/atm
1 10 100 100 1
v/
m /k g
3
v
测/ m /k g
3
误差（%）
0.02 0.26 0.58 23.18 2.99
0 . 02 %
0.84992 0.084992 0.0084992 0.005666 0.25498
v v测 v测
开耳文温标，绝对温 标）
1
热力状态 状态参数 状态方程
1
③热力学温标与摄 氏温标关系 t=T-273.15
热力状态 状态参数 状态方程
1
2）压力：
①定义：单位面积上的垂直作用力（压强） ②物理本质： 气体分子 运动理论
热力状态 状态参数 状态方程
装在容器中的大量分子，总是处于永远 不停的热运动之中，除了相互碰撞之外， 还不断地和容器壁碰撞。 大量分子碰撞容器壁的总结果，形成了 气体对容器壁的压力。
2、常用的状态参数：
热力状态 状态参数 状态方程
P （压力）、T（温度）、v（比体积）、 h（比焓）、u （比热力学能）、 s（比熵）…
其中
P、T、v、—可测量-——基本状态参数
H(h)、U(u)、 S(s)—可计算——可由基本状态 参数导出
1
3、基本状态参数
1）温度和温标—— temperature and temperature scale
一、热能动力装置(Thermal power plant) 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。
1
气体动力装置
绪 论 动力装置
(combustion gas power plant) 工 质 内燃机(internal combustion gas engine)
分类： 燃气轮机动力装置(gas turbine power ) 喷气动力装置(jet power plant) 蒸汽动力装置(steam power plant) 共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功— 排热
二、准静态过程(quasi-static process; quasi-equilibrium process) 1、定义：偏离平衡态无穷小，随时恢 复平衡的状态变化过程。 2、进行条件： 破坏平衡的势差—无穷小
p 0 T 0
准 静态 可逆过程
过程进行无限缓慢 工质有恢复平衡的能力 准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示 1
①定义:温度-标志物体冷热的程度的量
热力状态 状态参数 状态方程
温标- 温度的数值标度
热力学温标 (thermodynamics scal e; Kelvin scale; absolute emperature scale and internal
国际摄氏温标
↙
（Celsius temperature scale)
热工理论基础
工程热力学 传热学
能量转换
效率
1
热能的传递
工程热力学
thermodynamics
↙
热力学 动力
thermo
热
↘ dynamics
即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研 究。
绪论
热力学是研究能量、能量转换以及与能 量转换有关的物性间相互关系的科学。
• 工程热力学主要研究热能与机械能相互转换
4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
1
工
质
2、热源(heat source; heat reservoir)
热 源 热力系统
定义： 工质从中吸取或向之排出热能的物质 系统。
分类: • 高温热源（热源-- heat source ） 低温热源（冷源—heat sink）
• 恒温热源 (constant heat reservoir) 变温热源
状态方程 平衡状态
1
准 静态
§1－5工质的状态变化过程
一、热力过程: 定义：工质状态发生变化的过程 ①过程发生是平衡态被破坏的结果 ②有不平衡势又会建立新平衡
p
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
v
平衡状态 准 静态 可逆过程
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
1
平衡状态
过程功 热量
仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。
1
一、功
定义:力×位移=功 微元功:
dw 1 2 Fdx
可逆过程 过程功 热量
p
1
外力作用下
状态1——状态2的可逆过程中 力所做的膨胀功：
w 1 2 Fdx
1 2
p
dv p
F dx
1
2 v
dw 1 2 Fdx pAdx pdv
开口系统、闭口系统 绝 热系统、孤立系统
、
2.闭口系、开口系的定义
按系统与外界质量交换分： 闭口系—closed system （控制质量CM） —没有质量越过边界 开口系—open system （控制体积CV） —通过边界与外界有质量交换
1
热力系示例图
汽缸-活塞装置 （闭口系例）
热 源
1
热力系统
p 0, T 0
②耗散损失：摩擦、温差、压差、 电阻、涡流、、、
1
准 静态 可逆过程 过 程功
3、条件：准静态+无耗散损失
4、 可逆过程与准静态过程的关系
不可逆
非准静态
准静态
可逆
1
由于可逆过程中，系统时刻保持平衡，故某一气体状态的 可逆变化过程可在状态参数图上用一条实线表示。
p
非准平衡过程不能用压 容图上实线表示。
1
三、 热力系统、外界和边界 1、定义：
源自文库
热 源 热力系统
• 系统-thermodynamic system(system) ：
人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。 • 外界--surrounding ： 与体系发生质、能交换 的物系。 • 边界--boundary：
1 系统与外界的分界面（线）。
p
T
p
p1
状态参数 状态方程 平衡状态

1
T2

s2
1
2
p3

3
v1
v
s
T3
T
§1-4平衡状态
thermodynamic equilibrium state
1、定义：在不受外界影响的条件下 （重力场除外），如果系统的状态参数 不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 热平衡—thermal equilibrium： 系统各部分无热量交换
T
1 2
1
2 s
v
1
平衡状态 准 静态 可逆过程
可逆和不可逆
准 静态 可逆过程 过 程功
系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到 初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程
注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须 要回到初态的过程。 p
1
2
1
v
准 静态
可逆过程 讨论： 1.可逆=准静态+没有耗散效应
平衡状态
3、意义：
①非平衡态
准静态
平衡态
准 静态 可逆过程
抛开外界影响利用状态变化进行热力计算 ② 用连续曲线表示热力过程 ③实际过程 理想过程
活塞运动 ~10m/s 分子运动 ~ 340m/s
1
准 静态 可逆过程 过 程功
三、可逆过程-reversible process
1、定义：系统可经原途径返回原 来状态而在外界不留下任何变 化 的过程。 超导电流、无滞后磁化、极化、 磁力弹簧、无温差传热、、、、 2、特征：没有任何不可逆损失： ①非平衡损失：
热力系示例图
汽车发动机（开口系示例）
1
热力系统
§1-2热力状态和基本状态参数
1、定义：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 热力—区别于位置、流速、电磁、声光、
—系统宏观物理状况的综合 状态参数—state properties ——描述物系所处状态的宏观物 理量
1
热力状态 状态参数
一、热力状态： state of thermodynamic system
的规律，以及合理有效利用热能的基本理论。
1
能量能源
二、工程热力学的研究对象及主要内容
1、研究对象 热能 提高转化效率的途径
研究对象 主要内容
机械能的规律和方法
基本概念与基本定律
2、研究内容
热能转化成机械能的过程、循 环的分析及设计
常用工质的性质
1
第一章 基本概念
绪 论 动力装置 工 质
§1-1
热力系统
1
③压力的测量
p: 绝对压力
absolute pressure; pv
Pg:表压力
热力状态 状态参数 状态方程
pg
p pb
p
pv:真空度
↙ gauge pressure; manometer pressure
↘ vacuum vacuum pressure
Pb:大气压力
↙
local atmospheric pressure
②密度:单位容积内物质的质量
v
1

［kg/m3]
1
状态参数
§1-3
状态方程式
状态方程 平衡状态
基本状态参数（p,v,T)之间的关系？
f ( p, v, T ) 0
状态方程式
pv RT T v p
v
f ( p, T )
理想气体状态方程
1 v
不变， p 不变 , p T 不变 , v T
0.84925 0.08477 0.00845 0.0046 0.24758
0 . 84992 0 . 84925 0 . 84925
相对误差=
本例说明： 低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。 1
理想气体 状态方程 比 热 容
状态参数坐标图—parametric coordinates 一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面 坐标上一点确定其状态 反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：
可逆过程
dw 1 2 Fdx pAdx pdv
2
过程功 热量
W

δW
1

2
pAdx
1

2
pdV
1
功=广义力×广义位移 功可以用p-v图 上过程线与v轴 包围的面积表示
1
功的符号约定： 系统对外作功为“+”； 外界对系统作功为“-” 功的单位： J 功率的单位：
J /s W k J /s k W
1
④压力的关系
绝对压力 、表压力 pe（pg）、 真空度 pv、 当地大气压pb
p p b pe
( p pb )
p pb pv ( p pb )
热力状态 状态参数 状态方程
1
3）比体积（比容）及密度
①比体积:单位质量物质所占容积
热力状态 状态参数 状态方程
v
V m
［m3/kg]
可逆过程 过 程功
2.准静态过程：系统内部平衡， 可逆过程：系统内部及系统 与外界作用的总效果 3.一切实际过程不可逆 4.内部可逆过程（不要求系统与外界温差很小） 5.可逆过程可用状态参数图上实线表示
1
可逆过程
§1-6 过程功．热量
一 、功的热力学定义
通过边界传递的能 量其全部效果 可表现为举起重物 二、可逆过程的功 工质在可逆过程所作的功 三、过程热量