热力学基本概念

名词定义：
工质： 实现热能和机械能相互转化的媒介物质。
热源（高温热源） ： 工质从中吸取热能的物系。
冷源（低温热源） ： 接受工质排出热能的物系。
热能动力装置的工作过程可概括成：
工质从高温热源吸热，将其中一部分转 化为机械能而作功，并把余下部分传给低温 热源。
热源
吸热
热机
来自百度文库
作功
放热
冷源
§1-2 热力系统
§1-2 热力系统
3 工质
• 定义：用来实现能量相互转换的媒介 物质
气体
理想气体 实际气体 蒸气
• 理想气体：忽略气体分子的自身体积，将分子看 成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引 和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞 是完全弹性的，不造成动能损失。
• 真实气体：气体分子本身占有容积,分子与分子间 有相互作用力存在的实际气体称为真实气体。真 实气体不服从理想气体定律。天然气是真实气体。
W =pdV
2
W 1 pdV
1kg工质：
w =pdv
2
w 1 pdv
§1-7 过程功和热量
热量定义
热力系通过边界与外界的交换的能量中， 除了功的部分（不确切）。
另一定义：热量是热力系与外界相互作 用的另一种方式，在温度的推动下，以 微观无序运动方式传递的能量。
§1-7 过程功和热量
B 温度计
§1-3
温标：
温度的数值表示
基准点
热力状态
温标三要素
测温物质的性质
分度方法
绝对温标：符号T,单位K 新摄氏温标：符号t,单位℃
t(℃)=T(K)-273.15
5（F- 50º）= 9(C-10º)
绝对K
373.15
摄氏℃
水沸点 100
常用温标
华氏F
朗肯R
212
671.67
273.16 273.15
pg1 pA pb pA pg1 pb
⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故
pg2 pA pB pB pA pg2
⑶压力表3测得的是B室的相对压力，故
pg3 pB pb
§1-3 热力状态
其它压力测量方法
高精度测量：活塞式压力计 工业或一般科研测量：压力传感器
以气缸内气体为系 统，活塞表面上的边 界是移动边界，系统 与外界没有物质交换
§1-2 热力系统
热力系统其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
其它分类方式
工质种类
相态
单相 多相
单元系 多元系
§1-2 热力系统 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
压缩功 膨胀功
按是否直 接或容易 测量分
基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v
非基本状态参数
内能U、焓 H、熵S
a
状态参数的数学特征： 1
状态确定，则状态参数也确定
2 b
Z (x, y)
2
2
2
dz dz dz z2 z1
1
1,a
1,b
dz 0
§1-3 热力状态
二、基本状态参数
37.8
0.01 水三相点 0 冰熔点
发烧 100 32
-17.8
盐水熔点
0
559.67 491.67 459.67
0
-273.15
-459.67
0
§1-3 热力状态
温度的测量
温度计
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 刻度
温标
§1-3 热力状态
温度测量方法
日常：水银温度计，酒精温度计， 水温度计
3、平衡与稳定的比较
稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，
则状态变化
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
§1-4 平衡状态
4、平衡与均匀的比较
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
§1-4 平衡状态
5、为什么引入平衡概念？
如果系统平衡，可用一组确定的参数 （压力、温度）描述
§1-3 热力状态
2 比体积 v V ［m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度 ［kg/m3]
v 1

§1-3 热力状态
3 温度 T 传统：冷热程度的度量。 感觉，导热
热平衡
热力学第零定律
如果两个系统分别与 第三个系统处于
热平衡，则两个系统彼 此必然处于热平衡。
温度测量的理论基础
§1-2 热力状态
压力p测量
一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对 压力
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
当 p > pb 当 p < pb
绝对压力与相对压力
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
pe
p
pv
pb
p
例1：已知当地大气压力pb,及压力表1、 2的读数分别为pg1，pg2。求pg3？ 解：⑴压力表1测得的是A室的 相对压力，故
工业：热电偶，热敏电阻 计量：铂电阻温度计
§1-4 平衡状态
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。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
2、平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间不 存在不平衡势
§1-4 平衡状态
1、压力 p 气体分子撞击器壁的统计（平均）效果
物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位：
1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa
2 v
常见p-v图和T-s图
⑶不平衡态无法在图上用 实线表示
§1-6 热力过程
1、准平衡过程 但平衡状态是死态，没有能量交换
⑴热力学引入准平衡过程？
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
无法简单描述
§1-6 热力过程 准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >> （驰豫时间）
v f ( p,T) f ( p,v,T) 0
状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、 v、T之间的关系
状态方程式的具体形式取决于工质的性质
§1-5 状态方程、状态参数坐标图
3、坐标图
简单可压缩系 N=2，平面坐标图
p 1
说明： ⑴系统任何平衡态可表示在
坐标图上
⑵过程线中任意一点为平衡态
b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的 推动下，通过有序运动方式传递的能量。
§1-7 过程功和热量
功的一般表达式
w Fdx w Fdx
热力学最常见的功 容积变化功
w pdv w pdv
§1-7 过程功和热量
可逆过程的功
mkg工质：
p
1
p 1
W 2 V
p外 2
制热循环：制热系数
T1
Q1
W
Q2
T0
理想气体状态 方程
研究对象
热现象 : 与温度有关的物理性质的变化。 热运动 : 构成宏观物体的大量微观粒子的永不 休止的无规运动 .
研究对象特征
单个分子 — 无序、具有偶然性、遵循力学规律. 整体（大量分子）— 服从统计规律 .
直接微测观量量）：，描如述分个子别的分m子, v运等动状. 态的物理量（不可
只交换热
§1-2 热力系统
边界特性
固定、活动
真实、虚构
§1-2 热力系统
2 热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有
是否传质
开口系
是否传热 是否传功
非绝热系 非绝功系
是否传热、功、质 非孤立系
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
§1-2 热力系统
以空间为系统，进、出 口边界均为假想边界，系 统与外界有物质交换
《工程热力学》
第一章 基本概念
第一章 基本概念
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。
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。
§1-1 热能和机械能转换
• 蒸气 根据压力和温度对各种蒸汽的分类为：饱和 蒸汽，过热蒸汽。蒸汽主要用途有加热/加湿；产 生动力；作为驱动等 。
§1-3 热力状态
一、状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况
状态参数：描述热力系状态的物理量
状态参数分类：
强度参数：无关
按与所含 工质的量 有关否分
如压力 p、温度T
广延参数：有关可加性
能量交换
状态变化
如何描述
破坏平衡
§1-5 状态方程、状态参数坐标图
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
想确切描述某个热力系，是否 需要所有状态参数？
§1-5 状态方程、状态参数坐标图
一、状态公理
• 针对纯物质——无化学反应的 组元一定的闭口系 系统
N=n+1
系统独立 状参个数
热 功的形式数
§1-5 状态方程、状态参数坐标图
独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1
n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
§1-5 状态方程、状态参数坐标图
2、状态方程
• 温度、压力和比体积这三个基本状态参 数之间的函数关系是最基本的热力学函数 关系，称为状态方程
热能动力装置：
从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力 的设备。
化学能
热能
机械能
热能动力装置分为两大类： 燃气动力装置（内燃机、燃气轮机） 蒸汽动力装置（蒸汽轮机）
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：
燃料 化学能
燃气 热能
机械能
排入大气
蒸汽动力装置
• 作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却 水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。
比较上述两种热机
不同点：构造和工作特性不同。 相同点： • 存在某一种媒介物质以获得能量；
（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水） • 存在能提供热能的能量源； • 余下的热能排向环境介质。
结论：
各种形式的热机都存在以下几个相同的 热力过程：吸热、膨胀作功和排热。
如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
§1-3 热力状态
比参数： v V
m
比容
uU m
比内能
h H m
比焓
s S m
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质
§1-3 热力状态
强度量与广延量
速度 高度 温度
（强） （强） （强）
动能 位能 内能
（广） （广） （广）
§1-3 热力状态
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
§1-6 热力过程
可逆过程
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。
§1-6 热力过程
• 典型的不可逆过程
不等温传热
自由膨胀
T1
Q
T1>T2
T2
过程的热量
T Q
Q TdS
S
§1.8 热力循环
要实现连续作功，必须构成循环
定义：热力系统经过一系列变化后，又 回到原初始状态的一系列变化过程称为 热力循环。
分类：
可逆
过程
不可逆
可逆循环 循环
不可逆循环
§1.8 热力循环
正循环
正循环：顺时针方向
p1
T
2
2
1
净效应：对外作功
V 净效应：吸热 S
2
3
1
45
8
9
6 7
1－锅炉 2－沸水管 3－汽锅 4－过热器 5－汽轮机
6－发电机 7－冷凝器 8－泵 9－蓄水池
蒸汽动力装置工作过程： • 燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使
之变为蒸汽，并在过热器内过热，成为过热 蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；
• 高温高压（相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮 机作功（机械能）；
1 系统与边界
热力系统（热力系）： 人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质
系统
外界：热力系统以外的部分
边界：系统与外界之间的分界面
边界可以是实在的，也可以是假想的； 可以是固定的，也可以是移动的
§1-2 热力系统 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
只交换功 既交换功 也交换热
•• ••
• ••
•• •
•• ••
•••
真空
§1-6 热力过程
节流过程 (阀门）
混合过程
p1
p2
p1>p2
•• ••
• ••
★ ★★ ★
★ ★ ★
•• •
•
••
•• ••
★★ ★ ★
★
★ ★
§1-7 过程功和热量
功的定义
1、力学定义: 力 在力方向上的位移 2、热力学定义
a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界 的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对 外作功。
§1.8 热力循环
逆循环
逆循环：逆时针方向
p1
T
2
21 净效应：对内作功 V 净效应：放热 S
§1.8 热力循环
正循环：净效应（对外作功，吸热）
动力循环：热效率
T1
Q1
W
Q2
T2
§1.8 热力循环
逆循环：净效应（对内作功，放热）
制冷循环：制冷系数
T0
Q1 W
Q2
T2
§1.8 热力循环
逆循环：净效应（对内作功，放热）