工程热力学课件第12章

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二、工质
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 工质是实现能量转换必不可少的内部条件
对工质的要求: 1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
物质三态中 气态最适宜。
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三、热源
定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 • 高温热源—热源 低温热源—冷源 • 恒温热源 变温热源
dx 0 dx dx
1b2
1a2
3．状态参数分类
(1)广延量:
与系统的量有关，有可加性；如体积、热力学能等；
(2)强度量：
与系统的量无关，无可加性，如温度、压力等。
又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积
v
V
m
工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。 22
三、系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件： 所有状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的状态参数对应相等
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二、系统及边界示例
• 汽车发动机
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• 移动和虚构边界
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注意：
1.系统与外界的作用都通过边界，不画边界进行热 力学研究无意义。
2.热力系统的选取，取决于所提出的研究任务，但 不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守统计平 均规律。
3.边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的
• 压缩冲程：进气门和 排气门都关闭，活塞 向上运动，燃料混合 物被压缩（机械能转 化为内能）
• 做功冲程：在压缩冲 程结束时，火花塞（ 柴油机为喷油嘴）产 生电火花，使燃料猛 烈燃烧，产生高温高 压气体。高温高压的 气体推动活塞向下运 动，带动曲轴转动， 对外做功。（内能转 化为机械能）
• 排气冲程：进气门关 闭，排气门打开，活 塞向上运动，把废气 排出缸外。
热动力装置工作可以概括为：
工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能， 把另一部分热能传给低温热源。
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1-2 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界
一、定义
• 系统 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。
• 外界： 与体系发生质、能交换的物系。
• 边界： 系统与外界的分界面（线）。
第一章 基本概念及定义
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态 1-5 工质的状态变化过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环
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1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置
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。
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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
只交换热
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三、热力系分类
1. 按组元和相分 按组元数
单元系 多元系
按相数 单相系 复相系
注意：1）不计恒外力场影响；
2）复相系未必不均匀—湿蒸汽； 单元系未必均匀—气液平衡分离状态。
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2. 按系统与外界质量交换 闭口系（closed system）
热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅 汽轮机 炉
乏汽 循环水
冷凝器
水泵
冷却水
高温热源 吸热Q1 作功W
热机 机械能
放热Q2 低温热源
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为使热能源源不断地转化为机械能必须：
1. 凭借工质作为媒介物质； 2. 工质源源不断地从高温热源吸收热量； 3. 工质热力学状态发生循环往复的连续变化； 4. 向温度较低的热源排出一部分热量。
工质的热力学状态：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现 的宏观物理状态。
Fra Baidu bibliotek—系统宏观物理状况的综合 状态参数
—描述物系所处状态的宏观物理量
二、状态参数的特性和分类
1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平 衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如
p,V ,T,U, H, S
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2．状态的单值函数 物理上—与过程无关； 数学上—其微量是全微分。
燃气动力装置
内燃机
分
燃气轮机装置
类
喷气发动机
……
蒸气动力装置
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内燃机工作原理
燃气轮机装置和喷气发动机也 是典型的燃气动力装置。燃料 与助燃气体在燃烧设备中燃烧， 化学能转化为热能，燃气膨胀 作功，作功后的废气排除装置 同时向环境介质排热
内燃机工作原理
• 吸气冲程：进气门打 开，排气门关闭，活 塞向下运动，雾状汽 油和空气的混合物进 入气缸内。
将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物
体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡。人们
把这一宏观物理性质称为温度。所以温度是热平衡的
判据 。
温度相等
热平衡
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（2）热力学第零定律：
如果两个物体中的每一 个都分别与第三个物体处于 热平衡，则这两个物体彼此 也必处于热平衡。
（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
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开口系统的分类： (1)不稳定流动开口系统 (2)稳定流动开口系统
稳定流动开口系统中的质量及状态参数不随时间变化。
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3. 按能量交换 绝热系— 与外界无热量交换; 孤立系— 与外界无任何形式的质能交换。
4. 简单可压缩系 —由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。
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注意：
1）闭口系与系统内质量不变的区别；稳定流动开口系统 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
孤立系统=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和 =一切热力系统连同相互作用的外界
孤立系统一定是闭口系；反之则不然。孤立系统一定 是绝热系统；绝热系统不一定是孤立系统。
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四、热力系示例
1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝
红线内 ——闭口绝热系
黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
兰线内
——孤立系
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2．刚性绝热喷管
取红线为系统— 闭口系
取喷管为系统—
开口系绝热系
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1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
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四、基本状态参数
工程热力学中常用的状态参数有压力、温 度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等， 其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、 比体积，称为基本状态参数。
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（一）温度和温标
（1）温度的物理意义
温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低 反映物体内部微观粒子热运动的强弱。
当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间