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1、1 1热工理论基础工程热力学 传热学能量转换热能的传递效率工程热力学工程热力学工程热力学工程热力学即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研即由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究究究究。thermodynamicsthermothermo热热热热dynamicsdynamics 动力动力动力动力热力学热力学热力学热力学1 1工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的规律，以及合理有效利用热能的基本理论。热力学是研究能量、能量转换以及与能热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科
2、学。量转换有关的物性间相互关系的科学。绪论绪论1 1二、工程二、工程热力学的研究力学的研究对象及主要内容象及主要内容 热能热能 机械能机械能的规律和方法的规律和方法 提高转化效率的途径提高转化效率的途径1、研究对象2、研究内容、研究内容基本概念与基本定律基本概念与基本定律热能转化成机械能的过程、循热能转化成机械能的过程、循环的分析及设计环的分析及设计常用工质的性质常用工质的性质主要内容主要内容研究对象能量能源1 1第一章第一章 基本概念基本概念1-1 1-1 热力系统热力系统一、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定义：从燃料燃烧中获得热能并
3、利用热能得到动力的整套设备能得到动力的整套设备。动力装置工工工工 质质质质绪 论1 1分类：共同本质：共同本质：由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 燃气燃气轮机动力装置轮机动力装置(gasturbinepower)喷气动力装置喷气动力装置(jet(jetpowerpowerplant)plant)蒸汽蒸汽动力装置动力装置(steam(steampowerpowerplant)plant)气体动力装置气体动力装置(combustiongaspowerplant)内燃机内燃机(internalcombustiongasengine)动力装置工工工工 质质质质绪 论1 1内内燃
4、燃机机动力装置工工工工 质质质质绪 论1 1动力装置工工工工 质质质质绪 论1 1燃气轮机燃气轮机动力装置工工工工 质质质质绪 论1 11、工质：、工质：(workingsubstance)定义：定义：实现热能与机械能相互转化的媒介物质实现热能与机械能相互转化的媒介物质二、工质热源二、工质热源对工质的要求:物质三态中气态气态最适宜。1）膨胀性膨胀性;2）流动性流动性3）热容量热容量4）稳定性，安全性稳定性，安全性5）对环境友善对环境友善6）价廉，易大量获取价廉，易大量获取动力装置工工工工 质质质质热 源1 12、热源(heatsource;heatreservoir)工质从中吸取或向之排出热能
5、的物质工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。系统。高温热源（热源高温热源（热源-heatsource）低温热源（冷源低温热源（冷源heatheatsinksink）恒温热源恒温热源(constantheatreservoir)变温热源变温热源分类分类:定义定义：热力系统工工工工 质质质质热 源1 1系统系统-thermodynamicsystem(system)：人为分割出来，作为热力学人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。研究对象的有限物质系统。边界边界-boundary：系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。热力系统、外界和边界热力系统、外界和边界三、三、1、定义
6、定义：外界外界-surrounding：与体系发生质、能交换与体系发生质、能交换的物系。的物系。热力系统热 源开口系统、闭口系统、绝热系统、孤立系统1 1按系统与外界质量交换分按系统与外界质量交换分：闭口系闭口系closedclosedsystemsystem（控制质量CM）没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系open system open system（控制体积CV）通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换2.2.闭口系闭口系、开口系的定义、开口系的定义1 1汽缸汽缸-活塞装置活塞装置（闭口系例）（闭口系例）热力系示例图热力系示例图热力系统热 源1 1汽车发动机（开口系示
7、例）汽车发动机（开口系示例）热力系示例图热力系示例图1 11-21-2热力状态和基本状态参数热力状态和基本状态参数一、一、热力热力状态：状态：stateofthermodynamicsystem1 1、定义：某一瞬间热力系所呈现的、定义：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况宏观状况热力热力区别于位置、流速、电磁、声光、区别于位置、流速、电磁、声光、系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数状态参数statestatepropertiesproperties 描述物系所处状态的宏观物描述物系所处状态的宏观物理量理量状态参数状态参数热力状态热力状态热力系统热力系统1 12 2、常用的状态参数
8、：、常用的状态参数：P P（压力）、（压力）、T T（温度）、（温度）、v v（比体积）、（比体积）、h h（比（比焓）、u u（比（比热力学能）、s s（比（比熵）其中其中 P P、T T、v v、可测量可测量-基本状态参数基本状态参数 H(h)H(h)、U(u)U(u)、S(s)S(s)可计算可计算可由基本状态可由基本状态参数导出参数导出状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 13 3、基本状态参数、基本状态参数1 1 1 1）温度和温标温度和温标temperatureandtemperaturescale热力学温标 国际摄氏温标（Celsiustemperaturescale
9、)(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absoluteemperaturescaleandinternal开耳文温标，绝对温标）温标温标-定义定义:温度温度-标志物体冷热的程度的量标志物体冷热的程度的量温度的数值标度温度的数值标度状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 1状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 1 热力学温标与摄氏温标关系t=T-273.15t=T-273.15状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 12）压力：压力：定义：单位面积上的垂直作用力（压强）定义：单位面积上的垂直作用力（压强）装在容器中的大量分子，总
10、是处于永远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，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。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。气体对容器壁的压力。物理本质：物理本质：气体分子气体分子运动理论运动理论状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 1pgppbpvpP Pg g:表压力表压力p p:绝对压力P Pb b:大气压力大气压力 p pv v:真空度真空度压力的测量压力的测量gaugepressure;manometerpressureabsolutepressu
11、re;vacuumvacuumpressurelocalatmosphericpressure 状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 1压力的关系压力的关系绝对压力绝对压力 、表压力表压力pe（pg）、真空度真空度pv、当地大气压当地大气压pb状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 13 3）比体积（比体积（比容）比容）及密度及密度比体积比体积:单位质量物质所占容积单位质量物质所占容积密度密度:单位容积内物质的质量单位容积内物质的质量m3/kgkg/m3状态参数状态参数热力状态热力状态状态方程状态方程1 1工程热力学工程热力学热能热能 机械能机械能工质、热机工质、热机
12、工质、热机工质、热机闭口系、开口系、绝热系、孤立系闭口系、开口系、绝热系、孤立系-宏观热力学宏观热力学宏观热力学宏观热力学常用的状态参数：常用的状态参数：P P（压力）、（压力）、T T（温度）、（温度）、v v（比体积）、（比体积）、h h（比（比焓）、u u（比（比热力学能）、s s（比（比熵）0),(=Tvpf平衡态、准静态pv1p1v11 1状态方程式状态方程式基本状态参数（基本状态参数（p p,v v,T T)之间的关系？之间的关系？状态方程状态方程状态参数状态参数平衡状态平衡状态0),(=Tvpf),(Tpfv=1-3 1-3 状态方程式状态方程式1 1气体常数：J/(kg.K)P
13、am3kgKR=MRg=8.3145J/(mol.K)比比热热容容理想气体理想气体状态方程状态方程工程热力学工程热力学工程热力学工程热力学1 1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/(kgK)解：比比热热容容理想气体理想气体状态方程状态方程1 1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。实测值比比热热容容理想气体理想气体状态方程状态方程1 1状态参数坐标图状态参数坐标图parametric coordinates一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用
14、平面坐标上一点确定其状态。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：反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：pv0p0v0Ts0T0s0pT0p0T0状态方程状态方程状态参数状态参数平衡状态平衡状态0),(=Tvpf国际上把压力为101325Pa、温度为0（即273.15K）的状态规定为标准状态。条件：平衡状态条件：平衡状态1 11-41-4平衡状态平衡状态thermodynamicequilibriumstate1、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。热平衡热平衡thermalequilibrium：系统各
15、部分无热量交换系统各部分无热量交换力平衡力平衡:mechanicalequilibrium：系统各部分无相对位移系统各部分无相对位移平衡状态平衡状态:同时同时有热平衡和力平衡有热平衡和力平衡-温度到处相同温度到处相同-压力到处相同压力到处相同状态方程状态方程平衡状态平衡状态准准静静态态pv1p1v11 12 2、平衡平衡条件：条件：系统内：各部分无热量交换系统内：各部分无热量交换各部分无相对位移各部分无相对位移系统外：不受外界影响；系统外：不受外界影响；与外界不发生不平衡势作用与外界不发生不平衡势作用热平衡热平衡力平衡力平衡3、特征：、特征：系统内各部分性质均匀一致，系统内各部分性质均匀一致，
16、状态参数状态参数T,p,v各相等各相等 状态参数可用一点来表示状态参数可用一点来表示（p-vp-v图上只能是平衡态）图上只能是平衡态）状态方程状态方程状态方程状态方程平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态准准准准 静静静静 态态态态pv1p1v11 1势差存在-系统变化势差消失-系统平衡温差、压力差、化学势差、是系统变化的动力4、说明：不平衡势消失是达到热力系平衡的必要条件只有平衡态才能在p-v图上表示气液两相并存系统非均匀平衡系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状态方程状态方程平衡状态平衡状态准准静静态态1 11 15 5工质的状态变化过程工质的状态变化过程破坏平衡所需时间破坏
17、平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程一、热力过程一、热力过程:定义：工质状态发生变化的过程定义：工质状态发生变化的过程 过程发生是过程发生是平衡态平衡态被被破坏的结果破坏的结果有不平衡势又会建立新平衡有不平衡势又会建立新平衡pv平衡状态平衡状态可逆过程可逆过程准准静静态态1 1二、准静态过程二、准静态过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)1、定义：偏离平衡态无穷小，随时恢定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态
18、变化过程复平衡的状态变化过程。过程进行无限缓慢过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力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准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示 破坏平衡的势差破坏平衡的势差 无穷小无穷小2、进行条件进行条件：平衡状态平衡状态可逆过程可逆过程准准静静态态1 13、意义：非平衡态 平衡态准静态抛开外界影响利用状态变化进行热力计算用连续曲线表示热力过程实际过程理想过程活塞运动10m/s分子运动340m/s平衡状态平衡状态可逆过程可逆过程准准静静态态1 1 三、可逆过程三、可逆过程-reversibleprocess1 1、定义、定义：系统可经原途径返回原系统可
19、经原途径返回原来状态而在来状态而在外界外界不留下任何变不留下任何变化化的过程的过程。过过程程功功可逆过程可逆过程准准静静态态2、特征：没有任何不可逆损失：非平衡损失：耗散损失：摩擦、温差、压差、电阻、涡流、超导电流、无滞后磁化、极化、磁力弹簧、无温差传热、1 14 4、过过程程功功可逆过程可逆过程准准静静态态可逆过程与准静态过程的关系 不可逆不可逆 非准静态非准静态 准静态准静态 可逆可逆3、条件：准静态+无耗散损失 1 1非准静态（不可逆）过非准静态（不可逆）过程不能用压容图上实线程不能用压容图上实线表示。表示。T1 s 2 12 2pv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
20、变化过程可在状态参数图上用一条实线表示（准静态）。平衡状态平衡状态可逆过程可逆过程准准静静态态1 1 可逆过程可逆过程 1.可逆可逆=准静态准静态+没有没有耗散效应耗散效应 2.准静态过程：系统内部准静态过程：系统内部平衡平衡，可逆过程可逆过程：系统内部及系统：系统内部及系统 与外界作用的总效果与外界作用的总效果 3.一切实际过程不可逆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）内部可逆过程（不要求系统与外界温差很小）5.可逆过程可用可逆过程可用状态参数状态参数图上实线表示图上实线表示 讨论讨论：过过程程功功可逆过程可逆过程准准静静态态1 11-6 1-6 过程功热量过程功
21、热量通过边界传递的能通过边界传递的能量其全部效果量其全部效果可表现为举起重物可表现为举起重物二、可逆过程的功二、可逆过程的功三、过程热量三、过程热量仅仅由于温差而仅仅由于温差而通过边界传递的能量通过边界传递的能量。一一、功的热力学定义、功的热力学定义工质在可逆过程所作的功工质在可逆过程所作的功热热量量 过程功过程功可逆过程可逆过程1 1一、功一、功定义定义:力力位移位移=功功微元功微元功:p pv vp pdvdv1 12 2外力作用下外力作用下状态状态1 1状态状态2 2的的可逆过程可逆过程中中力所做的膨胀功：力所做的膨胀功：p pd dx xF F热热量量 过程功过程功可逆过程可逆过程1
22、1功可以用功可以用p-vp-v图图上过程线与上过程线与v v轴轴包围的面积表示包围的面积表示热热量量 过程功过程功可逆过程可逆过程功功=广义力广义力广义位移广义位移1 1 功的符号约定功的符号约定：系统对外作功为系统对外作功为“+”；外界对系统作功为外界对系统作功为“-”功的单位：功率的单位：附：膨胀功为正，膨胀功为正，压缩功为负压缩功为负过过程程功功可逆过程可逆过程准准静静态态1 1 讨论：功、可逆过程的功功、可逆过程的功1 1、有用功、有用功(useful(useful work)work)概念概念其中W膨胀功(compression/expansion)Wl摩擦耗功；Wp=排斥大气功pb
23、f热热量量 过程功过程功可逆过程可逆过程1 12 2、膨胀功和压缩功、膨胀功和压缩功体积功体积功系统对外作功为系统对外作功为“+”；外界对系统作功为外界对系统作功为“-”1 1三、三、热量热量-heat符号约定：系统吸热系统吸热“+”定义定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而通过边界传递的能量通过边界传递的能量。单位：计算式及状态参数图热量是过程量热量是过程量过过程程功功热力循环热力循环热热量量功功=广义力广义力广义位移广义位移温熵图S-熵1 1熵：是状态参数S-熵：温熵图1 1热量与功的异同热量与功的异同：1.通过边界传递的能量通过边界传递的能量；2.过程量过程量；功功热是无条件的；热是无条件的
24、；热热功是有条件、限度的功是有条件、限度的。过过程程功功热力循环热力循环热热量量同同3.功传递功传递:压力差推动，比体积变化是作功标志；压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递热量传递:温差推动，比熵变化是传热的标志温差推动，比熵变化是传热的标志；4.功功:物系间通过物系间通过宏观运动宏观运动发生相互作用传递的能量；发生相互作用传递的能量；热热:物系间通过紊乱的物系间通过紊乱的微粒运动微粒运动发生相互作用发生相互作用而传递而传递而传递而传递的能量。的能量。的能量。的能量。异异1 11-7热力热力循环循环 thermodynamiccycle 定义定义：封闭的热力过程封闭的热力过程特性特性：一
25、切状态参数恢复原值一切状态参数恢复原值，即热力循环热力循环热热量量热热效效率率状态参数状态参数:点点热力过程：线热力过程：线热力热力循环：面循环：面1 1可逆热力循环可逆热力循环pv1 12 23 34 44433W0w w2 2热源热源工质工质冷源冷源W0q1q2W1:膨胀功膨胀功1234W2:压缩功压缩功4334W0:净功净功阴影部分阴影部分热力循环热力循环热热量量热热效效率率pv1 12 23 34 44433w w2 2不可逆热力循环不可逆热力循环可逆循环与不可逆循环可逆循环与不可逆循环(reversible(reversiblecyclecycleandand irreversibl
26、e irreversiblecyclecycle)1 1 热力循环热力循环 动力循环（正向循环）动力循环（正向循环）-power cycle;-power cycle;direct cycle direct cycle 输出净功；输出净功；在在p pv v图及图及T Ts s图上顺时针进行；图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方；热力循环热力循环热热量量热热效效率率1 1逆向循环逆向循环(reverse cycle)(reverse cycle)制冷循环(refrigeration cycle)热泵循环(heat-pump cycle)一
27、般地讲：输入净功；输入净功；在状态参数图逆时针运行；在状态参数图逆时针运行；吸热小于放热。吸热小于放热。热力循环热力循环热热量量热热效效率率1 1热效率热效率热力循环的经济性用热效率热力循环的经济性用热效率衡量衡量工程热力学的主要任务之一就是提高工程热力学的主要任务之一就是提高t热力循环热力循环小小结结热热效效率率w w0 0q q1 1t1 1热力循环的热力循环的经济性经济性经济性指标：动力循环：热效率(thermalefficiency)制冷循环：制冷系数(coefficientofperformancefortherefrigerationcycle)供暖系数(coefficientof
28、performance fortheheat-pumpcycle)热力循环热力循环小小结结热热效效率率1 1 a）状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子 的宏观表现宏观表现，只有平衡态平衡态才有状 态参数，系统有多多个状态参数 b）状态参数的特性状态参数的特性状态的单值函数状态的单值函数状态参数在数学上表现为是点的函数，它沿闭合路径状态参数在数学上表现为是点的函数，它沿闭合路径的积分为零。的积分为零。状态参数特点小结：状态参数特点小结：物理上与过程无关与过程无关 数学上其微量是全微分其微量是全微分热力循环热力循环小小结结热热效效率率1 1习题：Pg231、当大气压力为97990 Pa时，
29、由压力表测得汽缸内的表压力为0.5MPa,现因气候变化，大气压力为98700 Pa,压力表的读数应为多少Pa?5、5kg空气在温度t1=20、压力p1=7105 Pa 时储存在容器中，由于空气泄漏，经过一段时间后，容器中的状态成为温度t2=10、压力p1=4105 Pa.试计算空气泄漏多少千克？1 11、用斜管压力计测量锅炉烟道中烟气的真空度（如图），管子的倾斜角=30压力计中使用重度=0.8g/cm3的煤油，斜管中液柱长度l=200mm,当地大气压pb=745mmHg.求烟气的真空度和绝对压力（以Pa为单位）。2、有两容器，容器A的容积为0.3m3，其中装有压力为0.6MPa、温度为60的氮气。容器B为真空。若把两容器连通，使氮由A流入B，当容器B中的压力达到0.15MPa，温度达到20，容器A的压力降到0.4MPa，温度变为50,试求容器B的容积。lpb