第一章传热学基本概念.ppt

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1、第一章 基本概念11 热能在热机中转变成机械能的过程12 热力系统13 工质的热力学状态及基本状态参数14 平衡状态、状态方程式、坐标图15 工质的状态变化过程16 过程功和热量17 热力循环11 热能在热机中转变成机械能的过程 热力工程利用矿物燃料的化学能热力工程利用矿物燃料的化学能燃烧产生热能燃烧产生热能转变为机械能转变为机械能蒸汽动力装置蒸汽动力装置上述整套设备上述整套设备为热动力装置为热动力装置内燃动力装置内燃动力装置在当今热力工程所利用的热源物在当今热力工程所利用的热源物质主要是矿物燃料。质主要是矿物燃料。从燃料燃烧中得到热能，以及利从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的整套设

2、备（包用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称热能动力装括辅助设备），统称热能动力装置。置。内燃机的主要部分为气缸、活塞内燃机的主要部分为气缸、活塞（图（图1-1）内燃机工作时，活塞作往内燃机工作时，活塞作往复运动由于这一运动并借助于连复运动由于这一运动并借助于连杆和曲柄使内燃机曲轴转动，以带杆和曲柄使内燃机曲轴转动，以带动工作机器。动工作机器。图图1-1气缸与活塞气缸与活塞燃料和空气的混合物在气缸中燃燃料和空气的混合物在气缸中燃烧，释放热能，燃气的温度、压烧，释放热能，燃气的温度、压力大大高于周围介质的温度和压力大大高于周围介质的温度和压力而具备作功的能力。力而具备作功的能力。它在气缸

3、中膨胀作功；它在气缸中膨胀作功；推动活塞，气体的能量通过曲柄推动活塞，气体的能量通过曲柄连杆机构传给装在内燃机曲轴上连杆机构传给装在内燃机曲轴上的飞轮，转变成飞轮的动能；的飞轮，转变成飞轮的动能；飞轮的转动带动曲轴，向外输出飞轮的转动带动曲轴，向外输出轴功，同时完成活塞的逆向运动，轴功，同时完成活塞的逆向运动，排出废气，为下一轮进气作好准排出废气，为下一轮进气作好准备。备。每经过一定的时间间隔，空气和每经过一定的时间间隔，空气和燃料即被送入气缸中，并在其中燃料即被送入气缸中，并在其中燃烧、膨胀，推动活塞作功。燃烧、膨胀，推动活塞作功。活塞不断地往复运动，曲轴则连活塞不断地往复运动，曲轴则连续回

4、转。飞轮从气体那里所得到续回转。飞轮从气体那里所得到的能量，除了部分作为带动活塞的能量，除了部分作为带动活塞逆向运动所需的能量外，其余部逆向运动所需的能量外，其余部分传递给工作机械加以利用。分传递给工作机械加以利用。排出的废气把一部分燃料化学能排出的废气把一部分燃料化学能转换来的热能排向环境大气转换来的热能排向环境大气。蒸汽动力装置的系统简图如图蒸汽动力装置的系统简图如图1-2所示。所示。这是由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组成这是由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组成的一套热力设备。的一套热力设备。燃料在锅炉中燃烧，使化学能转变为热能，燃料在锅炉中燃烧，使化学能转变为热能，锅炉沸水管内的水吸热后变为蒸

5、汽，并且锅炉沸水管内的水吸热后变为蒸汽，并且在过热器内过热，成为过热蒸汽。在过热器内过热，成为过热蒸汽。此时蒸汽的温度、压力比外界介质（空气）此时蒸汽的温度、压力比外界介质（空气）的温度及压力高，具有作功的能力。当它的温度及压力高，具有作功的能力。当它被导入汽轮机后，先通过喷管膨胀，速度被导入汽轮机后，先通过喷管膨胀，速度增大，热力学能转变成动能。增大，热力学能转变成动能。蒸汽动力装置蒸汽动力装置基本特点基本特点锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器1、热源，冷源热源，冷源2、工质（水，蒸工质（水，蒸 汽）汽）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 (加压、加热、加压、

6、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热)图图1-2蒸汽动力装置蒸汽动力装置具有一定动能的蒸汽推动叶片，使轴具有一定动能的蒸汽推动叶片，使轴转动作功。转动作功。作功后的乏汽从汽轮机进人冷凝器，作功后的乏汽从汽轮机进人冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。锅炉加热。如此周而复始，通过锅炉、汽轮机、如此周而复始，通过锅炉、汽轮机、冷凝器等不断把燃料中的化学能转变冷凝器等不断把燃料中的化学能转变而来的热能中的一部分转变成功，其而来的热能中的一部分转变成功，其余部分则排向环境介质。余部分则排向环境介质。工程热力学不深入研究各种热机的具体工程热力学不深入研究各种热机

7、的具体结构和各自的特性，而是抽取所有热机结构和各自的特性，而是抽取所有热机的共同问题进行探讨。从上述两种热机的共同问题进行探讨。从上述两种热机的工作情况看出，它们构造不同，工作的工作情况看出，它们构造不同，工作特性不同。例如，特性不同。例如，1.活塞式内燃机的燃烧、膨胀、压缩和活塞式内燃机的燃烧、膨胀、压缩和排气都发生在气缸内，而且可以说气体排气都发生在气缸内，而且可以说气体的膨胀过程发生在气体无宏观运动的状的膨胀过程发生在气体无宏观运动的状况下；况下；内燃机内燃机装置装置空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气internalcombustionengine内燃机内燃

8、机装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环(加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热)2.蒸汽动力装置中：蒸汽动力装置中：3.工质的吸热、膨胀、冷凝等过程分别工质的吸热、膨胀、冷凝等过程分别发生在不同的设备里，发生在不同的设备里，4.而且蒸汽虽然在进入喷管时速度较低而且蒸汽虽然在进入喷管时速度较低(2050m/s)，但膨胀后冲出喷管时，但膨胀后冲出喷管时蒸汽的速度却很大蒸汽的速度却很大(5001200m/s)，5.因此蒸汽的膨胀过程是发生在有宏观因此蒸汽的膨胀过程是发生在有宏观运动时。运动时。火力发电装置基本特点火

9、力发电装置基本特点锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器1、热源，冷源热源，冷源2、工质（水，蒸工质（水，蒸 汽）汽）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热)3.其他型式的热机可能还有另外的方式其他型式的热机可能还有另外的方式和特性。和特性。4.但是概括地看来，无论哪一种动力装但是概括地看来，无论哪一种动力装置，总是用某种媒介物质从某个能源置，总是用某种媒介物质从某个能源获取热能从而具备作功能力并对机器获取热能从而具备作功能力并对机器作功，最后又把余下的热能排向环境作功，最后又把余下的热能排向环境介质。介质。燃气装

10、置基本特点燃气装置基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热)压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气制冷空调制冷空调装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（制冷剂）工质（制冷剂）3、得到容积变化功得到容积变化功4、循环循环(加压、放热、加压、放热、膨胀、吸热膨胀、吸热)5.上述这些过程上述这些过程吸热、膨胀作功、吸热、膨胀作功、排热对任何一种热能动力装置都是共同排热对任何一种热能动力装置都是共同的，也是本质性的。的，也是本质性的。工质工质我们把实现热能和

11、机械能相我们把实现热能和机械能相互转化的媒介物质叫做工质；互转化的媒介物质叫做工质；热源热源把工质从中吸取热能的物系把工质从中吸取热能的物系叫做热源，或称高温热源；把接受工质叫做热源，或称高温热源；把接受工质排出热能的物系叫做冷源，或称低温热排出热能的物系叫做冷源，或称低温热源。热源和冷源可以是恒温的，也可以源。热源和冷源可以是恒温的，也可以是变温的。是变温的。1.如利用燃气轮机的高温排气作热源在如利用燃气轮机的高温排气作热源在余热锅炉里加热水，由于热源的热容余热锅炉里加热水，由于热源的热容量不是无穷大，故而热源（燃气轮机量不是无穷大，故而热源（燃气轮机的排气）的温度不断下降，是变温热的排气）

12、的温度不断下降，是变温热源。源。2.又如用环境大气作冷源，由于其热容又如用环境大气作冷源，由于其热容量非常大，故可以认为是恒温热源。量非常大，故可以认为是恒温热源。热能动力装置的工作过程可概括成：热能动力装置的工作过程可概括成：工质自高温热源吸热，工质自高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，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。并把余下部分传给低温热源。热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源Q1Q2W动力循环简图动力循环简图热效率热效率Thermalefficiency12热力系统热力系统工质实现热能和机械能互相转化的媒介物质。热源向给定系统提供式获取热量的物体，

13、其作用就是一个热源或冷源(又称低温热源)热力系统被一封闭边界面包围的物质的任一集合或空间的任一区域(控制体)热力系统：热力系统：为分析问题方便，和力学中取分离体为分析问题方便，和力学中取分离体一样，热力学中常把分析的对象从周围物一样，热力学中常把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。能量和物质的传递。这种被人为分割出来作为热力学分这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做析对象的有限物质系统叫做热力系统热力系统，周，周围物体统称外界。围物体统称外界。系统和外界之间的分界面叫做系统和外界之间的分界面叫做边界边界。边

14、界可以是实际存在的，也可以是假想的。边界可以是实际存在的，也可以是假想的。热力系统热力系统系统：用界面从周围的环境中分割系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的出来的研究对象，或空间内物体的总和。总和。外界：与系统相互作用的环境。外界：与系统相互作用的环境。界面：假想的、实际的、固定的、界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。运动的、变形的。依据：系统与外界的关系，系统依据：系统与外界的关系，系统与外界的作用：与外界的作用：热交换、功交换、质交换。热交换、功交换、质交换。常见的热力系统有四类常见的热力系统有四类:(1)闭口系统闭口系统系统内质量保持恒定不变系统内质量保

15、持恒定不变(2)开口系统开口系统系统与外界有能量和物质交系统与外界有能量和物质交换换(3)绝热系统绝热系统系统与外界仅限于无热量交系统与外界仅限于无热量交换换(4)孤立系统孤立系统系统与外界即无能量交换又系统与外界即无能量交换又无物质交换无物质交换根据热力系统和外界之间的能量和物质交根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可分为四种类型。换情况，热力系统可分为四种类型。(1)闭口系统闭口系统系统内质量保持恒定不系统内质量保持恒定不变变闭口系统的特点：闭口系统的特点：1.该热力系统和外界只有能量交换而无物该热力系统和外界只有能量交换而无物质交换，质交换，2.闭口系统内的质量保持恒定不

16、变，所以闭口系统内的质量保持恒定不变，所以闭口系统又叫做控制质量。闭口系统又叫做控制质量。(2)开口系统开口系统系统与外界有能量和系统与外界有能量和物质交换物质交换开口系统的特点：开口系统的特点：开口系统中的能量和质量都可以变化，开口系统中的能量和质量都可以变化，但这种变化通常是在某一划定的空间范但这种变化通常是在某一划定的空间范围内进行的，所以开口系统又叫做控制围内进行的，所以开口系统又叫做控制容积，或控制体。容积，或控制体。闭口系统和开口系统闭口系统和开口系统(按系统与按系统与外界有无物质交换外界有无物质交换)闭口系统：系统内外无物质交换闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。称控制质量

17、。开口系统：系统内外有物质交换开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。称控制体积。(3)绝热系统绝热系统系统与外界无热量交系统与外界无热量交换换当热力系统和外界间无热量交换时，该当热力系统和外界间无热量交换时，该系统称为绝热系统。系统称为绝热系统。(4)孤立系统孤立系统系统与外界即无能量系统与外界即无能量交换又无物质交换交换又无物质交换孤立系统的特点：孤立系统的特点：1.热力系统和外界无能量交换，热力系统和外界无能量交换，2.热力系统和外界也无物质交换。热力系统和外界也无物质交换。3.孤立系统的一切相互作用都发生在孤立系统的一切相互作用都发生在系统内部。系统内部。绝热系统与孤立系统绝热系统与

18、孤立系统绝热系统：系统内外无热量交换绝热系统：系统内外无热量交换(系系统传递的热量可忽略不计时，可认统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热为绝热)孤立系统：系统与外界既无能量传孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换递也无物质交换=系统系统+相关外界相关外界=各相互作用的子系各相互作用的子系统之和统之和=一切热力系统连同相互作用一切热力系统连同相互作用的外界的外界系统划分的方法1.把整个蒸汽动力装置划作一个热力系统，计算它在一段时间内从外界投入的燃料，向外界输出的功，以及冷却水带走的热量等。这时整个蒸汽动力装置中工质的质量不变，是闭口系统 2.倘若只分析其中某个设备，如汽倘若只分析其中某个设

19、备，如汽轮机或锅炉中的工作过程，它们轮机或锅炉中的工作过程，它们不仅有吸热作功等能量交换过程，不仅有吸热作功等能量交换过程，而且有工质流进流出的物质交换而且有工质流进流出的物质交换过程。这时如取汽轮机或锅炉为过程。这时如取汽轮机或锅炉为划定的空间就组成开口系统。划定的空间就组成开口系统。同样的研究对象内燃机：同样的研究对象内燃机：1.内燃机在气缸进废气阀门都关闭时，内燃机在气缸进废气阀门都关闭时，取封闭于气缸内的工质为系统就是闭取封闭于气缸内的工质为系统就是闭口系统；口系统；2.把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程一起研究时，取气缸为划定的空间就一起研究时，取气缸为划定

20、的空间就是开口系统。是开口系统。简单可压缩系：简单可压缩系：在热力工程中，热力系是由可压缩流体在热力工程中，热力系是由可压缩流体（如水蒸气、空气、燃气等）构成的。这（如水蒸气、空气、燃气等）构成的。这类热力系若与外界可逆的功交换只有体积类热力系若与外界可逆的功交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式，则变化功（膨胀功或压缩功）一种形式，则该系统称为简单可压缩系。该系统称为简单可压缩系。工程热力学讨论的大部分系统都是简单可工程热力学讨论的大部分系统都是简单可压缩系。压缩系。根据系统内部状况划分：根据系统内部状况划分：可压缩系统：由可压缩流体组成的系可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。统。简单

21、可压缩系统：与外界只有热量及简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化。准静态容积变化。均匀系统：内部各部分化学成分和物均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，是由单相理性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。组成的。非均匀系统：由两个或两个以上的相非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。所组成的系统。单元系统：一种均匀的和化学成分单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。不变的物质组成的系统。多元系统：由两种或两种以上物质多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。组成的系统。单相系：系统中工质的物理、化学单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为

22、单相系。性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系：由两个相以上组成的系统复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。三相系统。注意注意:系统的选取方法仅影响解决问题系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果的繁复程度，与研究问题的结果无关。无关。13状态及状态参数状态及状态参数1.状态状态某一时刻，热力系统中工质所某一时刻，热力系统中工质所处的某种宏观状况，是全部宏观性质的综处的某种宏观状况，是全部宏观性质的综合，又称热力学状态合，又称热力学状态2.状态参数状态参数从各个不同方面描述工质从各个不同方面描述工质状态的物理量状态的

23、物理量状态参数的特征特征：状态参数的微分是一个全微分状态参数的这一特性表现在数学上是点函数，其微元差是全微分，而全微分沿闭合路线的积分等于零。1.状态参数一旦完全确定，工质的状态状态参数一旦完全确定，工质的状态也就确定了。也就确定了。2.状态参数是热力系统状态的单值函数，状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给定的状态，而与如何达它的值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关。到这一状态的途径无关。基本状态参数1.研究热力过程时，常用的状态参数有压力p、温度T、体积V、热力学能（以前称为内能）U、焓H和熵S，2.其中压力、温度及体积可直接用仪器测量，使用最多，称为基本状态参数。

24、强度量和广延量压力和温度这两个参数与系统质量的多少无关，称为强度量。体积、热力学能、焓和熵等与系统质量成正比，具有可加性，称为广延量。但广延量的比参数，例如比体积、比热力学能、比焓和比熵，即单位质量工质的体积、热力学能、焓和熵，又具有强度量的性质，不具有可加性。基本状态参数介绍基本状态参数介绍一.温度及热力学第零定律热力学第零定律:无论多少个物体互相接触都能达到热平衡。温标:表示温度高低的尺度叫温度标尺，简称温标。温度是物体冷热程度的标志温度是物体冷热程度的标志经验告诉我们，若令冷热程度不同的两个经验告诉我们，若令冷热程度不同的两个物体物体A和和B相互接触，它们之间将发生能量相互接触，它们之间

25、将发生能量交换，净能流将从较热的物体流向较冷的交换，净能流将从较热的物体流向较冷的物体。物体。经过一段时间后它们达到相同的冷热程经过一段时间后它们达到相同的冷热程度，不再有净能量交换，这时物体度，不再有净能量交换，这时物体A和物和物体体B达到热平衡。达到热平衡。当物体当物体C同时与物体同时与物体A和和B接触而达到热平接触而达到热平衡时，物体衡时，物体A和和B也一定热平衡也一定热平衡。当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。这一宏观物理性质称为温度。这一宏观物理性质称为温度。从微观上看，温度标志物质分子热运动的从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度。对于

26、气体，它是大量分子平移激烈程度。对于气体，它是大量分子平移动能平均值的量度，其关系式为：动能平均值的量度，其关系式为：（1-1）式中：式中：T是热力学温度；是热力学温度；B=(3/2)k，k=(1.380058+0.000012)10-23J/K是玻尔是玻尔兹曼常数；是分子移动的均方根速度。兹曼常数；是分子移动的均方根速度。热能交换的机理 两个物体接触时，通过接触面上分子的碰撞进行动能交换，能量从平均动能较大的一方，即温度较高的物体，传到了平均动能较小的一方，即温度较低的物体。这种微观的动能交换就是热能的交换。热能传递的方向总是由温度高的物体传向温度低的物体。温度计测量温度的仪器称做温度计，选

27、作测量温度的仪器称做温度计，选作温度计的感应元件的物体应具备某温度计的感应元件的物体应具备某种物理性质，它随物体的冷热程度种物理性质，它随物体的冷热程度不同有显著的变化不同有显著的变化(如金属丝的电阻、如金属丝的电阻、封在细管中的水银柱的高度等封在细管中的水银柱的高度等)。为了给温度确定数值，还应建立温为了给温度确定数值，还应建立温标标温度的数值表示法。温度的数值表示法。温标的建立温标的建立：1)确定温标的基准点确定温标的基准点。2)确定温度的方法。确定温度的方法。热热力力学学绝绝对对温温标标在在SI制制中中，其其符符号号为为开开(K),1开开尔尔文文为为水水的的三三相相点点的的热热力力学学温

28、温度的度的1/273.16摄氏温标规定：摄氏温标规定：在标准大气压下纯水的冰点是在标准大气压下纯水的冰点是0，汽，汽点是点是100，而其他温度的数值由作为，而其他温度的数值由作为温度标志的物理量（金属丝电阻、水银温度标志的物理量（金属丝电阻、水银柱高度等）的线性函数来确定。柱高度等）的线性函数来确定。经验温标由选定的任意一种测量物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，如冰点和汽点外，其他温度的测定值可能有微小的差异，因而任何一种经验温标不

29、能作为度量温度的标准。热力学温标国际上规定热力学温标作为测量温度的最基本温标，它是根据热力学第二定律的基本原理制定的，与测温物质的特性无关，可以成为度量温度的标准。热力学温标的温度单位是开尔文，符号为K（开）,把水的三相点的温度，即水的固相、液相、气相平衡共存状态的温度作为单一基准点，并规定为273.16 K。因此，热力学温度单位“开尔文”是水的三相点温度的1/273.16。1960年，国际计量大会通过决议，规定摄氏温度由热力学温度移动零点来获得，即：t=T-273.15 K （1-2）式中：t为摄氏温度，其单位为摄氏度，符号为；T为热力学温度。这样规定的摄氏温标称为热力学摄氏温标。由式(1-

30、2）可知，摄氏温标和热力学温标并无实质差异，而仅仅只是零点取值的不同。工程上除热力学温标外，还常用下列三种工程上除热力学温标外，还常用下列三种温标：温标：摄氏温标摄氏温标t=T273.15华氏温标华氏温标tF=9/5tC32朗肯温标朗肯温标T(R)=t(F)+459.67二、压力二、压力 单位面积上所受的垂直作用力称为压力(即压强)。分子运动学说把气体的压力看作是大量气体分子撞击器壁的平均结果。热力系统中工质施加到单位面积上的垂直作用力(即压强)称为压力。压力计 测量工质压力的仪器称为压力计由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环

31、境介质压力之差，叫做表压力或真空度。1)压力的表示压力的表示:绝对压力绝对压力p、表压力表压力pg、真空度真空度pv。气体的真实压力即为绝对压力，用气体的真实压力即为绝对压力，用p表表示。示。令大气压力为令大气压力为pb表压力为表压力为pg(测压计上测压计上测出的压力测出的压力)当当ppb时时则则:p=pg+pb当当ppb时时则则:p=pbpvpv表示测得的差数，称为真空度表示测得的差数，称为真空度作为工质状态参数的压力必需为绝对压力。作为工质状态参数的压力必需为绝对压力。压力单位压力单位SI制制N/m2Pa(帕帕)常用兆帕常用兆帕1MPa106Pa暂用单位暂用单位巴巴(bar)1bar105

32、Pa其他单位其他单位毫米汞柱毫米汞柱mmHg(00C)133.3Pa标准大气压标准大气压atm1atm760mmHg1.013105Pa工程大气压工程大气压at1at735.6mmHg0.981105Pa毫米汞柱毫米汞柱mmH2O(40C)1mmH2O9.81Pa例例1-1测得容器内气体的表压力为测得容器内气体的表压力为0.25MPa，当地大气压为，当地大气压为755mmHg，求容器内气体的绝对压力求容器内气体的绝对压力p，并分别用，并分别用(1)MPa(兆帕兆帕)、(2)bar(巴巴)、(3)atm(物理大气压物理大气压)、(4)at(工程大气压工程大气压)表示。表示。解：解：p=pe+pb

33、，1mmHg=133.3224Pa p=0.25106133.322=0.3057106Pa(1)Mpa(2)bar(3)atm(4)at三、比体积及密度比体积 单位质量物质所占的体积 密度 单位体积物质的质量 显见：14 平衡状态、状态方程 式、坐标图 一、平衡状态平衡状态热力系统，如果热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。称为平衡状态。倘若组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，系统就处于热的平衡；各部分之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。同时具备了热和力的平衡的

34、系统就处于热力平衡状态。如果系统内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破坏。对于气液两相并存的热力平衡系统，气相的密度和液相的密度不同，所以整个系统不是均匀的。因此，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。当把平衡状态下单相物系当作是均匀的，物系中各处的状态参数应相同。某热力系，若其两个状态相同，则其所有状态参数均一一对应相等。反之，也只有所有状态参数均对应相等，才可说该热力系的两状态相同。对于简单可压缩系，只要两个独立状态参数对应相同，即可判定该两状态相同。只要有两个独立的状态参数即可确定一个状态，所有其他状态参

35、数均可表示为这两个独立状态参数的函数。工程热力学通常只研究平衡状态。二、状态方程式二、状态方程式对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定关系比体积等参数，且这些参数服从一定关系式，这样的关系式叫做状态方程式，即：式，这样的关系式叫做状态方程式，即：TT(p，v)pp(T，v)vv(p，T)也可写成隐函数形式也可写成隐函数形式气体状态方程式气体状态方程式：FF(p，v，T)三、状态参数坐标图三、状态参数坐标图由于两个参数可以完全确定简单可压缩由于两个参数可以完全

36、确定简单可压缩系的平衡状态，所以由任意两个独立的系的平衡状态，所以由任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意状态参数所组成的平面坐标图上的任意一点，都相应于热力系的某一确定的平一点，都相应于热力系的某一确定的平衡状态。衡状态。热力系每一平衡状态总可在这样的坐标图上用一点来表示。这种由热力系状态参数所组成的坐标图称做热力状态坐标图。常用的这类坐标图有：压容(p-v)图温熵（T-s）图 表示功量 表示热量2Ts1pv12 状态参数坐标图如下：用于描述平衡状态，有 pv ，T s 图 15 工质的状态变化过程一、准平衡过程在过程中工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致远离平衡状态准平衡过程：

37、若过程进行得相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，那么这样的过程就叫做准平衡过程。实现准平衡过程的条件：气体工质在压力差作用下实现准平衡过程的条件是：气体工质和外界之间的压力差为无限小，气体工质在平衡过程中还需要热的平衡，即工质的温度也必须时刻一致。热的平衡和力的平衡是相互关联的，只有工质与外界的压差和温差均为无限小的过程才是准平衡过程。只有准平衡过程在坐标图中可用连续曲线表示。准平衡过程是实际过程的理想化。由于实际过程都是在有限的温差和压差作用下进行的，因而都是不平衡过程，但是在适当的条件下可以把实际

38、设备中进行的过程当作准平衡过程处理。二、可逆过程和不可逆过程1.可逆过程可逆过程某工质热力过程从初态到终某工质热力过程从初态到终态。该工质再按原过程逆向从终态到初态。态。该工质再按原过程逆向从终态到初态。系统与外界都完全恢复到原来的初态而不留系统与外界都完全恢复到原来的初态而不留下任何余痕的过程。下任何余痕的过程。2.不可逆过程不可逆过程上述反之上述反之(1)与与(2)的关系的关系:可逆过程必然是准平可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的条件衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的条件之一。之一。工质进行了一个不平衡过程后必将工质进行了一个不平衡过程后必将产生不可回复的后遗效果。产生不

39、可回复的后遗效果。例如热能自高温热源转移到低温热例如热能自高温热源转移到低温热源和机械能转化为热能等，虽可以源和机械能转化为热能等，虽可以使热能自低温热源返回高温热源，使热能自低温热源返回高温热源，但这要付出一定的代价。但这要付出一定的代价。这样的不平衡过程必定是不可逆过这样的不平衡过程必定是不可逆过程。程。当存在任何种类的耗散效应，如当存在任何种类的耗散效应，如机械摩擦或工质内摩擦时，所进机械摩擦或工质内摩擦时，所进行的过程也是不可逆的。因为无行的过程也是不可逆的。因为无论在正向和逆向过程中都会因摩论在正向和逆向过程中都会因摩擦而消耗机械功，这部分功转化擦而消耗机械功，这部分功转化变成热量，

40、而这部分热量不可能变成热量，而这部分热量不可能不花任何代价重又转变为功，这不花任何代价重又转变为功，这就会留下不可逆复的后遗效果。就会留下不可逆复的后遗效果。有摩擦的过程也是不可逆的。有摩擦的过程也是不可逆的。一个可逆过程，首先应是准平衡过程，一个可逆过程，首先应是准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何耗散效应。这也是过程中不应有任何耗散效应。这也是可逆过程的基本特征。可逆过程的基本特征。准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进

41、行时可能发并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散。生能量耗散。研究可逆过程的意义可逆过程是不引起任何热力学损可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。研究热力过程就失的理想过程。研究热力过程就是要尽量设法减少不可逆因素，是要尽量设法减少不可逆因素，使其尽可能地接近可逆过程。使其尽可能地接近可逆过程。可逆过程是一切实际过程的理想可逆过程是一切实际过程的理想极限，是一切热力设备内过程力极限，是一切热力设备内过程力求接近的目标。求接近的目标。可逆过程是分析工质与外界作用可逆过程是分析工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与内部是平衡的，而

42、且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复，外界的作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量的耗过程进行时不存在任何能量的耗散。散。可逆过程必然是准平衡过程，而可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要准平衡过程只是可逆过程的必要条件。条件。准平衡过程的特点准平衡过程的特点准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系16 过程功和热量1.过程功W(1)由功的定义知 W F x 微功 W F dx 积分 由图 19 知状态 1 状态 2 点 pv12dVw图 19可逆过程的功膨胀功为(2)示功图1)p-V 图为工程热力学研究中最常用的示功图2)热力系统

43、对外作功为正功，反之为负功(3)功是过程的函数，不是状态参数在热力学里，研究范围较广，除在热力学里，研究范围较广，除简单可压缩系外，还要研究一些简单可压缩系外，还要研究一些特殊系统。特殊系统。系统同外界交换的功，除容积变系统同外界交换的功，除容积变化功外，还有其他的形式。化功外，还有其他的形式。热力学中功的定义是：功是热力热力学中功的定义是：功是热力系统通过边界而传递的能量，且系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。其全部效果可表现为举起重物。热力学中约定：系统对外界作功热力学中约定：系统对外界作功取为正，而外界对系统作功取为取为正，而外界对系统作功取为负。负。在我国法定计量单

44、位中，功的单在我国法定计量单位中，功的单位为焦耳，用符号位为焦耳，用符号J表示。表示。1J的的功相当于物体在功相当于物体在1N力的作用下产力的作用下产生生1m位移时完成的功量，即：位移时完成的功量，即：1J=1Nm功的数值不仅决定于：工质的初态功的数值不仅决定于：工质的初态和终态，而且还和过程的中间途径和终态，而且还和过程的中间途径有关。从状态有关。从状态1膨胀到状态膨胀到状态2，可以，可以经过不同的途径，所作的功也是不经过不同的途径，所作的功也是不同的。同的。功不是状态参数，是过程量，它不功不是状态参数，是过程量，它不能表示为状态参数的函数，能表示为状态参数的函数，w也也仅是微小量，不是全微

45、分，故用仅是微小量，不是全微分，故用表示。表示。膨胀功或压缩功都是通过工质体膨胀功或压缩功都是通过工质体积的变化而与外界交换的功，因积的变化而与外界交换的功，因此统称为体积变化功。此统称为体积变化功。从功的计算式可看出，体积变化从功的计算式可看出，体积变化功只与气体的压力和体积的变化功只与气体的压力和体积的变化量有关，而同形状无关。量有关，而同形状无关。无论气体是由气缸和活塞包围的无论气体是由气缸和活塞包围的还是由任一假想的界面所包围，还是由任一假想的界面所包围，只要被界面包围的气体体积发了只要被界面包围的气体体积发了变化；变化；同时过程是可逆的，则在边界上同时过程是可逆的，则在边界上克服外力

46、所作的功都可用式克服外力所作的功都可用式(1-8)及式及式(1-10)来计算。来计算。闭口系工质在膨胀过程中作的功闭口系工质在膨胀过程中作的功并不能全部用来输出作有用功，并不能全部用来输出作有用功，例如举起重物。它一部分因摩擦例如举起重物。它一部分因摩擦而耗散，一部分用以排斥大气，而耗散，一部分用以排斥大气，反抗大气压力作功，余下的才是反抗大气压力作功，余下的才是可被利用的功，称为有用功。若可被利用的功，称为有用功。若用用Wu、Wl、和、和Wr分别表示有用分别表示有用功、摩擦耗功及排斥大气功，则功、摩擦耗功及排斥大气功，则有：有：由于大气压力可作定值，故：由于大气压力可作定值，故：而可逆过程不

47、包含任何耗散效应，而可逆过程不包含任何耗散效应，Wl=0，可用功可简化成，可用功可简化成:例例1-2如图如图1-10所示，某种气体工所示，某种气体工质从状态质从状态1(p1，V1)可逆地膨胀到状可逆地膨胀到状态态2。膨胀过程中：。膨胀过程中：(a)工质的压力服从工质的压力服从p=a-bV，其中，其中a、b为常数；为常数；(b)工质的工质的pV保持恒定为保持恒定为p1V1。试分别求两过程中气体的膨胀功。试分别求两过程中气体的膨胀功。pV12p1p2OV1V2ab图1-10 例1-2附图解：解：过程为可逆过程：过程为可逆过程：(a)(b)在上述两过程中，系统的初、终在上述两过程中，系统的初、终态相

48、同，但中间途径不同，因而态相同，但中间途径不同，因而气体的膨胀功也不同。气体的膨胀功也不同。例例1-3利用体积为利用体积为2m3的储气罐中的储气罐中的压缩空气给气球充气，开始时气的压缩空气给气球充气，开始时气球内完全没有气体，呈扁平状，可球内完全没有气体，呈扁平状，可忽略其内部容积。忽略其内部容积。设气球弹力可忽略不计，充气过程设气球弹力可忽略不计，充气过程中气体温度维持不变，大气压力为中气体温度维持不变，大气压力为0.9105Pa。为使气球充到。为使气球充到2m3，问罐内气体最低初压力及气体所作问罐内气体最低初压力及气体所作的功为多少的功为多少?已知空气满足状态方程式已知空气满足状态方程式p

49、V=mRgT，其中压力其中压力p的单位为的单位为Pa，体积体积V的单位为的单位为m3，温度温度T的单位为的单位为K，质量质量m的单位为的单位为kg，气体常数气体常数Rg的单位为的单位为J(kgK)。解：解：因忽略气球弹力，充气后气球因忽略气球弹力，充气后气球内压力维持在与大气压力相同的内压力维持在与大气压力相同的0.9105Pa。而充气结束时储气罐内。而充气结束时储气罐内压力也应恰好降到压力也应恰好降到0.9105Pa。又据题意，留在罐内与充入球内的又据题意，留在罐内与充入球内的气体温度相同，由于压力相同、温气体温度相同，由于压力相同、温度相同，故这两部分气体的状态相度相同，故这两部分气体的状

50、态相同。同。若取全部气体为热力系，则气体若取全部气体为热力系，则气体的最小初压的最小初压p1,min应满足：应满足：求解方程可得：求解方程可得：考察该过程，储气罐的体积不变，考察该过程，储气罐的体积不变，充气时气球中气体压力等于大气充气时气球中气体压力等于大气压力，气球膨胀排斥了大气，所压力，气球膨胀排斥了大气，所以气球对大气作功：以气球对大气作功：四.过程热量(1)定义：定义：热力系和外界之间仅仅热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能由于温度不同而通过边界传递的能量称为热量量称为热量(2)单位：单位：J(焦耳焦耳)或或kJ(千千焦焦)（3）工程热力学中约定：）工程热力学中约定：体