热工基础第一章精品文稿.ppt

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1、热工基础第一章1第1页，本讲稿共27页第一章 基本概念 1-1 热机、工质、热源与热力系统热机热机：能能将将热热能能转转换换为为机机械械能能的的机机器器。如如如如蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽机机机机、蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机、燃燃燃燃气气气气轮轮轮轮机机机机、内内内内燃燃燃燃机机机机和和和和喷喷喷喷气气气气发发发发动机等。动机等。动机等。动机等。2第2页，本讲稿共27页工质工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质实现热能和机械能之间转换的媒介物质。热源热源：本本身身热热容容量量很很大大，且且在在放放出出或或吸吸收收有有限限量量热热量量时时自自身身温温度度及及其其它它热热力力学学参参数数没没有有明明

2、显显变变化的物体。化的物体。例如空气、燃气、水蒸气等。例如空气、燃气、水蒸气等。例如空气、燃气、水蒸气等。例如空气、燃气、水蒸气等。例如锅炉、循环水池、大气等。例如锅炉、循环水池、大气等。提提供供热热量量的的热热源源称称为为高高温温热热源源；吸吸吸吸收收收收热热热热量量量量的热源称为的热源称为的热源称为的热源称为低温热源低温热源低温热源低温热源。3第3页，本讲稿共27页热力系统热力系统：在在工工程程热热力力学学中中，通通常常选选取取一一定定的的工工质质或或空空间间作作为为研研究究的的对对象象，称称之之为为热热力力系系统统，简简称称系系系系统统统统。系系统统以以外外的的物物体体称称为为外外界界或

3、或环环境境。系系统统与与外外界之间的分界面称界之间的分界面称为为边界边界。边界边界边界边界闭口闭口闭口闭口系统系统系统系统（1）闭口系统闭口系统 与与外外界界无无物物质质交交换换的的系系统统。系系统统的的质质量量始始终终保保持持恒恒定定，也也称称为为控控控控制质量系统制质量系统制质量系统制质量系统。外界外界外界外界4第4页，本讲稿共27页（2）开口系统开口系统开口系统开口系统 与与与与外外外外界界界界有有有有物物物物质质质质交交交交换换换换的的的的系系系系统统统统。系系系系统统统统的的的的容容容容积积积积始始始始终终终终保保保保持持持持不不不不变变变变，也也也也称称称称为为为为控控制制容容积系

4、统积系统。进口进口进口进口出口出口出口出口（3 3）绝热系统绝热系统 与外界没有热量交换的系统。与外界没有热量交换的系统。（4）孤立系统孤立系统 与与外外界界既既无无能能量量（功功、热热量量）交交换又无物质交换的系统。换又无物质交换的系统。5第5页，本讲稿共27页1-2 平衡状态及基本状态参数 1.平衡状态平衡状态（1 1）状态（热力状态）状态（热力状态）状态（热力状态）状态（热力状态）系系统统在在某某一一瞬瞬间间所所呈呈现现的的宏宏观观物物理理状状况况称称为系统的为系统的热力状态热力状态，简称，简称状态状态状态状态。（2）平衡状态）平衡状态 系系统统内内部部各各处处的的宏宏观观性性质质均均匀

5、匀一一致致、不不随随时时间而变化的状态称为间而变化的状态称为平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态。系系统统内内部部不不存存在在热热量量传传递递，即即各各处处的的温温度度均匀一致的状态称为均匀一致的状态称为热平衡状态热平衡状态。6第6页，本讲稿共27页（4）非平衡状态）非平衡状态 系系系系统统统统内内内内部部部部存存存存在在在在不不不不平平平平衡衡衡衡势势势势（温温温温差差差差或或或或压压压压差差差差），因因因因此此此此存存存存在在在在能能能能量量量量或或或或质质质质量量量量传传传传递递递递的的的的宏宏宏宏观观观观物物物物理理理理状状状状况况况况。非非非非平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态不能用状态参

6、数来描写。不能用状态参数来描写。不能用状态参数来描写。不能用状态参数来描写。状态参数的特点状态参数的特点状态参数的特点状态参数的特点：（3）状态参数）状态参数 用用用用于于于于描描描描述述述述系系系系统统统统平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态的的的的物物物物理理理理量量量量称称称称为为为为状状状状态态态态参参参参数数数数，如温度、压力、比体积等。，如温度、压力、比体积等。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。7第7页，本讲稿共27页2.基本状态参数基本状态参数 工工程

7、程热热力力学学中中常常用用的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比比体体积积、比比热热力力学学能能、比比焓焓、比比比比熵熵熵熵等等，其其中中可可以以直直接接测测量量的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比比比比体积体积体积体积，称为，称为基本状态参数基本状态参数基本状态参数基本状态参数。（1）压力）压力 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）单位单位:Pa （帕帕帕帕），），1 Pa=1 N/m2 2，1 MPa=103 kPa=106 Pa 8第8页，本讲稿共27页常用非常用非SI压力单位压力单位：1 bar（巴巴）=105 Pa 1 atm

8、（标准大气压标准大气压）=1.013 105 Pa 1 at（工程大气压工程大气压）=0.981 105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱毫米水柱）=9.81 Pa1 mmHg（毫米汞柱毫米汞柱）=133.3 Pa 9第9页，本讲稿共27页压力测量压力测量：绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 p、大气压力大气压力pb、表压力表压力pe、真空度真空度pv 只有绝对压力只有绝对压力 p 才是状态参数。才是状态参数。10第10页，本讲稿共27页（2）温度）温度 温温温温度度度度是是是是反反反反映映映映物物物物体体体体冷冷冷冷热热热热程程程程度度度度的的的的物物物物理理理理量量量量。温温温温度度度度的的的

9、的高高高高低低低低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。反映物体内部微观粒子热运动的强弱。反映物体内部微观粒子热运动的强弱。反映物体内部微观粒子热运动的强弱。当当两两个个温温度度不不同同的的物物体体相相互互接接触触时时，它它们们之之间间将将发发生生热热量量传传递递，如如果果没没有有其其它它物物体体影影响响，这这两两个个物物体体的的温温度度将将逐逐渐渐趋趋于于一一致致，最最终终将将达达到到热热热热平衡平衡平衡平衡（即温度相等）。所以（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据 。1）温度的物理意义）温度的物理意义温度相等温度相等 热平衡热平衡 11第1

10、1页，本讲稿共27页2）热力学第零定律）热力学第零定律：如如果果两两个个物物体体中中的的每每一一个个都都分分别别与与第第三三个个物物体体处处于于热热平平衡衡，则则这这两两个个物物体体彼彼此此也必处于热平衡。也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据。ABC3）温标）温标：温度的数值表示法。温度的数值表示法。温度的数值表示法。温度的数值表示法。建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：a.选选择择温温度度的的固固定定点点，规规定定其其数数值值；b.确确定定温温度度标标尺尺的的分分度度方方法法和和单单位位；c.选选择择某某随随温温度度变变化化的的物性作为温度

11、测量的物性作为温度测量的 依据。依据。12第12页，本讲稿共27页摄氏温标摄氏温标:在在在在标标标标准准准准大大大大气气气气压压压压下下下下，纯纯纯纯水水水水的的的的冰冰冰冰点点点点温温温温度度度度为为为为0 0 ，纯纯水水的的沸沸点点温温度度为为100，纯纯水水的的三三相相点点（固固、液液、汽汽三三相相平平衡衡共共存存的的状状态态点点）温温度度为为0.010.01 。瑞瑞瑞瑞典典典典天天天天文文文文学学学学家家家家摄摄摄摄尔尔尔尔修修修修斯斯斯斯（CelsiusCelsius）于于于于17421742年年年年建建建建立立立立。用用用用摄摄摄摄氏氏氏氏温温温温标标标标确确确确定定定定的的的的温

12、温温温度度度度称称称称为为为为摄摄氏氏温温度度，用用用用符符符符号号号号t 表示，单位为表示，单位为 。选选择择水水银银的的体体积积作作为为温温度度测测量量的的物物性性，认认为为其其随随温温度度线线性性变变化化，并并将将0 100 100 温温度度下下的的体积差均分成体积差均分成100100份，每份对应份，每份对应1 1。13第13页，本讲稿共27页 用用热热力力学学温温标标确确定定的的温温度度称称为为热热热热力力力力学学学学温温温温度度度度，用用用用符号符号符号符号T 表示，单位为表示，单位为 K（开）。（开）。热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝

13、对温标）:英英国国物物理理学学家家开开尔尔文文（Kelvin)在在热热力力学学第第二二定定律基础上建立，也称律基础上建立，也称开尔文温标。开尔文温标。热热力力学学温温标标取取水水的的三三相相点点为为基基准准点点，并并定定义义其其温温度度为为273.16 K。温温差差1 1K相相当当于于水水的的三三相相点点温温度的度的1/273.16。热力学温标热力学温标热力学温标热力学温标与与摄氏温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标的关系：的关系：温差温差:1 K=1 t t t t=T 273.15 K14第14页，本讲稿共27页 国国际际单单位位制制（SI）采采用用热热力力学学温温度度T作作为为基本状态参数。基本

14、状态参数。4)温度的测量温度的测量a.接触式接触式水银温度计、酒精温度计水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。热电偶、电阻温度计等。b.非接触式非接触式光学辐射高温计光学辐射高温计激光全息干涉仪激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法（相干反斯托克斯喇曼光谱）法15第15页，本讲稿共27页（3）比体积）比体积定义：定义：单单位位质质量量的的工工质质所所占占有有的的体体积积，用用符符号号v表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 m3/kg 。密度密度：单单 位位 体体 积积 工工 质质 的的 质质 量量，用用 符符 号号 表示表示表示表示，单位为单位为 kg/mkg/m

15、3 。比比体体积积和和和和密密度度二二二二者者者者相相相相关关关关，通通通通常常常常以以以以比比比比体体体体积积积积作作作作为为为为状状状状态参数态参数态参数态参数 。16第16页，本讲稿共27页1-3 状态方程与状态参数坐标图（1 1）状态公理）状态公理）状态公理）状态公理 对对于于和和外外界界只只有有热热量量和和体体积积变变化化功功（膨膨胀胀功功或或压压缩缩功功）的的简简单单可可压压缩缩系系统统，只只需需两两个个独独立立的的参参数数（如如p、v，p、T 或或v v、T T）便便可可确确定定它它的的平平平平衡状态衡状态衡状态衡状态。（2）状态方程式）状态方程式 表表示示状状态态参参数数之之间

16、间关关系系的的方方程程式式称称为为状状态态方程式方程式 。如：。如：。如：。如：17第17页，本讲稿共27页（3 3）状态参数坐标图）状态参数坐标图）状态参数坐标图）状态参数坐标图 在在在在以以以以两两两两个个个个独独独独立立立立状状状状态态态态参参参参数数数数为为为为坐坐坐坐标标标标的的的的平平平平面面面面坐坐坐坐标标标标图图图图上，每一点都代表一个上，每一点都代表一个上，每一点都代表一个上，每一点都代表一个平衡状态平衡状态。以独立状态参数为坐标的坐标图。以独立状态参数为坐标的坐标图。以独立状态参数为坐标的坐标图。以独立状态参数为坐标的坐标图。18第18页，本讲稿共27页1-4 准平衡过程和

17、可逆过程（1）热力过程）热力过程 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。19第19页，本讲稿共27页（2 2）准平衡过程）准平衡过程）准平衡过程）准平衡过程（准静态过程准静态过程）所所经经历历的的每每一一个个状状态态都都无无限限地地接接近近平平衡衡状态的过程。状态的过程。在在状状态态参参数数坐坐标标图图上上，准准平平衡衡过过程程可可以以近近似似地地用用连连续续的的实实线表示。线表示。在在系系统统内内外外的的不不平平衡衡势势（如如压压力力差差、温温度度差差等等）较较小小、过过程程进进行行较较慢慢、弛弛豫豫时时间间非非常常短短的的情情况况下下，可可以以将将

18、实实际际过过程程近近似似地地看看作作准准平平衡衡过过程。程。pv1220第20页，本讲稿共27页（3）可逆过程）可逆过程 如果系统完成了某一如果系统完成了某一如果系统完成了某一如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行过程之后可以沿原路逆行过程之后可以沿原路逆行过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且回复到原来的状态，并且回复到原来的状态，并且回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化，不给外界留下任何变化，不给外界留下任何变化，不给外界留下任何变化，这样的过程为这样的过程为这样的过程为这样的过程为可逆过程可逆过程。实实实实际际际际过过过过程程程程都都都都是是是是不不可可逆逆过过程程，如如如

19、如传传传传热热热热、混混混混合合合合、扩扩扩扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等散、渗透、溶解、燃烧、电加热等散、渗透、溶解、燃烧、电加热等散、渗透、溶解、燃烧、电加热等 。可可逆逆过过程程是是一一个个理理想想过过程程。可可逆逆过过程程的的条条件件：准平衡过程准平衡过程无耗散效应无耗散效应。21第21页，本讲稿共27页1-5 功量与热量 1.功量与示功图功量与示功图(1)膨胀功膨胀功 工质在体积膨胀时所作工质在体积膨胀时所作工质在体积膨胀时所作工质在体积膨胀时所作的功称为的功称为的功称为的功称为膨胀功膨胀功膨胀功膨胀功。符号：符号：符号：符号：W 单位：单位：单位：单位：J 或或 kJ 对于对于微

20、元可逆过程，微元可逆过程，微元可逆过程，微元可逆过程，对于可逆过程对于可逆过程对于可逆过程对于可逆过程1 1 1 12 2 2 2：22第22页，本讲稿共27页 单单位位质质量量工工质质所所作作的的膨膨胀胀功功用用符符号号w 表表表表示示示示，单位为单位为J/kgJ/kg 或或 kJ/kgkJ/kg。(2)示功图示功图（p-vp-v图图）功功是是是是过程量过程量而不而不是是状态量状态量。膨胀：膨胀：dv 0,w w 0压缩：压缩：dv 0,w 0 0;系统放热：系统放热：系统放热：系统放热：q 0 0。热热量量和和功功量量都都是是系系统统与与外外界界在在相相互互作作用用的的过过程程中所传递的能

21、量，都是中所传递的能量，都是过程量过程量而不是而不是状态量状态量 24第24页，本讲稿共27页 在在可可逆逆过过程程中中，系系统统与与外外界界交交换换的的热热量量与与功量的计算公式具有相同的形式。功量的计算公式具有相同的形式。功量功量：热量热量：s s 称称为为比比比比熵熵熵熵。比比熵熵同同比比比比体体体体积积积积 v 一一样样是是工工质质的的状状态态参参数。数。比熵比熵的定义式：的定义式：的定义式：的定义式：（可逆过程）（可逆过程）比熵比熵比熵比熵的单位为的单位为J/(kgK)或或 kJ/(kgK)。25第25页，本讲稿共27页对于质量为对于质量为 m 的工质，的工质，S为质量为为质量为为质

22、量为为质量为 m 的工质的熵，单位是的工质的熵，单位是 J/K。根根根根据据据据熵熵熵熵的的的的变变变变化化化化判判判判断断断断一一一一个个个个可可可可逆逆逆逆过过过过程程程程中中中中系系系系统统统统与与与与外外外外界之间热量交换的方向：界之间热量交换的方向：界之间热量交换的方向：界之间热量交换的方向：系统吸热；系统吸热；系统吸热；系统吸热；，系统放热。系统放热。系统放热。系统放热。，系统绝热，系统绝热，系统绝热，系统绝热，定熵过程定熵过程定熵过程定熵过程。，26第26页，本讲稿共27页（2）示热图示热图示热图示热图（T T-s图图图图）在在可可逆逆过过程程中中单单位位质质量量工工质质与与外外界界交交换换的的热热量量可可以以用用T T-s 图图（温温熵熵图图）上上过过程程曲曲线线下下的的面面积积来来表示。表示。温温熵熵图图也也称称示示热图热图27第27页，本讲稿共27页