第一章 基本概念基本概念（Basic concepts and definitions）1-1 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能得到动力的整套设备。分类燃气动力装置combustion gas power plant蒸汽动力装置steam power plant内燃机 gas turbineinternal combustion engine jet power plant 燃气轮机喷气动力装置返回 继续 下一页返回继续下一页返回继续 下一页四冲程汽油机四冲程柴油机二冲程汽油机返回下一页继续蒸汽动力装置（流程图）锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器泵返回继续下一页共同本质：都是通过媒介物的： 1-2 工质、热源及热力系统定义:实现热能和机械能互相转化的媒介物质。对工质的要求： 膨胀性 流动性 热容量 稳定性、安全性 环保性能 价格物质三态中气体最合适1. 工质（working substance; working medium ）吸热膨胀做功排热来完成从燃料燃烧产生的热能向机械能的转化。2.热源（heat source；heat reservoir）定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。热源温度高低温度变化高温热源（热源 heat source）低温热源（冷源heat sink）恒温热源（constant heat reservoir） 变温热源（variational heat reservoir）3.1 热力系统（热力系、系统、体系）和 外界及边界 系统（thermodynamic system or system）人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；外界（surrounding ）与体系发生能量和物质交换的物质；边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；System Boundary Surroundings 三者之间的关系：汽缸汽缸-活塞装置（闭口系例）活塞装置（闭口系例） 汽车发动机（开口系示例）汽车发动机（开口系示例） 注意： 系统与外界设定的人为性； 外界与环境介质； 边界可以是： 刚性的或可变形的； 固定的或可移动的； 真实存在的或虚拟的。3.2 边界示意图3.3 热力系统分类（1） 按组元数： 单元系one component system; pure system 多元系multicomponent system 按相数： 单相系homogeneous system 多相系heterogeneous system注意：1) 不计恒外力场的影响; 2) 多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）； 3) 单元系未必均匀（汽液平衡分离）。3.4热力系统分类（2）按系统与外界有无质量交换分为： 开口系（open system）控制体积（CV） 通过边界与外界有物质交换； 闭口系（close system）控制质量（CM） 没有物质交换。 绝热系adiabatic system 与外界无热量交换； 孤立系isolated system 与外界既无能量交换也无物质交换； 简单可压缩系simple compressible system 由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可 逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。注意：1) 闭口系与质量不变系的区别； 2) 开口系与绝热系的关系； 3) 孤立系与绝热系的关系。常见的热力常系统3.5热力系统示例图刚性绝热气缸-活塞系统，B侧有电热丝加热红线内 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蓝线内孤立系3.6 热力系示例图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？1-3 工质的热力状态及基本状态数 热力学状态 state of thermodynamic system 某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况 状态参数 state of properties 描述系统所处状态的宏观物理量 a) .状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果，只有平衡态才有统一的状态参数。常用的状参有：p, T，等，其中，称为基本状态参数。）状态参数的特性：状态的单值函数物理上：与过程无关数学上：其微分是全微分c)状态参数的分类： 广延量与系统质量多少有关extensive properties 强度量与系统质量多少无关intensive properties 注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如： 任意两个系统状态相同的充要条件是：所有状参一一对应相等。 两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是：两个独立的状态参数分别对应相等。一、温度（temperature）温度：物体的冷热程度热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡热力学第零定律热平衡定律（the zeroth law of thermodynamics） 如果A 与 B，A与C热平衡，则B与C热平衡测量温度的依据 温标（temperature scale）温度的表示方法 温标的组成：1.基准点，2.刻度 华氏温标基准点：1atm水冰点规定为 32 F 1atm水汽点规定为 212 F 刻度：基准点间1/180 热力学温标基准点：水的三相点规定为273.16K 刻度：基准点温度的1/273.16摄氏温标：基准点：1atm水冰点规定为01atm水汽点规定为 100 刻度：基准点间1/100热力学温标和国际摄氏温标（thermodynamics scale; Klvin absolute temperature scale and Celsius temperature scale ） T=t+273.15 K华氏温标与摄氏温标的关系华氏温标和朗肯温标的关系 经验温标：与测温物质的特性有关。二、压力（pressure） 压力：即物理上的压强。单位 单位换算，一定要注意：见表1-1（P15） 压力的测量： 1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外界压力的差。 2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量，测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力之差。 3.大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝对压力。绝对压力 absolute pressure表压力 gauge pressure; manometer pressure 真空度 vacuum pressure当地大气压 local atmospheric pressure示例图三、比容（specific volume）比容：单位质量物质所占的体积密度(density)；单位体积物质的质量两者的关系：可见，二者相关，不互相独立。注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。作业：四版1-3，9 三版1-3，8；1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的 状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。一、平衡状态(thermodynamic equilibrium state)处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。系统处于平衡状态的条件：系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。热平衡(thermal equilibrium) 温差为零力平衡(mechanical equilibrium) 和力均为零。稳定未必平衡平衡未必均匀反之如何？请思考！非平衡状态：有不平衡势存在！稳定与平衡均匀与平衡平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。二、状态方程式状态公理：例例. 1)单组分气体系统： 2=1-1+2 如p和T，当p一定时， T不同则状态不同。 2) 液或汽态的水： 2=1-1+2。饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2 ; 3)水的三相点：0132状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。T=T (p, v), p=p (T, v), v=v (p, T)隐含数的形式：F=F (p, v, T)这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。三、状态参数坐标图简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：pvpTTshTph坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。1-5 工质的状态变化过程热力过程：工质状态变化一、准平衡过程(quasi-static process; quasi-equilibrium)例例. 放气：对比右侧：水波向左传播打开关阀时：平衡打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播(假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不均匀，无统一状态参数。b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过 程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时 间内可以看作平衡状态。 准平衡过程定义：若过程进行得相对缓慢，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，则这样的过程叫准平衡过程。特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态，准平衡过程又叫准静态过程。进行条件：不平衡势p，T无穷小；过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。二、可逆过程和不可逆过程可逆过程(reversible process)定义：过程能经原路径逆行，使系统回复到原来状态；相关的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变。例：气缸活塞系统正逆正逆摩擦的影响：a)无摩擦正过程逆过程b)有摩擦正过程逆过程逆过程使系统复原，但外界多耗功。结论：摩擦使过程不可逆。温差的影响：a)无温差b)有温差(假设 )结论：温差使过程不可逆。进一步分析，为使Q能传回 ，需加热泵，但要消耗一定的功 ，也不可逆(比较水泵)。但 ，Q不能传回 。压力差的影响：压力差使过程不可逆。 正逆 正逆PFf非准静态过程非准静态过程nonequilibrium process 准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准静态过程，可逆准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维)可逆过程准平衡过程；反之，准平衡过程可逆过程。？不平衡过程不可逆过程；不平衡过程。不可逆过程？原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立1.无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；2. 准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；讨论：3. 一切实际过程均不可逆；4. 内部可逆过程；外部可逆过程5. 可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。1-6 过程功和热量一、功的热力学定义p功的定义：对微元过程(状态发生微小变化)式中：叫微元功；叫折合压力，是考虑外界得到的效果。当状态有限变化时，过程功为：这里：1 初始状态，2终了状态功的单位：焦(J); 功率的单位：瓦(W)。工程中常用的单位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。二、可逆功当过程为可逆过程时，故可见：可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来进行计算。示功图如右：则有，可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。功是过程量。某一状态时没有功的概念。(无 )功的“正”与“负”的意义：膨胀，压缩，定容，系统对外界作功，如1-2；系统不作功，如1-4；外界对系统作功，如1-3。几点讨论：a) 有用功(useful work)pb f其中 W 膨胀功(compression/expansion)； Wl 摩擦耗功； Wr排斥大气功； Wu有用功。例题一例题一b)用外部参数计算不可逆过程的功：用外部参数计算不可逆过程的功：?作业：四版1-12，16；三版1-9，13三、广义功 (不要求) 未言明“不要求”的，一律自学四、过程热量热量(heat)：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。单位：焦耳(J)。正负：系统吸热为“正”，放热为“负”。计算式及其在T-S图上的表示：所以，热是过程量。功与热量的相同与区别：1. 二者均为过程量，是传递的能量；2. 只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量；3. 功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；4. 功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化； 热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。5. 功热量无条件有条件和限度1-7热力循环 一、循环 (thermodynamic cycle)定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。特性：系统一切状态参数复原。可逆循环(reversible cycle)：全部由可逆过程组成的循环；不可逆循环(irreversible cycle)：其中有部分过程或全部过程是不可逆的循环。二、正向循环和逆向循环正向循环(direct cycle) 热动力循环(power cycle)在p-v图上和T-s图上为顺时针方向进行正向循环：系统净吸热，对外作净功。膨胀线在压缩线之上吸热线在放热线之上逆向循环(reverse cycle) (图中红箭头方向) 制冷循环(refrigeration cycle) 热泵循环(heat-pump cycle)在p-v图和T-s图上为逆时针方向进行系统消耗净功，向外界放出净热。一个循环中：工质一定有膨胀作功过程，也一定有压缩耗功过程；作业：四版1-21，23；三版1-15，16一定有吸热过程，也一定有放热过程。(见前图)