工程热力学(讲义).doc

1 课程学习1.1 热力学基本定律1.1.1 热力学基本概念及定义第一节 热力系热力系：由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分为：闭口系(或闭系)-与外界无物质交换，为控制质量(c.m.)；开口系(或开系)-与外界之间有物质交换，把研究对象规划在一定的空间范围内，称控制容积(c.v.)。 按热力系与外界进行能量交换的情况将热力系分为：简单热力系-与外界只交换热量及一种形式的准静功；绝热系-与外界无热交换；孤立系-与外界既无能量交换又无物质交换。按热力系内部状况将热力系分为：单元系-只包含一种化学成分的物质；多元系-包含两种以上化学成分的物质；均匀系-热力系各部分具有相同的性质；均匀系-热力系各部分具有不同的性质。工程热力学中讨论的热力系：简单可压缩系-热力系与外界只有准静功的交换，且由压缩流体构成。第二节 热力系的描述热力系的状态、平衡状态及状态参数*热力系的状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。在热力学中我们一般取设备中的流体工质作为研究对象，这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。*平衡状态：在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。处于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。而温差是驱动热流的不平衡势，温差的消失是系统建立平衡的必要条件。对于一个状态可以自由变化的热力系而言，如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。*状态参数：用来描述热力系平衡态的物理量。处于平衡态的热力系其状态参数具有确定的值，而非平衡热力系的状态参数是不确定的。状态参数的特性描述热力系状态的物理量可分为两类：强度量和尺度量（1）强度量与系统中所含物质无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量。（2）尺度量与系统所含物质有关的物理量称为尺度量。强度量：强度量与系统所含物质的数量无关，它不具可加性.就整个系统而言，强度量对于平衡状态才有确定的参数，对于非平衡状态一般没有确定的数值.常见的强度量如压力P、温度T等.还有一些强度量是由尺度量转化而来的，尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质，比容就是一个很好的例子。尺度量：把热力系视为一个整体来定义，具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、质量m等.对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值。状态参数是状态的单值函数。热力系状态一定，其状态参数的数值也一定。确定状态参数的函数称为状态函数或点函数，具有以下数学特征：*在任意过程中，当热力系从初态1过渡到终态2时，任意状态参数的变化量均等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程如何进行无关。*当热力系经历一封闭的状态变化过程而又回复到原始状态时，其状态参数的变化为零，即状态函数是全微分。第三节 基本状态参数简单可压缩平衡系的状态常用可测的状态参数比容v、压力P、温度T来描述的物理量,称为基本状态参数。密度和比容*密度是单位容积内所含物质的质量，单位为千克每立方米。*比容是单位质量的物质所占的容积，单位为立方米每千克。总容积V、总质量m为尺度量，但密度和比容为强度量且互为倒数，即密度*比容=1。压力单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。气体的压力是由气体分子运动撞击表面，而在单位面积上所呈现的平均作用力。1.压力的测量、表压力和绝对压力流体的压力用压力计测量,工程上常用的压力计为：弹簧压力计和U形管压力计。由于测压仪表本身处于大气压力的作用下，表上的压力并非被测系统的真实压力，而是系统压力与当地大气压力的差值，称为表压力，用P 表示。系统的真实压力，称为绝对压力，用P表示。P 和P 之间的关系。压力：定义式：p=F/A气体的压力是气体分子运动撞击表面，在单位面积上所呈现的平均作用力。压力的法定计量单位为N/m ，称为帕斯卡，符号为Pa.弹簧管压力计的基本结构：工作原理利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。温度及热力学第零定律设想有两个热力系，最初都处于平衡态。将它们接触后将会怎样呢？热力学第零定律是由经验得到的结果不可能从其它定律中推导出来。举个例，假如有三个球队A，B，C，A和B打成1:1，而A与C踢成2:2，当B和C比赛时并不能说它们就能打成平手，有可能B获胜或C获胜也可能两对打平。这同热力学第零定律相同，是由经验得出的，而不可能从某个定律中推导出来。温度标尺*概念：对温度进行定量度量，表示温度高低的尺度称为温度标，简称温标。*理论基础：热力学第零定律*原理：物体的温度用温度计测量。当温度计与被测系统接触时，若二者不处于热平衡，则将引起温度计中测温物质状态变化，直至二者达到热平衡时为止。这样，可利用测温物质在两系统相互作用中所引起的某种特性变化，将被测系统温度显示出来。*摄氏温标：在1个标准大气压下，水的冰点为0度，汽点为100度，其间分为100个分度的温度称为摄氏温度，用t表示，单位为C。*理想气体温标：取水的三相点的温度为0度，零点取三相点温度以下273.16度处，而在零度与三相点温度间取273.16个分度，所得到的温度标尺为理想气体温度标尺，用T表示，单位为K。*两者的关系：tT273.15第四节 状态方程式、状态参数坐标图状态公理热力系状态用状态参数来描述，决定平衡热力系状态独立变量的数目等于热力系与外界交换能量的各种方式的总数。对于组成一定的闭系，与外界相互作用除表现为各种形式的功交换外，还可能交换热量，因此，对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言，可用n+1个独立的状态参数限定,其中n是系统可能有的准静功形式的数目,1是考虑热交换。简单可压缩系统平衡状态参数为（n+1=1+1=）2个。纯物质的状态方程*纯物质：组成是同一的，化学结构是处处一致的物质。*纯物质的状态方程：各种物质具有不同的状态方程式，是物质个性的体现。状态参数坐标图对于简单可压缩平衡热力系，可用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系，即为热力状态坐标系。图中任意一点代表某一确定的平衡状态。只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示。第五节 热力工程及热力循环热力系处于平衡态时，一切不平衡势都不存在，因而其平衡态不会发生改变。但当热力系所处的条件变化后，热力系会在不平衡势的推动下发生连续变化，这就是热力学过程，简称热力过程。准平衡过程现在考察一下在有限压差作用下的气体膨胀作功过程。最初，热力系与外界已建立平衡，现移去一块重物，情况会怎样呢？这时看到活塞缓慢上移，一段时间后，重新到达平衡。若同时移去四块，则活塞上移的速度加快。通过上面的例子，可知移去重物质量愈大，突然移去后引起热力系内部的不平衡愈明显。若将总质量为m的重物分成n小块（m=nDm），然后依次移去一小块Dm，则随n增加，Dm减小所引起的热力系内部不平衡性也减小。当n的数目极大而使Dm为一微小质量时，其所造成热力系内部的不平衡小到可以忽略。此时，热力系所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态，称这种过程为准平衡过程。同时，由于推动活塞运动的不平衡力极小，活塞移动是无限缓慢的，这种过程又叫准静过程。可见，热力系实施准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势为无限小。在上述例子中，热力系内外的压差为无限小，即其中p为热力系内部的压力；psurr为外界环境的压力。由上分析，可得到以下结论：热力系的一切变化过程都是在不平衡势推动下进行的，没有不平衡就没有变化，也就没有过程。当不平衡势为无限小时所进行的极限过程为准平衡过程。热力循环 封闭的热力过程称为热力循环。此时，热力系从某一初态出发经历一系列状态变化后又回到初态，如下图中的封闭过程1-2-3-4-1。系统实施热力循环的目的是通过热力系的状态变化实现预期的能量转换。工程上最常见的是两类循环：热机循环和制冷机(或热泵)循环。热机循环的工作原理如左图，其目的是实现热功转换，即从高温热源取得热量Q，而对外作功W。为对外输出有效功量，循环膨胀功应大于压缩功。其循环过程表示在pV图上，为顺时针方向。制冷机（或热泵）循环的目的在于将热量从低温物体取出并排向高温物体如左图所示，为此需要消耗外功，故循环在pV图上沿1-4-3-2-1进行。通常称热机循环为正循环，制冷机或热泵循环称为逆循环。循环指标*正循环（1） 循环净作功量：（2）循环的经济性循环的经济性用热效率来衡量*逆循环（1）循环净功量：（2）循环的经济性循环的经济性用工作系数来衡量：=强度量：强度量与系统所含物质的数量无关，它不具可加性.就整个系统而言，强度量对于平衡状态才有确定的参数，对于非平衡状态一般没有确定的数值.常见的强度量如压力P、温度T等.还有一些强度量是由尺度量转化而来的，尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质，比容就是一个很好的例子。尺度量：把热力系视为一个整体来定义，具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、质量m等.对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值。压力：定义式：p=F/A气体的压力是气体分子运动撞击表面，在单位面积上所呈现的平均作用力。压力的法定计量单位为N/m ，称为帕斯卡，符号为Pa.弹簧管压力计的基本结构：工作原理利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。1.1.2 能量与热力学第一定律第一节 热力学第一定律的实质能量转换与守恒定律的内容和意义*内容：“自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造，也不可能消灭，而只能在一定条件下从一种形式转化为另一种形式。在转换中，能量的总量恒定不变。”*意义： 能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力，能量守恒反映了物质世界中运动不灭的事实。热力学第一定律*实质：能量守恒热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的应用，确定了热力过程中各种能量在量上的相互关系。*含义：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定”。*应用范围: 热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据，是一个普遍的自然规律，存在于一切热力过程中，并贯穿于过程的始终。第二节 功热力系与外界传递能量的方式作功和传热热力系与环境之间在不平衡势的作用下发生能量交换所实施的热力过程。功*热力学定义: 功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来表示。 *符号规定：系统对外界作功，功为正；外界对系统作功，功为负。*法定计量单位: 焦耳，符号为J。1J功的物理意义:物体在1N力的作用下产生1m位移时所完成的功量。*实现:通过热力系的状态变化来实现热力系间的相互作用(作功或传热)，将功（或热）与系统的状态变化联系起来。*稳定流动过程中几种功:轴功：系统通过轴与外界交换的功，是开口系所求的功。容积功(膨胀功)：系统体积变化所作的功，是简单可压缩系热变功的源泉。流动功：开口系付诸于质量迁移所作的功，是进出口推动功之差。技术功：技术上可资利用的功。第三节 热热*定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量。*符号规定：热力系吸收热量时取正号,放热时取负号。*单位：在法定计量单位中,热量的单位为焦耳,符号为J；在公制中，热量的单位为卡,符号为cal。1cal=1/860W.h。焦耳与卡之间的换算关系为:1cal=4.1868J*物理学中热量的计算：热与功之间的比较*联系：热、功都是物系与外界在不平衡势作用的过程中传递的能量,是过程量。通过热力系的状态变化来体现。*区别：功的传递可以折合为外界重物高度变化的单一效果,而热不能,它是由温差传递的能量。第四节 循环过程热力学第一定律的表达式如左图所示，容器中盛有一定量的气体，并置一搅拌器于其中。容器、搅拌器和气体组成一个闭口系。现将容器绝热，重物下落，使搅拌器回转。这时有功加到热力系中依靠摩擦，功变为热使气温升高。然后气体对环境放热，温度下降而回复到原态，这样热力系就从初态经循环回到原态。利用不同重物进行多次测量，发现加入的功量与放出的热量成正比，关系如下式中，A为比例常数，称为功的热当量，在公制单位中A=1/427kcal/（kgf m），在法定单位中A=1。上式说明，热力系经循环回到原态时，从外界吸入（放出）的热量等于其对外完成的（得到的）功量。适用于任何与外界有功和热交换的封闭系统所完成的封闭循环，为闭系循环过程热力学第一定律的表达式。第五节 热力学第一定律推论，状态参数内能状态参数内能在循环过程中，闭系热力学第一定律的表达式可写作对任意循环1-A-2-B-1，有同样对另一任意循环1-C-2-B-1有以上分析说明，该积分结果与途径无关，因此被积函数是某个态函数的全微分用U表示这个态函数，即由能量守恒定律可以判定，系统既然有净能量输入，则它绝不会自行消失，而必然以某种方式储存于热力系统中，称为系统的热力学能（内能）。内能是一个态函数。外部储存能外部储存能系统，需用系统外参考坐标系内测量的参数来表示。*宏观动能： 质量为m的物体以速度c 运动时，所具有的宏观动能为*重力位能： 质量为m的物体在参考坐标系中的高度为z时，具有的重力位能为系统的总储存能*系统的总储存能为内、外储存能之和：*比储存能e为考虑外部储存能时，闭系的能量方程式可表示为：第六节 热力系与外界的物质交换质量守恒方程式对于开口系统，在某过程中有物质流入流出若流入质量为m ，流出质量为m ，则开系的质量增加为这就是开系质量守恒的一般形式。若在流动过程中流道内各点流体的热力状态及流动情况不随时间变化，则为稳定流动过程。用方程式表示为推挤功和流动功将物质移入具有一定压力的热力系需要作功。如左图所示，气缸内有面积为A的无重量活塞，有一重物置于其上对活塞产生平均压力p。若由外界将气体引入气缸内，则需要对抗压力p作功。若移入m千克气体后使活塞上升高度h，则在此过程中外界需付出的功量为:这称为外界对系统所作的推挤功。流体在流道内流过，取1、2两截面间的流体作为热力系。当一定量流体从截面1进入热力系时，外界需克服P作推挤功PV。而当流体从截面2流出时，系统对外界作推挤功PV。流体从截面1流入，从截面2流出的过程中，系统付诸于质量迁移所作的功称为流动功，用Wf表示推挤功是为克服某种作用力，气体发生宏观位移所消耗的功。在移动过程中气体仅发生位置变化，而无热力状态的变化。流动功是流动过程中气体穿过边界进出开系时与外界交换的推挤功的差值。因此，流动功可视为流动过程中系统与外界由于物质的进出而传递的机械功。如果移动的工质为1kg，则其流动功为比流动功。第七节 热力学第一定律的表达式基本表达式以上表达式为热力学第一定律的基本表达式，反映了热力系能量在转换过程中之间量的关系，适用于闭系内进行的一切过程（包括各种非平衡过程及准平衡过程）。稳定流动能量方程式*开口系能量方程式：*稳定流动能量方程式：它们可用于各种相关的能量过程的分析。由于不同过程中参与转换的能量形式不同，因而其能量守恒方程式也会呈现不同的形式，但都是“能量守恒”这一原则在不同情况下的体现。焓 *定义式：H=U+pV J，相应的比焓为 h = u + pv J/kg 。*实质：是状态参数，是由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量。*物理意义：流动工质的热力学能和流动功之和。第八节 能量方程式的应用热力学第一定律的能量方程式是能量守恒定律应用用热力过程的数学描述，是一切热力过程应遵循的共同准则，不同的具体过程，具有不同形式的能量方程式。热力发动机热力发动机包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机等。气体流经气轮机发生膨胀，压力下降，对外作功。如左图所示，取1-1、2-2截面间的流体为热力系。气流流经气轮机的流动特征：*若气轮机处于稳定工况，流动为稳定流动。*气流经气轮机进出口速度相差不大，*气流对外散热损失甚微，Q=0；*进出口气体重力位能之差甚微，z=0。气体流经气轮机时的能量方程式在气轮机中气流对外输出的净功量（轴功），等于其进出口焓差。喷管喷管是使气流加速的变截面流道的热力设备。取喷管进出口截面间的流体为热力系，假定流动是稳定的。喷管实际流动过程的特征：*气流对外散热损失甚微，Q=0；*气流流经喷管无净功输入或输出，W =0；*进出口气体重力位能之差甚微，z=0。气体流经喷管时的能量方程式喷管中气流宏观动能的增加是由气流进出口焓差转换而来。气轮机叶轮气流流经气轮机叶轮上的动叶栅，推动转轮回转对外作功，取叶轮进出口截面间的流体为热力系。气流经气轮机叶轮的流动特征：*气流对外散热损失甚微，Q=0；*进出口气体重力位能之差甚微，z=0；*在一般冲击式气轮机中，气流流经动叶栅时热力状态不变化，h=0。气流流经气轮机叶轮时的能量方程式在气轮机叶轮中是将气流的宏观动能差转化为对外的机械功的单纯的机械能变换过程。压气机压气机是消耗外功而使气体升压的设备，工程上常见的压气机有活塞式和回转式。气流流经压气机的流动特征：*对外略有散热，进出口气流的动能差和位能差可以忽略。能量方程式热交换器电厂中的锅炉、加热器等换热设备均属热交换器，左图为一表面式热交换器，取1、2截面间的流体为热力系。流体流经热交换器的流动特征：*无净功输入或输出，忽略进出口流体的动能差和位能差。气流在热交换器中得到的热量等于其焓的增加量。节流过程节流过程是气体流经管道中的阀门或缩孔时发生的一种非平衡的流动过程。取图示1、2截面间的流体为热力系。节流过程可简化为：*绝热，无净功输入或输出，忽略1、2截面流体的动能差和位能差。能量方程式在绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变。第九节 非稳定流动的能量方程式非稳定流动，流体在流道内的状态及其对外的热量功量交换随时间而变化。非稳定流动能量方程式非稳定能量方程的应用均匀状态定态流动充气过程：在充放气过程中，每一瞬间整个容器内气体各处的参数一致；在充气过程中，通过容器边界进入容器的气体进口状态不随时间变化。假定干管中气体的参数不变，充气过程可进行到容器中气体的压力等于干管中气体的压力时为止。自然，也可在任何低于干管气流的压力下中止充气过程。选容器边界所围的空间作热力系，为开口系统，进行绝热充气的条件为：忽略进入容器时气体的动能和位能变化，得到能量方程式为在充气过程中，容器内气体热力学能的增量等于充入气体的焓。1.1.3 熵与热力学第二定律第一节 热过程的不可逆性与不可逆过程相关的几个概念*不可逆过程：系统经历某过程后，不能逆行而使正过程在系统及环境中所引起的变化在逆过程中全部得到消除的过程。*自发转变：过程自动地（无条件地）或单独地（百分之百地）转变。*耗散效应：不可逆过程中使功变为热的效应。*外部不可逆因素：对所取热力系而言，系统与外界环境之间的不可逆因素。*内部不可逆因素：对所取热力系而言，内部的不可逆因素。几个典型的不可逆自然过程*功的耗散：功可自发、完全地转变为热，而从单一热源取热不可能使其转变为功。*不等温传热过程：有限温差作用下热可自发地由高温物体传向低温物体，但不能自发地从低温物体传向高温物体。*无阻膨胀：（动画下页所示）隔板将容器分为A、B两边，A边盛有气体，B边为真空。若抽去隔板，则A边气体将膨胀并移向B边。因B边为真空，对A边气体的膨胀没有造成阻力未对外完成功量，为无阻膨胀（自由膨胀），是工程上常见的一种自发过程，但其逆过程-自动压缩（或无功压缩），却是不可能实现的。*混合过程：不同气体的混合过程可以自发进行，但混合物的分离却需消耗外功。不可逆过程的特点一切不可逆过程在其不可逆这一特性上是完全等效的。各种不可逆因素并不是孤立无关而是有内在联系的。第二节 可逆过程可逆过程的一般性定义当系统完成某一过程后，若能使过程逆行而使系统及外界回复到原始状态不遗留下任何变化的过程。可逆过程的基本特征准平衡过程；在过程中不应包含任何诸如摩擦、磁滞、电阻等耗散效应；可逆过程中不应包含任何一种外部的或内部的不可逆因素。可逆过程的实现条件过程为准平衡过程且无任何耗散效应。 可逆过程与准平衡过程的比较*区别：准平衡过程着眼于热力过程中系统所经历的各状态的特征而可逆过程则着眼于过程所产生的效果，可逆过程是一个理想的极限过程，是不可能实现。*联系：一个可逆过程必须同时也是一个准平衡过程，但准平衡过程则不一定是可逆的。第三节 热力学第二定律热力学第二定律的实质热过程不可逆（热力学第二定律是经验定律）。热力学第二定律的几种说法*克劳修斯说法（1850年）：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。*开尔文说法（1851年）：不可能从单一热源取热，并使之完全变为有用功而不产生其它影响。*普朗克说法：不可能制造在循环动作中把一重物升高而同时使一热库冷却的一部机器。各种说法表述的是一个共同的客观规律，彼此等效，一种说法成立可推论另一种说法的成立，任何一种说法都是其它说法在逻辑上导致的必然结果。热力学第二定律的推论*一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，而一切不可逆循环的克劳修斯积分小于。*对于任意可逆循环，闭合积分 等于零，因此被积函数是某态函数的全微分，这个态函数定义为熵。*孤立体系熵增原理：在孤立体系内，一切实际过程（不可逆过程）都朝着使系统熵增加的方向进行，或在极限情况下（可逆过程）维持系统的熵不变，而使系统熵减小的过程