清大熱工基礎課件01基本概念

第一篇工程熱力學第一章基本概念1-1

熱機、工質、熱源與熱力系統(tǒng)熱機：能將熱能轉換為機械能的機器。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機和噴氣發(fā)動機等。

工質：實現(xiàn)熱能和機械能之間轉換的媒介物質。

熱源：本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數(shù)沒有明顯變化的物體。

例如：空氣、燃氣、水蒸氣、等。例如：鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。提供熱量的熱源稱為高溫熱源；吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。熱力系統(tǒng)：

在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，稱之為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的物體稱為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。

邊界閉口系統(tǒng)（1）閉口系統(tǒng)：

與外界無物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質量始終保持恒定，也稱為控制質量系統(tǒng)。

外界（2）開口系統(tǒng)：

與外界有物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統(tǒng)。

進口出口（3）絕熱系統(tǒng)：

與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系統(tǒng)：

與外界

既無能量（功、熱量）交換又無物質交換的系統(tǒng)。1-2

平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1.平衡狀態(tài)（1）熱力狀態(tài)：

系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

（2）平衡狀態(tài)：

系統(tǒng)內部各處的宏觀性質均勻一致、不隨時間而變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

系統(tǒng)內部不存在熱量傳遞，即各處的溫度均勻一致的狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。（4）非平衡狀態(tài)：

系統(tǒng)內部存在不平衡勢（溫差或壓差），因此存在能量或質量傳遞的宏觀物理狀況。非平衡狀態(tài)不能用狀態(tài)參數(shù)來描寫。

狀態(tài)參數(shù)的特點：（3）狀態(tài)參數(shù)：

用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、比體積等。狀態(tài)確定，狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也確定，反之亦然。2.基本狀態(tài)參數(shù)

工程熱力學中常的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。

（1）壓力單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）單位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，

1MPa=103kPa=106Pa

常用壓力單位：

1bar（巴）=105

Pa

1atm（標準大氣壓）

=1.013

105

Pa

1at（工程大氣壓）

=0.981

105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.3Pa壓力測量：絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv

只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。（2）溫度溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內部微觀粒子熱運動的強弱。當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。1）溫度的物理意義溫度相等熱平衡2）熱力學第零定律：

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。ABC3）溫標：溫度的數(shù)值表示法。

建立溫標的三個要素：

a.選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；b.確定溫度標尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)。攝氏溫標:

在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0℃

，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01℃。瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0℃

和100℃溫度下的體積差均分100份，每份對應1℃。

用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T表示，單位為K（開）。熱力學溫標（絕對溫標）:

英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16.。熱力學溫標與攝氏溫標的關系：溫差:1K=1℃t=T

–273.15K國際單位制（SI）采用熱力學溫T度作為基本狀態(tài)參數(shù)。4)溫度的測量a.接觸式:水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.非接觸式:光學輻射高溫計激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法（3）比體積定義：單位質量的工質所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg。密度：單位體積工質的質量，用符號

表示。單位為kg/m3。

比體積和密度二者相關，通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。1-3

狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖（1）狀態(tài)公理對于和外界只有熱量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）的簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個獨立的參數(shù)（如p、v；p、T或v、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。

（2）狀態(tài)方程式表示狀態(tài)參數(shù)之間關系的方程式稱為狀態(tài)方程式。如：（2）狀態(tài)參數(shù)坐標圖在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)。以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的坐標圖。1-4

準平衡過程和可逆過程

（1）熱力過程系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的變化過程。

（2）準平衡過程（準靜態(tài)過程）

所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準平衡過程可以近似地用連續(xù)的實線表示。

在系統(tǒng)內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行較慢、弛豫時間非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作為準平衡過程。pv12（3）可逆過程

如果系統(tǒng)完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復到原來的狀態(tài)，并且不給外界留下任何變化，這樣的過程為可逆過程。實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等?？赡孢^程是一個理想過程?？赡孢^程的條件：準平衡過程＋無耗散效應。1-5

功量與熱量

1.功量與示功圖

(1)膨脹功

工質在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。

符號：W

單位：W或kJ

對于微元可逆過程，對于可逆過程1～2：單位質量工質所作的膨脹功用符號w表示，單位為J/kg或kJ/kg。(2)示功圖（p-v圖）

功是過程量而不是狀態(tài)量。膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv

<

0,w<0

w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示。2.熱量與示熱圖

（1）熱量

系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量。符號：Q；單位：J或kJ。

單位質量工質所傳遞的熱量用q表示，單位為J/kg

或kJ/kg。熱量正負的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱：q>0;系統(tǒng)放熱：q<0。

熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量

在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。

功量：熱量：

s稱為比熵。比熵同比體積v一樣是工質的狀態(tài)參數(shù)。

比熵的定義式：

（可逆過程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。對于質量為m的工質，S