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热工基础 第一章 基本概念

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热工基础第二讲

热工基础第二讲

T2 T1

Q2 Q1
p1V1 T1

p2V2 T2
26
温标
国际温标：各国公认并执行的唯一法定温标 国际温标通常具备以下条件：
① 尽可能接近热力学温标； ② 复现精度高，各国均能以很高的准确度复现 同样的温标，确保温度量值的统一； ③ 用于复现温标的标准温度计，使用方便，性 能稳定。
27
国际温标（ITS-90）
1-5 工质的状态变化过程（热力过程）
1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
3
物质三态中 气态最适宜。
名词定义
热源（高温热源） ： 工质从中吸取热能的物系。可恒温可变温 例如：锅炉、燃烧室、汽缸、工艺余热等
冷源（低温热源） ： 接受工质排出热能的物系。可恒温可变温 例如：环境、工艺余冷、土壤等
温度T(K) 933.473 1234.93 1337.33 1357.77
物质 Al Ag Au Cu
状态 凝固点 凝固点 凝固点 凝固点
ITS-90 定义的固定点总共17个，这些固定点的准 确度为mK级；低温下限延伸了，按3He蒸汽压方程， 下限定到0.65K。
31
2. 标准仪器 将ITS-90的整个温标分为4个温区，其相应标
( K、℃、℉)
℉在我国不常用，而在欧美比较常用。国家相关标准 中规定，符号t表示摄氏度(℃)，符号T表示开尔文(K)。
C
=
5 9
(F
- 32)
F = 9 C + 32 5
33
温度单位
温度单位
1-3 工质的热力学状态及基本状态参数 2. 压力：
定义： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)

热工基础第一章

热工基础第一章

第二节
一、能源分类
能源及其利用
能源：水力能、风能、太阳能、地热能、 能源：水力能、风能、太阳能、地热能、 化学能、原子核能、海洋能等。 化学能、原子核能、海洋能等。 分类： 分类： 1、按来源分三类 第一类能源：来自地球以外的太阳辐射能。 第一类能源：来自地球以外的太阳辐射能。
第二类能源：来自地球本身的能源。 第二类能源：来自地球本身的能源。 第三类能源： 第三类能源：来自月球和太阳等天体本身 的能源。 的能源。 2、按形态分两类 一次能源：自然界中现成存在、可直接而未 一次能源：自然界中现成存在、 改变其基本形态的能源。如煤炭、石油、 改变其基本形态的能源。如煤炭、石油、 地热能、水力能、风能、海洋能等。 地热能、水力能、风能、海洋能等。 二次能源： 二次能源：由一次能源经过加工转换成另 一形态的能源。如电力、煤气、沼气、 一形态的能源。如电力、煤气、沼气、 焦碳等。 焦碳等。
二、能源利用 1、能源利用发展 能源利用分为三个时期：柴薪时期、 能源利用分为三个时期：柴薪时期、煤炭 时期、石油时期、核能时期。 时期、石油时期、核能时期。 2、能源利用与经济发展 能源与国民经济和人民生活水平
3、能源与环境 （1）温室效应与热污染 （2）酸雨 （3）臭氧层的破坏 （4）放射性污染 （5）其他污染 4、能源利用与可持续发展 5、我国能源状况
5、按性质分两类 含能体能源：集中储存能量的含能物质。 含能体能源：集中储存能量的含能物质。 如煤炭、 如煤炭、石油等 过程性能源： 过程性能源：物质在运动过程中产生和提 供的能量，此种能量无法储存， 供的能量，此种能量无法储存，并随着 物质运动过程结束而消失。如潮汐能、 物质运动过程结束而消失。如潮汐能、 水力能、风能等。 水力能、风能等。
热工基础及应用

热工基础

热工基础

三、水蒸气图表及应用
1、水蒸气表 饱和水和干饱和蒸汽表： 按压力排列 按温度排列 附表1 附表2
未饱和水和过热蒸汽表
附表3
注意：
P18（1）~（3）
2、水蒸气图 （1）T-s图
（2）h-s图
第二节 水蒸气的典型热力过程
一、换热器内的定压流动过程
q h2 h1
二、汽轮机内的绝热流动过程
（3）比容：单位质量物质所占的容积 v=V/m 单位： m3/kg
密度：单位容积内物质的质量
ρ=m/V
关系： v× ρ=1
单位： kg/m3
三、系统状态的改变
（1） 过程： （2）准静态过程： 定义：若工质在平衡被破坏后能自动回复平衡，且回复所需
的时间，即驰豫时间又很短，又若过程进行得缓慢，经历的时
绪论
一、能源知识概述
一次能源：以现存的形式存在于自然界的能源 能源 二次能源：通过人类的生产活动，依靠一次能源 制取的能源 。 非再生能源：煤炭、石油、天然气等化石燃料 一次能源 及原子核能燃料。 再生能源：水力、风力、草木燃料、地热能
和太阳辐射能等。
二次能源中，电能是最具生命力的优质能源。
二、电力的主要生产方式及其生产过程
第一节 热力学基本概念
热力学的研究方法
1、宏观研究方法：
2、微观的研究方法：
一、系统及其类型
热力系统：人为分割出来以作为热力学分析的 对象。
外界：系统周围的物体 边界：系统和外界之间的分界面
边界可以是实际存在的，也可以是假想的。
边界可以是固定的，也可以有位移或变形。
热力系统的类型：
闭口系统（控制质量）:系统与外界只有热量或 功的能量交换而无物质 的交换 开口系统（控制容积）:系统与外界不仅有能量 交换而且有物质的交换 孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质 的交换 绝热系统：系统与外界仅限无热量交换

热工基础第一节 (1)

热工基础第一节 (1)

q
t2 x
qdx dt
0 t1
x
t
0
x
δ
A：当λ
积分
为常数时
qx (t t1 )
q
所 以 ：t t1

t
x
（温度分布）
t t1 (W／m2 ) dx
当x＝δ时，t=t2代入得
q t1 t 2



若给定面积F:
Q qF t1 t 2
（1）、导温系数（或热扩散率）
物理意义： 物体内部扯平温度的能力；或不稳定温度场内物体各部分温 度趋于一致的能力；或者说是不稳定温度场内物体温度随时 间变化能力。单位：m2/s。
例如：对两个物体加热
t 100℃ Q τ 1τ 20℃ τ τ
2 4 3
t 100℃ Q τ
1
τ
τ τ
2
4 3
a大
a小
a C p 大或C P小
热焓的增量：
内热源产生的热量
t dH c p dt m c p d dv
qv dvd
根据能量守恒： 热焓的增量=传入的热量-传出的热量+内热源产生的热量 即：热焓的增量=净热增量+内热源产生的热量 将上面各式代入：
dH dQ1 qv ddv
t 2 t1
x
δ

dt t2 t1 (t1 t2 ) t x t1 q dx
方法2： 运用付氏定律
在距离板左侧面x处，取一微元体dx 列傅里叶定律的表示式
q dt dx
t1 t dx
注：这里传热面积相同，可直接用热 流密度公式求解，否则不可以。 将上式分离变量后进行积分：

热工基础 1 第一章 基本概念

热工基础 1 第一章 基本概念

平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
平衡：时间上 均匀：空间上
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-2 平衡状态和状态参数
2、基本状态参数 热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体 积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测 量的状态参数如压力、温度、比体积，称为基本状 态参数。 （1）压力 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
ds 0 ， q 0 ， 系统吸热； ds 0 ， q 0 ， 系统放热。 ds 0 ， q 0 ，系统绝热，定熵过程。
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-3 状态方程与状态参数坐标图 1 状态公理 对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或 压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数 （如p、v；p、T 或v、T）便可确定它的平衡状态。
温度相等
热平衡
Fundamentals of thermal engineering
热
工基Βιβλιοθήκη 础1-2 平衡状态和状态参数
② 热力学温标（绝对温标） 英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定 律基础上建立，也称开尔文温标。用符号 T 表示， 单位为 K（开）。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其 温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的 1/273.16.。
规定：系统对外界作功“＋”，外界对系统作功“－”
膨胀：dv > 0 , w > 0
Fundamentals of thermal engineering

热工基础chapter1

热工基础chapter1


压力的测量：
P = Pb+ Pg
P = Pb－Pv
0 pb pg p 0 pb p pv

比容(v)：单位质量的工质所占有的容积。

V 单位：m3/kg v m 密度(ρ)：比容的倒数。单位容积内工质的质量。
m 1 V v

热力学的几个概念

热力系统：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所

工质是指参与热功转换的媒介物质。
如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。

状态参数是描述工质在某一给定瞬间 的物理特性的各个宏观物理量。

基本状态参数—温度、压力、比容。

温度：表示物体冷热程度的物理量。
热力学中，温度的测量采用热力学温度 T）， 单位是开尔文（K）。 T = t+273.15 (K)
• 本课程研究最多的是由可压缩物质组成的，无化学
反应、与外界有能量交换的有限物质系统，称为简 单可压缩系统。
闭口系与系统内质量不变的区别：
闭口系内工质的质量不变，但系统内质量不变 的系统不全是闭口系。如取一段水管为系统，若流 入和流出的水的质量相同，系统内质量不变，但在 系统的进、出口处有水流进、流出，所以系统是开 口系。
开口系与绝热系的关系：
开口系强调的是质量是否 越过边界，而绝热系强调是否 有热量越过边界。如气流稳定 流经刚性绝热喷管，若取红线 内气体为系统，则 系统为闭口系；若取喷管为系统，是开口系，虽然 流出气体的温度小于流入气体的温度，由于系统与 外界没有热量交换，所以也是绝热系。t2<t1，仅说 明流出气体的热力学能小于流入气体的热力学能。
u1 1 2 c1 gZ1 p1v1 2
该工质从2-2截面流出系 统时，传出系统的总能量 为：

热工基础第01章流体的基本概念和物理性质

对密度一般指某种气体与标准状态下干空气密度 （1.293kg/m3）的比值。天然气的相对密度是指与 相同压力和温度的干空气密度之比。
d f
流体的密度 参考流体密度
根据物质的相对密度推测其消防特性
• 相对密度小于1的易燃和可燃液体发生火灾不 应用水扑救，因为它会浮在水面上，非但不能 灭火，反而随水流散，扩大了火势，因此应使 用泡沫、干粉灭火。
一、流体的黏性概述
1.流体的黏性：流体抵抗剪切变形的性质。 黏性阻碍各流层或微团间的相对运动。
2.黏性作用而产生的力
黏滞力：流体各流层或微团间发生相对运 动而产生的内摩擦力。
附着力：流体与固体间的摩擦力。
3. 产生黏性的主要因素：液体是分子间吸 引力，气体是分子热运动。
黏性实验
流体流过壁面时流速分布
流体连续介质假设的合理性： 工程上所采用的一切特征尺度都 比分子距离大得多，分子间距可 忽略。 流体连续介质假设的局限性：
当所研究问题的尺寸小于或相当于 分子间距离时，假设不适用。
如：火箭在高空非常稀薄的气体中 飞行；高真空技术中。
第二节 流体的压缩性和膨胀性
有一采暖系统如图所示。求泵出口水管体积流量和 锅炉出水管体积流量。
流体包括液体和气体。 常用的流体工质有：水、空气、油等。
二、流体的特性
流体区别于固体的主要特性：流动性
流动性：流体在静止时不能承受剪切力的性质
表现：
流体静止时不能承受切向力； 流体无固定形状，由约束它的边界决定；
固体
液体
流体的运动和变形联系在一起。
气体和液体的异同
液体
• 液体和气体的不同点：
qv2,p2,t2
用户
锅 炉

热工基础(张学学 第三版)复习知识点


式
数间的关系
交换的功量
w /( J / kg) wt /( J / kg)
交换的热 量
q /(J / kg)
定容 v 定数 定压 p 定数 定温 pv 定数
定熵 pvk 定数
v2

v1;
T2 T1

p2 p1
p2

p1
;
T2 T1

v2 v1
T2
T1;
p2 p1

v1 v2
p2 p1
1.理想气体：理想气体分子的体积忽略不计；理想气体分子之间
无作用力；理想气体分子之间以及分子与容器壁的碰撞都是弹性
碰撞。
2.理想气体状态方程式（克拉贝龙方程式）
PV mRgT
其中 R 8.314J /(mol K )，
或 PV nRT
RgΒιβλιοθήκη R M3.定容比热与定压比热。
定容比热 cV
wt

1 2
c f
2

gz

ws
当 p2v2 p1v1 时，技术功等于膨胀功。
当忽略工质进出口处宏观动能和宏观位能的变化，技术功就
是轴功；且技术功等于膨胀功与流动功之差。
在工质流动过程中，工质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏
观动能和宏观位能的差额即为轴功。
7.可逆过程的技术功：
wt


2
vdp
6.边界：系统与外界的分界面。
7.系统的分类：
（1）闭口系统：与外界无物质交换的系统。
（2）开口系统：与外界有物质交换的系统。
（3）绝热系统：与外界之间没有热量交换的系统。
（4）孤立系统：与外界没有任何的物质交换和能量（功、热量）

热工基础


绝对压力p ——工质的真实压力 大气压力pb（近似取值0.1Mpa） 表压力pe、真空度pv
只有绝对压力 p 才是状态参数。
环境压力的是变化，波动的；因此，表压力和真空度也会变化。
p = p b + pe p = pb - pv
温度 ——是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低
反映物体内部微观粒子热运动的强弱。
表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。
两个独立的状态参数就能确定简单可压缩系统的平衡
状态，因此以两个独立的状态参数为坐标所构成的坐标
图（状态参数坐标图）上，每一点都代表一个平衡状态。
p f (v, T )
联系各个点的路径就是 具体实现该状态变化的过程。
T f ( p, v)
的宏观运动及重力场位臵）
比热力学能：单位质量工质的热力学能 。
符号：u；单位：J/kg 或kJ/kg。
物理学中，气体分子的动能主要取决于温度，位能与比 体积有关，因此，比热力学能只取决于热力学温度、比体 积，即取决于热力状态，反应了一种状态, 是状态参数。
气体工质的比热力学能可表示为
u f (T , v)
必须遵循。
即，热力过程进行中，能量的总量守恒，同时伴随一
定形式的能量转换或传递（转移）。
能量既不会凭空产生，也不会自己消失，只会从一种形 式转换为另一种形式，或从一处传递到另一处。总量守恒。
2-1 热力系统的储存能
热力系统储存能— 储存于
热力系统的能量 1. 热力学能 不涉及化学变化和核反应时，物质分子热运动的动 能和分子间的位能之和（热能）。 热力学能符号：U，单位：J 或kJ 。 热力学能（取决系统本身的状态） 宏观动能、宏观位能（系统

第一章 绪论 热工基础

本章提要及安排本章提要:本章阐明热力学系统（热力系）的定义及其描述，着重介绍热力系的平衡状态的概念，描述平衡状态的基本状态参数比体积、压力和温度，及体现三者相互关系的状态方程式。

定义了热力系的准平衡过程并对热力循环作了初步的介绍．本章要求:1．了解热力系的定义，平衡状态的概念和应满足的平衡条件。

2．掌握基本状参数p、v、T 的定义、计量及不同单位间的换算。

3．了解准平衡过程的定义及提出准平衡过程的意义和作用。

4．对不同的热力循环及其作用建立起初步的概念。

学习建议：本章学习时间建议共4学时：1．热力系及其描述 1学时2．基本状态参数 1学时3．状态方程式，状态参数坐标图 1学时4．热力过程及热力循环1学时1.1 热力系及其描述本节知识点：热力系平衡状态状态参数的特性本节疑问解答：思考题1.1.1思考题1.1.2思考题1.1.3思考题1.1.4思考题1.1.5本节基本概念：热力系外界界面开口系控制容积简单热力系绝热系孤立系可压缩系统简单可压缩系统热源尺度量强度量热力状态参数力学状态参数1.1.1 热力系在对一个现象或—个过程进行分析时为了确定研究的对象，规划出研究的范围，常从若干物体中取出需要研究的部分．这种被取出的部分叫做热力学系统，简称热力系。

热力系以外的物质世界统称为外界（或环境）。

热力系与外界的分界面叫做界面（或边界）。

所谓热力系，即是由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。

热力系与外界之间的界面可以是真实的，也可以是假拟的，可以是固定的，也可以是运动的。

在一般情况下，热力系与外界处于相互作用中，彼此可交换能量(如热量及各种形式的功)及物质。

按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分类为：闭口系(或闭系)——热力系与外界无物质交换，或者说没有物质穿过边界。

此时．热力系内部的质量将保持不变，称为控制质量(C.M.)，故闭口系即是我们所研究的某“控制质量”。

开口系(或开系)——热力系与外界之间有物质交换，或者说有物质穿过边界。

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������������ = ������������ − ������ ������������ ������ = ������������ − ������������
pg pb p>pb p pv p pb
p=0
p<pb

温度
表示物体冷热程度的物理量。相互接触的物体，当 他们的温度相同时，则表示他们处于热平衡

压力也就是在物理学中的压强(点击)，按照分子 动力学的观点，气体压力是大量分子与容器避免 之间碰撞产生的宏观现象
������ ������ = [������/������2 ] ������
可以用绝对压力、表压力和真空度三种形式表示。
(1) 绝对压力 p
工质的真实压力，为状态参数。
(2) 表压力 pg
������������ = ������������������ ������ (m kg) ������������ ������ = ������������ (1 kmol)
������������ = ������������������ (n kmol)
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
系统中各处压力、温度均匀一致的状态，称为平衡状态。
当系统处于平衡状态的时候，系统中所有的状态参数都有
确定的数值，并且是一个定值。只有处于平衡状态的系统，
它的所有状态参数才会有确定的数值。

如果没有外界影响，平衡状态不会发生破坏，状
有 系 统
限 外 界
孤立系统
合理选择系统是进 行热力系统正确分 析求解的前提
一方面将一个对象抽象 成什么系统
第二方面，系统的边界 在哪
绝热系统可否与外界交换功?
可以，系统与外界没有热量交换，就是绝热系统
开口系统可不可以是绝热系统？
可以，工质在越过边界时，其热力学能也越过了 边界，但热能不是热量，只要外界与系统没有热 量交换，就是绝热系统
绝对压力高出当地大气压的数值。
������������ = ������ − ������������ ������������ ������ = ������������ + ������������
测量仪表
压力表 U型管测量计
常用单位
Mpa Pa 或 mmH20
(3) 真空度 pv
绝对压力低于当地大气压的数值。

理解热力学的有关基本概念，了解引出这 些基本概念的意义和作用。
掌握热力学系统、热力学状态与状态参数、 理想气体状态方程式、平衡状态、热力学 过程与循环、比熵、准静态过程和可逆过 程、状态参数坐标图等概念。 熟练应用功和热量的计算式。




1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量


状态参数是状态的单值函数，值取决于工质所处 状态，与过程无关
设x为任意状态参数，则
������2 ������1
������������ = ������2 − ������1 ,
������������ = 0
若x = f(y, z)，则可得 ������������ ������������ ������������ = ������������ + ������������ ������������ ������������ 状态参数的积分与路径,状态参数 的微量是一个全微分

系统：是被人为分离出来，作为研究对象
的物质的总称。

外界：系统以外的其他物质(物体)。 边界：系统与外界的分界面。
气缸活塞 外界 Ⅰ （环境） 系统
Ⅰ
管道
Ⅱ
流动介质
系统
系统
外界
边界
外界
边界
Ⅱ
边界
边界可以是真实存在的，也可以是虚拟的，可 以是固定的，也可以是运动的

系统分为闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立
参数,两者互不独立，常以比体积作为状态参数。
表压力或真空度能否作为状态参数
进行热力计算?
不能，因为这两者都并非物质的绝对压力，只有 绝对压力可以作为状态参数进行热力计算
真空度越大，被测对象的实际压力
是越大还是越小？
越小，因为实际压力等于当地大气压减去真空度。



1.1 热力系统
系统、简单可压缩系统等。
绝热系统指的是系统与外界不存在热交换
W
闭口系统指的是系统与外界没有物质交换（控制质量系统）
W
Q Q
开口系统指的是系统与外界有物质交换，但是一个划定的 空间范围（控制容积系统）
孤立系统：与外界没有功、热、物质交换的系统
严格来讲，自然界是不可 能存在完全绝热和孤立的 系统，但工程上存在无限 接近绝热或孤立的系统， 那么绝热系统与孤立系统 的概念具有指导的意义。

温标
温度的数值表示方法，常用的温标有：
(1) 热力学温标，T (K)（水的三相点为基准点，273.16K） (2) 摄氏温标，t (oC) (3) 华氏温标，tf (oF)
������ = ������ + 273.15 ������ ������������] ������ = 5 (������ − 32) [ 9 ������

比体积和密度(v，ρ) ������ = ������ =
������ ������ ������ ������
������������/������3 ������3 /������������
密度单位体积内物质的质量
比体积指的是单位质量的物质所占的体积
比体积是一个状态参数，则密度肯定也是工质的一个状态


1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量

热力学状态(状态) 系统中工质在某瞬间所呈现的宏观物理状态。
状态参数 用来描述工质状态的物理量，比如p, v, T, u, h, s等。

工质 实现热、功转换的工作物质，如空气、水蒸气、 制冷剂等。
态参数也不会随时间改变。

当系统与外界有功、热交换时，保持平衡状态的
条件是系统内外处于力的平衡和热的平衡。

反映p、v、T三个状态参数之间关系的表达式。
������ ������, ������, ������ = 0
p p1 1 2
p2
p-v图
v1 v2 v

分子不占体积 分子间无作用力
p就是压力，单位为pa， v为比体积，单位为 m3/kg，T为温度，单位 是K,计算时候采用国标