工程热力学和传热学1

标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa
(3)绝对压力P 、表压力Pg、真空度Pv
相对压力
表压力Pg 真空度Pv
系统相对与大气压力的 数值（不是状态参数）
绝对压力
系统真实压力（是状态参数）
U形管式压力计示意图
U形管式压力计示意图
pb
pb
p
pg
p
pv 真空度
p pb
p pb pv
2.状态参数分类 强度量 尺度量 基本参数 压力、温度
体积、热力学能、焓、熵
压力、温度、体积 热力学能、焓、熵
导出参数
3.基本状态参数
a.压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。
(1)压力的单位：1N/m2 = 1Pa(帕）
1MPa = 106Pa ； 1bar = 105Pa (2)大气压力:Pb
一、状态及状态参数 状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物 理状况 状态参数：描述系统宏观特性的物理量
二、热力学平衡态 1.平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状
态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学 平衡态。
2.系统实现平衡态的条件
在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平 衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。
2 v
二、可逆过程
系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢 复到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。
可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不 一定可逆。 无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。
过程的不可逆因素： 1）耗散效应 2）有限温差传热 3）自由膨胀（作功为零）
隔板
自由膨胀
4）不同工质混合
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排气过程：活塞接近下死点时，排气门开， 在压差的作用下废气流出气缸。随后，活 塞左行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。
1.内燃动力装置
燃气进 口
排入大气
8
9
燃气轮机装置示意图
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2.蒸汽动力装置
锅炉—产生蒸汽（将燃料的 化学转换为热能并传递给工 质） 汽轮机—将蒸汽的热能转换 为机械能。 冷凝器—将乏汽冷凝成水。 水泵—使得工作介质循环 （保证系统内部的高压）。 工质（水、蒸汽）周而复始 地循环，进而实现将热能转 换为机械能的任务
工程热力学和传热学
第一篇 工程热力学
Engineering Thermodynamics
1
工程热力学是研究什么的？ What the Engineering Thermodynamics study for? 我们为什么要学习工程热力学？ Why we study Engineering Thermodynamics？
（4）孤立系统：isolated system系统与外界既 没有物质交换，也没有热和功的交换。
边界
Q A T1 T2 B
孤立系统内两 物体间的热传递
2.按系统内部状况分类 1）单相系和复相系 2）单元系与多元系
3）均匀系统与非均匀系统
系统的选取，取决于分析问题 的需要及分析方法上的方便。
第二节 热力状态及状态参数
第一节 热力系统 第二节 热力状态及状态参数 第三节 热力过程
第四节 热力循环
第一节 热力系统 Thermodynamic system
一、 系统、边界与外界 系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。 外界：surrounding系统之外与系统有关的物体。
边界：boundary系统与外界的分界面。
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原理，构造均不同。但是 共同本质：由媒介物通过吸热— 膨胀作功—排热 1 相同的能量转换形式 化学能 热能 机械能 2 工质 3 排热
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二、制冷装置中热量从低温处传 递到高温处的过程
制冷：以消耗机械功或其它形式的 能量为代价，使物体获得低于环境 的温度并维持该低温。
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q1
压缩机—吸入来自蒸发 冷凝器 器的低压蒸汽，将其压 膨 w 缩(耗功)产生高温高压 胀 压缩机 的蒸汽。 阀 冷凝器—使气体冷凝， 得到常温高压的液体。 节流阀—使液体降压， 1 产生低压低温的液体 4 q2 （含少量汽体）。 蒸发器—工质吸收冷藏 蒸发器 库内的热量，汽化为低 工质（气态或液态制冷剂）在压 压气体，使冷库降温或 气机的作用下周而复始地循环，进而 保持低温。 实现了制冷的任务。
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 进行的极限过程称为准平衡过程。
如过程进行的足够缓慢，则封闭系统所经历 的每一中间状态足够接近平衡态，这样的过程称 为准静态过程。
P
p1
1 准静态过程在p-v图上的表示
p2 v1 v2
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热力学（经典热力学）：研究能量 （特别是热能)性质及其转换规律的科学。 工程热力学：热力学的一个分支， 着重研究热能与机械能相互转换（热功转 换）的规律。
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具体的工程应用
节能潜力的评估
露点及控制
油船中剩余舱容的确定
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第二章 基本概念
Chapter 2 Basic Concepts
c.比体积和密度
比体积：单位质量工质的体积 密度：单位体积工质的质量 m3/kg kg / m3
=1/v
第三节
热力过程
热力过程:系统从初始平衡态变化到终了平衡态所经 历的全部状态，简称 “过程”。
一、准静态过程（准平衡过程）
弛豫时间：恢复平衡所需要的时间
图1 说明准静态过程用图
任何实际过程都是在有限势差推动下 进行的，因而都是不平衡过程。所谓准平 衡过程，只是实际过程当不平衡势趋于零 时的极限过程，是可以设想而不可能达到 的。
2
第一章
第一节 第二节
概
论
Introduction
热能及其利用 热能在热机中的转化过程
第三节 工பைடு நூலகம்热力学的研究对象、内 容和方法
3
第一节 热能及其利用
• 热能的直接利用
• 热能的动力利用
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直接利用：烘干、蒸煮、采暖、溶化等。 间接利用：热能→其他形式的能量（如： 机械能、电能——热力发电厂、以及车辆、船 舶、飞机等的动力装置） 热能的间接利用中，能量的转换是能量利用 的前提。 热动力装置工作的实质（热能动力过程的任 务）：热能→机械能（电能） 历史上，蒸汽机的应用，引起了历史上著名 的“工业革命”。 现代社会中，所消耗的机械能（电能）绝 大多数是由热能转换而来的（热力发电厂、核 电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机以及火箭发 动机等）。

区别平衡和均匀：例如水 和水蒸气组成的系统，不 受外界的影响，系统的宏 观 性质不随时间变化，处 于平衡状态。其中每一部 分是均匀的，但整个系统 是不均匀的。所以系统平 衡不一定均匀。对于单相 系，忽略重力 场的影响， 可认为是均匀的，可用统 一的、确定的状态参数描 述系统状态。
三、热力状态参数
p pb
p pb pg
pg pg
p
pb
pb
p
b.温度：表征物体冷热程度的物理量。
(1)热平衡定律(热力学第零定律)温度定义及
温度测量的基础
两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系 统彼此之间必定处于热平衡。 (2)温标 ： 温度的数值表示法 经验温标 根据测温物质物性变化作为温标 热力学温标 建立在热力学第二定律基础上 单位：开尔文（K） t(C)=T(K)-273.15
隔板
不同工质混合
内燃动力装置
燃气进 口
排入大气
P p1
1
关于可逆过程
2 v v1 v2
p2
三、状态方程和状态参数坐标图
1.状态方程 f ( p, v, T ) 0
2.状态参数坐标图
p1
P 1 准静态过程在p-v图上的表示
p2 v1 v2
2
v
其他状态参数坐标图：
T-s P-h h-s
第四节
热力循环
① 热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第 三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的 两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由 实验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。） 既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定 状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统 具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描 述。 ② 温度的定义：标志系统热平衡性质的物理量 为温度。一切处于热平衡的物体，其温度相等。上 述第三个系统，可作为测量温度的仪器，叫温度计。 ③ 温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。 它是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度 量。
边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是 移动的。通常用虚线标出。
Q W
系统的边界
系统的边界 膨胀中的燃气
流动中的工质
二、系统的类型
1.按系统与外界交换的形式分类 系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热 （1）开口系统：open system 系统与外界有 物质交换
工质流入 系统边界 W
研究对象：热能与机械能相互转换的规 律和方法以及提高转换效率的途径。
基本内容：1）基本概念和定律 2）工质的性质和过程； 3）工程应用。
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方法： 1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学) 2）微观方法；(微观热力学或统计热力学) 宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是从 宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理 量（状态参数）来描述物质所处的状态。优 点是直观、可靠。 统计热力学采用微观方法，优点是物理概念 清楚。
1.常用状态参数：压力、温度、体积、热力学能、焓和熵 重要特征：1）状态参数的数值由系统的状态唯一 定确定；2）当系统从初态变为终态时,状态参数 的变化量,只与系统的初、终状态有关,而与变化 的途径无关。 状态参数是系统状态的单值函数或点函数,状态 参数的微元变量是全微分。这是判断某一参数 是否为状态参数的充分和必要条件。 功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关， 还与过程有关。