工程热力学第一章lm讲解

第1章（第一章）基本知识本章将介绍推导热力学第一定律能量方程式所需要的概念。

在这部分里，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类，突出“工程热力学”课程的整体性，明确指出“工程热力学”最关心的量是那些，最终要解决什么问题。

1.1.工质热能与物质是不可分割的，物质是热能的载体。

热能是物质内部以分子运动、振动、旋转和位能形式具有的内部微观能量，它可以随物质的转移而转移，也可以通过温差传热传给其它物质。

在温差的作用下两个物体之间传递中的热能叫做热量，热量是一个过程量。

热能与机械能之间的互换转化以及热能的转移都要借助一种工作物质，这种工作物质简称为工质(Working fluid)。

工质的种类很多，有气体、有液体。

例如水泵中的工质是水；制冷机中的工质是HCFC;汽油机中的工质是燃气。

Working fluid is the matter contained within boundaries of a system. Matter can be in solid, liquid, vapor or gaseous phase. The working fluid in applied thermodynamic problems is either approximated by a perfect gas or a substance that exists as liquid and vapor. The state of the working fluid is defined by certain characteristics known as properties.1.1.1.实际气体实际气体（actual gas）是比较复杂的，其分子有质量、有体积而且分子与分子之间有作用力。

实际气体的计算是比较复杂的【详见后面】。

如果模型复杂，有的问题就不可能用数学的方法解决。

在工程热力学中，为了解决一个复杂问题，经常将问题理想化、简单化，然后解决问题，再修正。

本篇主要讲述：热力学的基本概念及基本定律（热力 学第一定律、热力学第二定律）；理想气体的热力性质和 热力过程；参与能量转换与传递的工作介质（水蒸气、混 合气体、湿空气等）的热力性质；蒸汽动力循环；气体和 蒸汽的流动等工程热力学基础知识。
第一章
热力学基本概念
学习导引
本章介绍了许多重要的概念，对于后续内 容的学习非常重要。在学习过程中，应注意把 相关的概念串接起来，既对单个概念的物理意 义有较深刻的理解，又能从整体上将这些概念 有机的联系起来。
气缸
活塞
（2）开口热力系
1
进口
与外界有能量、
物质交换的系统。系
1
统的容积始终保持变。
（3）绝热热力系
与外界没有热 量交换的系统。
汽轮机
边界
2 出口
叶轮
2
（4）孤立热力系
与外界既无能量（功、热量）交 换又无物质交换的系统。
特殊热力系
如:热源
本身热容量很大， 且在放出或吸收有限量 热量时自身温度及其它 热力学参数没有明显变 化的物体。
提供热量的热源称 为高温热源；吸收热量 的热源称为低温热源。
高温热源
吸热Q1 作功W
热机 机械能
放热Q2
低温热源
第二节 工质的热力状态和基本状态参数
工质在进行热
量传递和能量转
锅
换的过程中, 其
炉
状态不断发生变
化．
汽机轮
凝 汽 器
一、 热力状态和状态参数
１．热力状态
——工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态， 简称状态。
• 可为真实的物质、设备或假想的热力学模型 如:泵中的水、汽轮机 、卡诺热机
如:对小球进行受力分析

R MRg
工程热力学
四、 状态参数坐标图（parametric coordinates）
一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平 面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐 标上找到对应点，如：
p
p1 1
T
T2 2
p
p3 3
O
v1
河北理工大学
vO
s2
sO
T3
T
附：纯物质的p-v-T图
工程热力学
ppbpv (ppb) ppbpe (ppb)
河北理工大学
工程热力学
常用压力单位：
1Pa 1mN2 1MPa 1106Pa 1bar 1105Pa 1atm101325Pa 760mmHg 1mmHg 133.32Pa 1mmH2O9.80665Pa
工程热力学
1kPa 1103Pa
河北理工大学
环境压力与大气压力 环境压力是压力表所处环境 注：环境压力一般为大气压力，但不一定都是。
注意：1）不计恒外力场影响；
2）复相系未必不均匀—湿蒸汽； 单元系未必均匀—气液平衡分离状态。
河北理工大学
2. 按系统与外界质量交换
闭口系（closed system） （控制质量CM）
—热力系统和外界只有能量交换而 无物质交换
开口系统（open system） （控制体积CV） —热力系统和外界不仅有能量交换而
p A F c o s p b A(f 0 ) 准静态过程，可逆
河北理工大学
讨论：
工程热力学
1.可逆=准静态+没有耗散效应 2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于
系统内部及系统与外界作用的总效果 3.一切实际过程不可逆 4.内部可逆过程的概念 5.可逆过程可用状态参数图上实线表示

第一章 基本概念
1-1 热能在热机中转变成机械能的过程
➢ 热能动力装置
▪ 从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的 整套设备（包括辅助设备）统称为热能动力装置
▪ 燃气动力装置—内燃机，由气缸和活塞组成 ▪ 蒸气动力装置，由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组
成 ▪ 共性：用某种媒介物质（工质）从某个能源（高温
2.取全部气体为热力系，利用理想气体状态方程
m p1,minV1 p2 V1 VB
RgT1
RgT2
3.气球排斥大气作功，界面上反力为恒值，可用如下公式
计算
W p0V2 V1
➢ 过程热量
▪ 热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由 于温度不同而通过边界传递的能量
▪ 热量的单位是J（焦尔），工程上常用kJ（千焦）
➢ 可逆过程和不可逆过程
▪ 当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相 同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用 中所涉及到的外界亦回复到原来状态而不留下任 何改变，这一过程就叫做可逆过程
▪ 不满足上述条件的过程为不可逆过程
▪ 可逆过程的基本特征：是准平衡过程，满足热的 和力的平衡条件，同时过程中没有任何耗散效应
m
2
w12 1 pdv
▪ 工程热力学中约定：气体膨胀所作的功为正值， 外力压缩气体所消耗的功为负值
▪ 功不是状态参数而是过程量，功的数值不仅决定 于工质的初态和终态，还和过程的中间途径有关
▪ 闭口系工质在膨胀过程中所作的功一部分因摩擦 而耗散，一部分反抗大气压力作功，余下部分才 是可被利用的功
w=W/m 单位时间内完成的功称为功率，单位为W（瓦）
1W=1J/s
1kW=1kJ/s
➢ 可逆过程的功