多媒体教学课件 华北电力大学 能源与动力工程学院 工程热力学 多媒体教学课件 华北电力大学 能源与动力工程学院

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

什么是工质？ 定义：实现能量转化的媒介物质 制冷工程中又称为制冷剂 对工质的要求: 物质三态中气态最适宜作为工质 1）膨胀性 2）流动性 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 物质三态中气态最适宜作为工质

工质的举例 火力发电、核电等 水蒸气 太阳能、地热发电、制冷设备等 低沸点物质：氨、氟里昂 内燃机、燃气轮机 燃气和空气

什么是热力系统？ 被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统 外界：系统以外的所有物质 边界(界面)：系统与外界的分界面

系统、外界和边界

边界特性 固定、活动 真实、虚构

划分热力系统举例 1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-水泵 a）以锅炉为热力系统； b）以汽轮机为热力系统； c）以整个蒸汽动力装置为热力系统

热力系统分类 以系统与外界关系划分： 有 无 有无质量传递 开口系 闭口系 有无热量传递 非绝热系 绝热系 有 无 有无质量传递 开口系 闭口系 有无热量传递 非绝热系 绝热系 有无能量、物质传递 非孤立系 孤立系

热力系统其他分类 热力系统 物理化学性质 均匀系 非均匀系 工质种类 多元系 单元系 相态 多相 单相

关于热力系统 重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系 热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。 一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。 系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。

简单可压缩系统 工程热力学中最常见、最重要的热力系统 因为热能动力装置常用工质都是可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等） 系统与外界只交换热量和一种准静态的体积变化功（膨胀功和压缩功） 体积变化功只与工质的压力和体积的变化量有关 工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

定义 状态：某一瞬间工质所呈现的宏观物理状况 状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量 工程热力学中常用状态参数？ 基本状态参数： 温度T、压力p、体积V、热力学能U、焓H、熵S 涉及化学反应： 化学势μ、亥姆赫兹自由能F、吉布斯自由能G

状态参数的特征 状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关 状态参数的微分特征：全微分

状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关，如温度、压力 1 2 a b

状态参数的微分特征 设 dz 是全微分

基本状态参数：温度 热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量为温度 热平衡：热力系相互接触时，相互间无宏观热量传递，称它们处于热平衡状态 宏观：表示物体的冷热程度 微观：标志物质分子热运动的激烈程度，是衡量分子平均动能的量度

热力学第零定律 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 1930年由福勒（R.H.Fowler）正式提出 温度测量的理论基础

温度单位 开氏（绝对）温标：T(K) 摄氏温标：t(℃) 华氏温标：t(F) 温标换算关系

基本状态参数：压力 单位面积上承受的垂直作用力 物理中压强，单位Pa，N/m2 常用单位： 1 kPa = 103 Pa（千帕） 1 MPa = 106 Pa （兆帕） 1 bar = 105 Pa （巴） 1 atm = 760 mmHg = 1.01325×105 Pa （标准大气压） 1 mmHg = 133.3 Pa （毫米汞柱） 1 mmH2O = 9.81Pa （毫米水柱） 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.81 × 104 Pa （工程大气压）

绝对压力与相对压力 注意：只有绝对压力p才是状态参数 绝对压力p 相对压力 是否高于环境压力：表压力pg、真空度pv 真实压力 绝对压力p与环境压力pb之差 是否高于环境压力：表压力pg、真空度pv 注意：只有绝对压力p才是状态参数

相对压力：表压力与真空度 p > pb 表压力 pg p < pb 真空度 pv p pg pv pb p

环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境的压力 大气压力指当地大气的压力 在计算时绝对压力时要看清楚环境压力是否为大气压力 环境压力一般为大气压，但不绝对 大气压随时间、地点变化 在计算时绝对压力时要看清楚环境压力是否为大气压力

温度和压力 都是强度量 压力的变化速度快，以音速传播 温度的变化慢，随着热量的传递而改变 压力的改变具有即时性 温度的改变具有滞后性

基本状态参数：比体积 单位质量物质所占的体积，v（m3/kg） 表征工质聚集的疏密程度 物理中常用的是密度，ρ（kg/m3） 在热力学中使用比体积更方便

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

平衡状态 定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态 引起不平衡的因素： 温差 — 存在热不平衡　　　　　　 压差 — 存在力不平衡 相变 — 存在相不平衡 化学反应 — 存在化学不平衡 平衡的本质：不存在任何不平衡作用 达到热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡

平衡状态特点 有确定的状态参数，能够在坐标图上用一点表示（如T、p、v等） 非平衡状态能够自发地趋于平衡状态（热二律，熵增原理使之趋于平衡状态） 举例：铁块、气体混合 平衡状态是静态，没有能量交换，那么如何描述非平衡状态？ 平衡状态 状态不变化 能量不能转换

平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化（铜棒） 稳定但存在不平衡势差，若去掉外界影响，则状态变化（去掉热源、冷源） 平衡一定稳定，稳定不一定平衡

平衡与均匀 平衡：时间上 均匀：空间上 平衡不一定均匀， 但单相平衡态一定是均匀的

状态方程 平衡状态可用一组状态参数描述其状态 想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？ 状态公设：对组元一定的闭口系，独立状态参数数目N=n+1 独立状态参数数目N=能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量=n+1 n:体积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等

简单可压缩系状态方程 简单可压缩系（仅体积变化功）：N=1+1=2 状态方程：描述基本状态参数（p,v,T)之间的关系的方程，具体形式取决于工质的形式，如理想气体、实际气体

状态参数坐标图 p 1 2 v 简单可压缩系N=2，是平面坐标图 1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上 2）过程线中任意一点 为平衡态 3）非平衡态无法在图 上用实线表示 1 2

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

如何描述非平衡过程 平衡状态 能量交换 状态变化 如何描述 非平衡状态 破坏平衡 平衡、静态与过程是矛盾的，热力学引入准平衡（准静态）过程的概念 系统经历的一系列中间状态都无限接近于平衡状态的热力过程称为准平衡过程

一般过程 . . p0，T0 p 2 p1，T1 1 p2，T2 v p1 = p0 突然加上重物 p2 = p0+重物 T1 = T0 最终 p2 = p0+重物 T2 = T0 p1，T1 p0，T0 p v 2 . 1 . p2，T2

准平衡过程 . . p0，T0 p 2 p1，T1 1 v p1 = p0 T1 = T0 假如重物有无限多层 每次只加上无限薄一层 系统随时接近于平衡态 p1，T1 p0，T0 p v 2 . 1 .

准平衡过程有实际意义吗？ 既是平衡，又是变化 既可用状态参数描述，又可进行热功转换 疑问：理论上准平衡过程应无限缓慢，工程上怎样处理？

准平衡过程的工程条件 >> 活塞运动速度=200020.15/60=10m/s 压力波恢复平衡速度（声速）340m/s 例：活塞式内燃机转数为2000转/分 曲柄2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=200020.15/60=10m/s 压力波恢复平衡速度（声速）340m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 恢复平衡所需时间 （驰豫时间） >> 一般的工程过程都可认为是准平衡过程

可逆过程 系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何改变，则此过程为可逆过程 注意 可逆过程只是指可能性，并不 注意 可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程

可逆过程的实现 准平衡过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，磁阻，非弹性变性等） 无不平衡势差 耗散效应 不平衡势差 不可逆根源 耗散效应

典型的不可逆过程 不等温传热 节流过程 （阀门） T1 Q T1>T2 p1 p2 T2 p1>p2

典型的不可逆过程 自由膨胀 混合过程 • • ★ 真空

关于可逆过程 可逆过程必然是准平衡过程，同时过程中不存在任何耗散效应 可逆过程可用状态参数图上的连续实线表示 实际过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。对于实际过程应尽量减少不可逆因素，使其尽可能接近可逆过程 可逆过程完全理想化，对于工程热力学的研究范围内用可逆过程的概念，而准平衡过程很少用 除典型不可逆(如节流、自由膨胀等)外，本书所有热力过程都可看成可逆过程

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

功的定义 力学定义: 力乘以在力方向上的位移 热力学定义：功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物 功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。 功的单位：J、kJ；功率的单位：W、kW 规定系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等 功的表达式 功的一般表达式 热力学最常见的功  体积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等

示功图（p-V图） m kg工质： 1 kg工质：

可逆过程体积变化功的说明 可在p-V图（示功图）上用面积表示 功是过程量，功的大小与路径有关 体积变化功包括膨胀功和压缩功 dV>0 膨胀 对外作功（正） dV<0 压缩 外内作功（负） 适用于可逆过程下的任何工质（理想气体、水蒸气等） 工程热力学中的功多指体积变化功

热量 定义：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 热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。 国际单位：J，kJ，和功的单位相同 非法定单位：cal，kcal 热功当量：1cal=4.1868J 规定系统吸热取为正，系统放热取为负

热量如何表达？ 热量是否可以用类似于功的形式表示？ 引入“熵” W = pdV

熵的定义 熵的简单引入 广延量 [J/K] 比熵 [J/(kg·K)] ds：可逆过程qrev除以传热时的T 所得的商 Reversible:可逆的 广延量 [J/K] 比熵 [J/(kg·K)] ds：可逆过程qrev除以传热时的T 所得的商

熵的说明 熵是状态参数 符号规定 熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向 用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量 系统吸热时为正 Q>0 dS>0 系统放热时为负 Q<0 dS<0 熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向 用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量

示热图（T-s图）

第1章 基本概念 1-1 工质和热力系统 1-2 状态参数 1-3 平衡状态 1-4 热力过程 1-5 功和热量 1-6 热力循环

热力循环 定义：工质从某一初始状态出发，经过一系列中间过程又回到初始状态，称工质经历了一个热力循环 要实现工质的连续作功，必须构成热力循环 特点：状态参数坐标图上为一闭合曲线 分类：可逆循环和不可逆循环 可逆循环：全部由可逆过程组成的循环 不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆的循环 根据循环效果的不同，分为正向循环和逆向循环

正向循环 净效应：对外作功 净效应：吸热 热能转化为机械能的循环，顺时针方向 p v 2 1 T s wnet q1-q2=wnet

逆向循环 净效应：对内作功 净效应：放热 机械能转化为热能的循环，逆时针方向 T s 1 2 q1-q2=wnet wnet p v

热力循环的评价指标 正循环：对外作功，吸热 W Q1 Q2 T2 T1 热效率

热力循环的评价指标 逆循环：对内作功，放热 W Q1 Q2 T2 T1 1.制冷循环：制冷系数 2.热泵循环：热泵系数

例题 某发电厂平均生产1度电需消耗350克标准煤，已知标准煤的热值为29308kJ/kg，试求这个电厂的平均热效率是多少？ 解：收益：1度电=1kW·h=1kJ/s*3600s=3600kJ 代价：350克标准煤发热=0.35kg*29308kJ/kg=10257.8kJ 效率：

课后思考题 对于开口系统一定是非绝热系吗？ 有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？ “工质吸热温度升高，放热温度降低”，这种说法对吗？ “高温物体所含热量多；低温物体所含热量少。” 这种说法对吗？为什么？ 经过一个不可逆循环后，工质又回复到起始状态，那么，它的不可逆性表现在什么地方？