傳熱學(xué)基本概念

傳熱學(xué)基本概念第一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的過程

熱力工程利用礦物燃料的化學(xué)能燃燒產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能蒸汽動(dòng)力裝置上述整套設(shè)備為熱動(dòng)力裝置內(nèi)燃動(dòng)力裝置第二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日在當(dāng)今熱力工程所利用的熱源物質(zhì)主要是礦物燃料。從燃料燃燒中得到熱能，以及利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備（包括輔助設(shè)備），統(tǒng)稱熱能動(dòng)力裝置。第三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日內(nèi)燃機(jī)的主要部分為氣缸、活塞（圖1-1）內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)．由于這一運(yùn)動(dòng)并借助于連桿和曲柄使內(nèi)燃機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以帶動(dòng)工作機(jī)器。圖1-1氣缸與活塞第四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日燃料和空氣的混合物在氣缸中燃燒，釋放熱能，燃?xì)獾臏囟取毫Υ蟠蟾哂谥車橘|(zhì)的溫度和壓力而具備作功的能力。第五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日它在氣缸中膨脹作功；推動(dòng)活塞，氣體的能量通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳給裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸上的飛輪，轉(zhuǎn)變成飛輪的動(dòng)能；飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸，向外輸出軸功，同時(shí)完成活塞的逆向運(yùn)動(dòng)，排出廢氣，為下一輪進(jìn)氣作好準(zhǔn)備。第六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日每經(jīng)過一定的時(shí)間間隔，空氣和燃料即被送入氣缸中，并在其中燃燒、膨脹，推動(dòng)活塞作功?；钊粩嗟赝鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，曲軸則連續(xù)回轉(zhuǎn)。飛輪從氣體那里所得到的能量，除了部分作為帶動(dòng)活塞逆向運(yùn)動(dòng)所需的能量外，其余部分傳遞給工作機(jī)械加以利用。第七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日排出的廢氣把一部分燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換來的熱能排向環(huán)境大氣。第八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日蒸汽動(dòng)力裝置的系統(tǒng)簡圖如圖1-2所示。這是由鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器、泵等組成的一套熱力設(shè)備。燃料在鍋爐中燃燒，使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，鍋爐沸水管內(nèi)的水吸熱后變?yōu)檎羝⑶以谶^熱器內(nèi)過熱，成為過熱蒸汽。此時(shí)蒸汽的溫度、壓力比外界介質(zhì)（空氣）的溫度及壓力高，具有作功的能力。當(dāng)它被導(dǎo)入汽輪機(jī)后，先通過噴管膨脹，速度增大，熱力學(xué)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能。第九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日蒸汽動(dòng)力裝置基本特點(diǎn)鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器

1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)圖1-2蒸汽動(dòng)力裝置第十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日具有一定動(dòng)能的蒸汽推動(dòng)葉片，使軸轉(zhuǎn)動(dòng)作功。作功后的乏汽從汽輪機(jī)進(jìn)人冷凝器，被冷卻水冷凝成水，并由泵加壓送入鍋爐加熱。如此周而復(fù)始，通過鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器等不斷把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變而來的熱能中的一部分轉(zhuǎn)變成功，其余部分則排向環(huán)境介質(zhì)。第十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日工程熱力學(xué)不深入研究各種熱機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和各自的特性，而是抽取所有熱機(jī)的共同問題進(jìn)行探討。從上述兩種熱機(jī)的工作情況看出，它們構(gòu)造不同，工作特性不同。例如，1.活塞式內(nèi)燃機(jī)的燃燒、膨脹、壓縮和排氣都發(fā)生在氣缸內(nèi)，而且可以說氣體的膨脹過程發(fā)生在氣體無宏觀運(yùn)動(dòng)的狀況下；第十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日內(nèi)燃機(jī)裝置空氣、油廢氣吸氣壓縮點(diǎn)火膨脹排氣internalcombustionengine第十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)第十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日蒸汽動(dòng)力裝置中：工質(zhì)的吸熱、膨脹、冷凝等過程分別發(fā)生在不同的設(shè)備里，而且蒸汽雖然在進(jìn)入噴管時(shí)速度較低(20～50m/s)，但膨脹后沖出噴管時(shí)蒸汽的速度卻很大(500～1200m/s)，因此蒸汽的膨脹過程是發(fā)生在有宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)。第十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn)鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器

1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)第十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日其他型式的熱機(jī)可能還有另外的方式和特性。但是概括地看來，無論哪一種動(dòng)力裝置，總是用某種媒介物質(zhì)從某個(gè)能源獲取熱能從而具備作功能力并對(duì)機(jī)器作功，最后又把余下的熱能排向環(huán)境介質(zhì)。第十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣第十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日制冷空調(diào)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán)

(加壓、放熱、膨脹、吸熱)第十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日5.上述這些過程———吸熱、膨脹作功、排熱對(duì)任何一種熱能動(dòng)力裝置都是共同的，也是本質(zhì)性的。工質(zhì)———我們把實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)叫做工質(zhì)；熱源———把工質(zhì)從中吸取熱能的物系叫做熱源，或稱高溫?zé)嵩?；把接受工質(zhì)排出熱能的物系叫做冷源，或稱低溫?zé)嵩?。熱源和冷源可以是恒溫的，也可以是變溫的。第二十頁，共一百四十頁?022年，8月28日如利用燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣作熱源在余熱鍋爐里加熱水，由于熱源的熱容量不是無窮大，故而熱源（燃?xì)廨啓C(jī)的排氣）的溫度不斷下降，是變溫?zé)嵩础Ｓ秩缬铆h(huán)境大氣作冷源，由于其熱容量非常大，故可以認(rèn)為是恒溫?zé)嵩?。第二十一頁，共一百四十頁?022年，8月28日熱能動(dòng)力裝置的工作過程可概括成：工質(zhì)自高溫?zé)嵩次鼰?，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而作功，并把余下部分傳給低溫?zé)嵩?。第二十二頁，共一百四十頁?022年，8月28日熱機(jī)

高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤1Q2W動(dòng)力循環(huán)簡圖熱效率Thermalefficiency第二十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－2熱力系統(tǒng)工質(zhì)——實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。熱源——向給定系統(tǒng)提供式獲取熱量的物體，其作用就是一個(gè)熱源或冷源(又稱低溫?zé)嵩?熱力系統(tǒng)——被一封閉邊界面包圍的物質(zhì)的任一集合或空間的任一區(qū)域(控制體)第二十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力系統(tǒng)：為分析問題方便，和力學(xué)中取分離體一樣，熱力學(xué)中常把分析的對(duì)象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種被人為分割出來作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)叫做熱力系統(tǒng)，周圍物體統(tǒng)稱外界。系統(tǒng)和外界之間的分界面叫做邊界。邊界可以是實(shí)際存在的，也可以是假想的。第二十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力系統(tǒng)系統(tǒng)：用界面從周圍的環(huán)境中分割出來的研究對(duì)象，或空間內(nèi)物體的總和。外界：與系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。界面：假想的、實(shí)際的、固定的、運(yùn)動(dòng)的、變形的。第二十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日依據(jù)：系統(tǒng)與外界的關(guān)系，系統(tǒng)與外界的作用：熱交換、功交換、質(zhì)交換。第二十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日常見的熱力系統(tǒng)有四類:(1)閉口系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定不變(2)開口系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界有能量和物質(zhì)交換(3)絕熱系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界僅限于無熱量交換(4)孤立系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界即無能量交換又無物質(zhì)交換第二十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日根據(jù)熱力系統(tǒng)和外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系統(tǒng)可分為四種類型。(1)閉口系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定不變閉口系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.該熱力系統(tǒng)和外界只有能量交換而無物質(zhì)交換，2.閉口系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量保持恒定不變，所以閉口系統(tǒng)又叫做控制質(zhì)量。第二十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日(2)開口系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界有能量和物質(zhì)交換開口系統(tǒng)的特點(diǎn)：開口系統(tǒng)中的能量和質(zhì)量都可以變化，但這種變化通常是在某一劃定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以開口系統(tǒng)又叫做控制容積，或控制體。第三十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日閉口系統(tǒng)和開口系統(tǒng)(按系統(tǒng)與外界有無物質(zhì)交換)閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無物質(zhì)交換,稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外有物質(zhì)交換,稱控制體積。第三十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日(3)絕熱系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界無熱量交換當(dāng)熱力系統(tǒng)和外界間無熱量交換時(shí)，該系統(tǒng)稱為絕熱系統(tǒng)。第三十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日(4)孤立系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界即無能量交換又無物質(zhì)交換孤立系統(tǒng)的特點(diǎn)：熱力系統(tǒng)和外界無能量交換，熱力系統(tǒng)和外界也無物質(zhì)交換。孤立系統(tǒng)的一切相互作用都發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。第三十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無熱量交換(系統(tǒng)傳遞的熱量可忽略不計(jì)時(shí)，可認(rèn)為絕熱)孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量傳遞也無物質(zhì)交換=系統(tǒng)+相關(guān)外界=各相互作用的子系統(tǒng)之和=一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的外界

第三十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日第三十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日系統(tǒng)劃分的方法1.把整個(gè)蒸汽動(dòng)力裝置劃作一個(gè)熱力系統(tǒng)，計(jì)算它在一段時(shí)間內(nèi)從外界投入的燃料，向外界輸出的功，以及冷卻水帶走的熱量等。這時(shí)整個(gè)蒸汽動(dòng)力裝置中工質(zhì)的質(zhì)量不變，是閉口系統(tǒng)第三十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日2.倘若只分析其中某個(gè)設(shè)備，如汽輪機(jī)或鍋爐中的工作過程，它們不僅有吸熱作功等能量交換過程，而且有工質(zhì)流進(jìn)流出的物質(zhì)交換過程。這時(shí)如取汽輪機(jī)或鍋爐為劃定的空間就組成開口系統(tǒng)。第三十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日同樣的研究對(duì)象內(nèi)燃機(jī)：1.內(nèi)燃機(jī)在氣缸進(jìn)廢氣閥門都關(guān)閉時(shí)，取封閉于氣缸內(nèi)的工質(zhì)為系統(tǒng)就是閉口系統(tǒng)；2.把內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣及燃燒膨脹過程一起研究時(shí)，取氣缸為劃定的空間就是開口系統(tǒng)。第三十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日簡單可壓縮系：在熱力工程中，熱力系是由可壓縮流體（如水蒸氣、空氣、燃?xì)獾龋?gòu)成的。這類熱力系若與外界可逆的功交換只有體積變化功（膨脹功或壓縮功）一種形式，則該系統(tǒng)稱為簡單可壓縮系。工程熱力學(xué)討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系。第三十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部狀況劃分：可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體組成的系統(tǒng)。簡單可壓縮系統(tǒng)：與外界只有熱量及準(zhǔn)靜態(tài)容積變化。均勻系統(tǒng)：內(nèi)部各部分化學(xué)成分和物理性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)，是由單相組成的。非均勻系統(tǒng)：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相所組成的系統(tǒng)。第四十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日單元系統(tǒng)：一種均勻的和化學(xué)成分不變的物質(zhì)組成的系統(tǒng)。多元系統(tǒng)：由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)。單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復(fù)相系：由兩個(gè)相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。第四十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日注意:系統(tǒng)的選取方法僅影響解決問題的繁復(fù)程度，與研究問題的結(jié)果無關(guān)。第四十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－3狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)1.狀態(tài)——某一時(shí)刻，熱力系統(tǒng)中工質(zhì)所處的某種宏觀狀況，是全部宏觀性質(zhì)的綜合，又稱熱力學(xué)狀態(tài)2.狀態(tài)參數(shù)——從各個(gè)不同方面描述工質(zhì)狀態(tài)的物理量第四十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的特征特征：狀態(tài)參數(shù)的微分是一個(gè)全微分狀態(tài)參數(shù)的這一特性表現(xiàn)在數(shù)學(xué)上是點(diǎn)函數(shù)，其微元差是全微分，而全微分沿閉合路線的積分等于零。第四十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1.狀態(tài)參數(shù)一旦完全確定，工質(zhì)的狀態(tài)也就確定了。2.狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，它的值取決于給定的狀態(tài)，而與如何達(dá)到這一狀態(tài)的途徑無關(guān)。第四十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日基本狀態(tài)參數(shù)1.研究熱力過程時(shí)，常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力p、溫度T、體積V、熱力學(xué)能（以前稱為內(nèi)能）U、焓H和熵S，2.其中壓力、溫度及體積可直接用儀器測(cè)量，使用最多，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。第四十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日強(qiáng)度量和廣延量壓力和溫度這兩個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)質(zhì)量的多少無關(guān)，稱為強(qiáng)度量。體積、熱力學(xué)能、焓和熵等與系統(tǒng)質(zhì)量成正比，具有可加性，稱為廣延量。第四十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日但廣延量的比參數(shù)，例如比體積、比熱力學(xué)能、比焓和比熵，即單位質(zhì)量工質(zhì)的體積、熱力學(xué)能、焓和熵，又具有強(qiáng)度量的性質(zhì)，不具有可加性。第四十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日基本狀態(tài)參數(shù)介紹一.溫度及熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律:無論多少個(gè)物體互相接觸都能達(dá)到熱平衡。溫標(biāo):表示溫度高低的尺度叫溫度標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo)。第四十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志經(jīng)驗(yàn)告訴我們，若令冷熱程度不同的兩個(gè)物體A和B相互接觸，它們之間將發(fā)生能量交換，凈能流將從較熱的物體流向較冷的物體。經(jīng)過一段時(shí)間后．它們達(dá)到相同的冷熱程度，不再有凈能量交換，這時(shí)物體A和物體B達(dá)到熱平衡。當(dāng)物體C同時(shí)與物體A和B接觸而達(dá)到熱平衡時(shí)，物體A和B也一定熱平衡。第五十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日當(dāng)這一性質(zhì)相同時(shí)，它們之間達(dá)到熱平衡。這一宏觀物理性質(zhì)稱為溫度。從微觀上看，溫度標(biāo)志物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度。對(duì)于氣體，它是大量分子平移動(dòng)能平均值的量度，其關(guān)系式為：（1-1）式中：T是熱力學(xué)溫度；B=(3/2)k，k=(1.380058+0.000012)×10-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)；是分子移動(dòng)的均方根速度。第五十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱能交換的機(jī)理兩個(gè)物體接觸時(shí)，通過接觸面上分子的碰撞進(jìn)行動(dòng)能交換，能量從平均動(dòng)能較大的一方，即溫度較高的物體，傳到了平均動(dòng)能較小的一方，即溫度較低的物體。這種微觀的動(dòng)能交換就是熱能的交換。第五十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱能傳遞的方向總是由溫度高的物體傳向溫度低的物體。第五十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日溫度計(jì)測(cè)量溫度的儀器稱做溫度計(jì)，選作溫度計(jì)的感應(yīng)元件的物體應(yīng)具備某種物理性質(zhì)，它隨物體的冷熱程度不同有顯著的變化(如金屬絲的電阻、封在細(xì)管中的水銀柱的高度等)。為了給溫度確定數(shù)值，還應(yīng)建立溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法。第五十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日溫標(biāo)的建立：1)確定溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)。2)確定溫度的方法。熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)在SI制中，其符號(hào)為開(K),1開爾文為水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16第五十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日攝氏溫標(biāo)規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)是0℃，汽點(diǎn)是100℃，而其他溫度的數(shù)值由作為溫度標(biāo)志的物理量（金屬絲電阻、水銀柱高度等）的線性函數(shù)來確定。第五十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)由選定的任意一種測(cè)量物質(zhì)的某種物理性質(zhì)，采用任意一種溫度標(biāo)定規(guī)則所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。第五十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日由于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)依賴于測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)，當(dāng)選用不同測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)、采用不同的物理量作為溫度的標(biāo)志來測(cè)量溫度時(shí)，除選定為基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度，如冰點(diǎn)和汽點(diǎn)外，其他溫度的測(cè)定值可能有微小的差異，因而任何一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)不能作為度量溫度的標(biāo)準(zhǔn)。第五十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標(biāo)國際上規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)作為測(cè)量溫度的最基本溫標(biāo)，它是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的基本原理制定的，與測(cè)溫物質(zhì)的特性無關(guān)，可以成為度量溫度的標(biāo)準(zhǔn)。第五十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度單位是開爾文，符號(hào)為K（開）,把水的三相點(diǎn)的溫度，即水的固相、液相、氣相平衡共存狀態(tài)的溫度作為單一基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定為273.16K。因此，熱力學(xué)溫度單位“開爾文”是水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。第六十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1960年，國際計(jì)量大會(huì)通過決議，規(guī)定攝氏溫度由熱力學(xué)溫度移動(dòng)零點(diǎn)來獲得，即：

t=T-273.15K（1-2）式中：t為攝氏溫度，其單位為攝氏度，符號(hào)為℃；T為熱力學(xué)溫度。這樣規(guī)定的攝氏溫標(biāo)稱為熱力學(xué)攝氏溫標(biāo)。第六十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日由式(1-2）可知，攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)并無實(shí)質(zhì)差異，而僅僅只是零點(diǎn)取值的不同。第六十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日工程上除熱力學(xué)溫標(biāo)外，還常用下列三種溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)t=T－273.15華氏溫標(biāo)t°F=9/5t°C＋32°朗肯溫標(biāo)T(°R)=t(°F)+459.67第六十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日二、壓力

單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力(即壓強(qiáng))。分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說把氣體的壓力看作是大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果。熱力系統(tǒng)中工質(zhì)施加到單位面積上的垂直作用力(即壓強(qiáng))稱為壓力。第六十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日壓力計(jì)測(cè)量工質(zhì)壓力的儀器稱為壓力計(jì)由于壓力計(jì)的測(cè)壓元件處于某種環(huán)境壓力的作用下，因此壓力計(jì)所測(cè)得的壓力是工質(zhì)的真實(shí)壓力（或稱絕對(duì)壓力）與環(huán)境介質(zhì)壓力之差，叫做表壓力或真空度。第六十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1)壓力的表示:絕對(duì)壓力p、表壓力pg、真空度pv。氣體的真實(shí)壓力即為絕對(duì)壓力，用p表示。令大氣壓力為pb表壓力為pg(測(cè)壓計(jì)上測(cè)出的壓力)第六十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日當(dāng)p>pb時(shí)則:p=pg+pb當(dāng)p<pb時(shí)則:p=pb－pvpv表示測(cè)得的差數(shù)，稱為真空度作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的壓力必需為絕對(duì)壓力。第六十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日第六十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日第六十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日壓力單位SI制N/m2Pa

(帕)常用兆帕1MPa＝106Pa暫用單位巴(bar)1bar＝105Pa其他單位毫米汞柱mmHg(00C)＝133.3Pa第七十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm1atm＝760mmHg＝1.013×105Pa工程大氣壓at1at＝735.6mmHg＝0.981×105Pa毫米汞柱mmH2O(40C)1mmH2O＝9.81Pa第七十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日例1-1測(cè)得容器內(nèi)氣體的表壓力為0.25MPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?55mmHg，求容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力p，并分別用(1)MPa(兆帕)、(2)bar(巴)、(3)atm(物理大氣壓)、(4)at(工程大氣壓)表示。解：p=pe+pb

，1mmHg=133.3224Pa

p=0.25×106＋133.322=0.3057×106Pa(1)Mpa第七十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日(2)bar(3)atm(4)at第七十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日三、比體積及密度比體積—單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積密度—單位體積物質(zhì)的質(zhì)量顯見：

第七十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖一、平衡狀態(tài)——熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。第七十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日倘若組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量的傳遞，系統(tǒng)就處于熱的平衡；各部分之間沒有相對(duì)位移，系統(tǒng)就處于力的平衡。同時(shí)具備了熱和力的平衡的系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)。第七十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日如果系統(tǒng)內(nèi)還存在化學(xué)反應(yīng)，則尚應(yīng)包括化學(xué)平衡。處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，只要不受外界影響，它的狀態(tài)就不會(huì)隨時(shí)間改變，平衡也不會(huì)自發(fā)地破壞。第七十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日

對(duì)于氣液兩相并存的熱力平衡系統(tǒng)，氣相的密度和液相的密度不同，所以整個(gè)系統(tǒng)不是均勻的。因此，均勻并非系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)之必要條件。當(dāng)把平衡狀態(tài)下單相物系當(dāng)作是均勻的，物系中各處的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)相同。第七十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日某熱力系，若其兩個(gè)狀態(tài)相同，則其所有狀態(tài)參數(shù)均一一對(duì)應(yīng)相等。反之，也只有所有狀態(tài)參數(shù)均對(duì)應(yīng)相等，才可說該熱力系的兩狀態(tài)相同。對(duì)于簡單可壓縮系，只要兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相同，即可判定該兩狀態(tài)相同。只要有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)即可確定一個(gè)狀態(tài)，所有其他狀態(tài)參數(shù)均可表示為這兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)。第七十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日二、狀態(tài)方程式對(duì)于簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)它處于平衡狀態(tài)時(shí)，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數(shù)，且這些參數(shù)服從一定關(guān)系式，這樣的關(guān)系式叫做狀態(tài)方程式，即：T＝T(p，v)p＝p(T，v)v＝v(p，T)也可寫成隱函數(shù)形式氣體狀態(tài)方程式：F＝F(p，v，T)第八十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

由于兩個(gè)參數(shù)可以完全確定簡單可壓縮系的平衡狀態(tài)，所以由任意兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標(biāo)圖上的任意一點(diǎn)，都相應(yīng)于熱力系的某一確定的平衡狀態(tài)。第八十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力系每一平衡狀態(tài)總可在這樣的坐標(biāo)圖上用一點(diǎn)來表示。這種由熱力系狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖稱做熱力狀態(tài)坐標(biāo)圖。常用的這類坐標(biāo)圖有：壓容(p-v)圖溫熵（T-s）圖第八十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日

表示功量表示熱量2Ts1pv12狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖如下：用于描述平衡狀態(tài)，有p－v，T－s圖第八十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程一、準(zhǔn)平衡過程——在過程中工質(zhì)有足夠的時(shí)間來恢復(fù)平衡，隨時(shí)都不致遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)第八十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)平衡過程：若過程進(jìn)行得相對(duì)緩慢，工質(zhì)在平衡被破壞后自動(dòng)回復(fù)平衡所需的時(shí)間，即所謂弛豫時(shí)間又很短，工質(zhì)有足夠的時(shí)間來恢復(fù)平衡，隨時(shí)都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，那么這樣的過程就叫做準(zhǔn)平衡過程。第八十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件：氣體工質(zhì)在壓力差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件是：氣體工質(zhì)和外界之間的壓力差為無限小，第八十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日氣體工質(zhì)在平衡過程中還需要熱的平衡，即工質(zhì)的溫度也必須時(shí)刻一致。第八十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱的平衡和力的平衡是相互關(guān)聯(lián)的，只有工質(zhì)與外界的壓差和溫差均為無限小的過程才是準(zhǔn)平衡過程。只有準(zhǔn)平衡過程在坐標(biāo)圖中可用連續(xù)曲線表示。準(zhǔn)平衡過程是實(shí)際過程的理想化。第八十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日由于實(shí)際過程都是在有限的溫差和壓差作用下進(jìn)行的，因而都是不平衡過程，但是在適當(dāng)?shù)臈l件下可以把實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行的過程當(dāng)作準(zhǔn)平衡過程處理。第八十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日二、可逆過程和不可逆過程1.可逆過程——某工質(zhì)熱力過程從初態(tài)到終態(tài)。該工質(zhì)再按原過程逆向從終態(tài)到初態(tài)。系統(tǒng)與外界都完全恢復(fù)到原來的初態(tài)而不留下任何余痕的過程。2.不可逆過程——上述反之(1)與(2)的關(guān)系:可逆過程必然是準(zhǔn)平衡過程，而準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程的條件之一。第九十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日工質(zhì)進(jìn)行了一個(gè)不平衡過程后必將產(chǎn)生不可回復(fù)的后遺效果。例如熱能自高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩春蜋C(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等，雖可以使熱能自低溫?zé)嵩捶祷馗邷責(zé)嵩?，但這要付出一定的代價(jià)。這樣的不平衡過程必定是不可逆過程。第九十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日當(dāng)存在任何種類的耗散效應(yīng)，如機(jī)械摩擦或工質(zhì)內(nèi)摩擦?xí)r，所進(jìn)行的過程也是不可逆的。因?yàn)闊o論在正向和逆向過程中都會(huì)因摩擦而消耗機(jī)械功，這部分功轉(zhuǎn)化變成熱量，而這部分熱量不可能不花任何代價(jià)重又轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ@就會(huì)留下不可逆復(fù)的后遺效果。有摩擦的過程也是不可逆的。第九十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日一個(gè)可逆過程，首先應(yīng)是準(zhǔn)平衡過程，應(yīng)滿足熱的和力的平衡條件，同時(shí)在過程中不應(yīng)有任何耗散效應(yīng)。這也是可逆過程的基本特征。準(zhǔn)平衡過程只著眼于工質(zhì)內(nèi)部的平衡，有無外部機(jī)械摩擦對(duì)工質(zhì)內(nèi)部的平衡并無關(guān)系，準(zhǔn)平衡過程進(jìn)行時(shí)可能發(fā)生能量耗散。第九十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日研究可逆過程的意義可逆過程是不引起任何熱力學(xué)損失的理想過程。研究熱力過程就是要盡量設(shè)法減少不可逆因素，使其盡可能地接近可逆過程?？赡孢^程是一切實(shí)際過程的理想極限，是一切熱力設(shè)備內(nèi)過程力求接近的目標(biāo)。第九十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日可逆過程是分析工質(zhì)與外界作用所產(chǎn)生的總效果，不僅要求工質(zhì)內(nèi)部是平衡的，而且要求工質(zhì)與外界的作用可以無條件地逆復(fù)，過程進(jìn)行時(shí)不存在任何能量的耗散?？赡孢^程必然是準(zhǔn)平衡過程，而準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程的必要條件。第九十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)平衡過程的特點(diǎn)準(zhǔn)平衡過程只著眼于工質(zhì)內(nèi)部的平衡，有無外部機(jī)械摩擦對(duì)工質(zhì)內(nèi)部的平衡并無關(guān)系第九十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－6過程功和熱量1.過程功W(1)由功的定義知W＝F·x

微功

W＝Fdx

積分由圖1－9知狀態(tài)1狀態(tài)2點(diǎn)

第九十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日pv12dVδw圖1－9可逆過程的功第九十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日膨脹功為(2)示功圖1)p-V圖為工程熱力學(xué)研究中最常用的示功圖2)熱力系統(tǒng)對(duì)外作功為正功，反之為負(fù)功(3)功是過程的函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)第九十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日在熱力學(xué)里，研究范圍較廣，除簡單可壓縮系外，還要研究一些特殊系統(tǒng)。系統(tǒng)同外界交換的功，除容積變化功外，還有其他的形式。熱力學(xué)中功的定義是：功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。第一百頁，共一百四十頁，2022年，8月28日熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正，而外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)。在我國法定計(jì)量單位中，功的單位為焦耳，用符號(hào)J表示。1J的功相當(dāng)于物體在1N力的作用下產(chǎn)生1m位移時(shí)完成的功量，即：1J=1N·m第一百零一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日功的數(shù)值不僅決定于：工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，而且還和過程的中間途徑有關(guān)。從狀態(tài)1膨脹到狀態(tài)2，可以經(jīng)過不同的途徑，所作的功也是不同的。功不是狀態(tài)參數(shù)，是過程量，它不能表示為狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，δw也僅是微小量，不是全微分，故用δ表示。第一百零二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日

膨脹功或壓縮功都是通過工質(zhì)體積的變化而與外界交換的功，因此統(tǒng)稱為體積變化功。從功的計(jì)算式可看出，體積變化功只與氣體的壓力和體積的變化量有關(guān)，而同形狀無關(guān)。第一百零三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日無論氣體是由氣缸和活塞包圍的還是由任一假想的界面所包圍，只要被界面包圍的氣體體積發(fā)了變化；同時(shí)過程是可逆的，則在邊界上克服外力所作的功都可用式(1-8)及式(1-10)來計(jì)算。第一百零四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日閉口系工質(zhì)在膨脹過程中作的功并不能全部用來輸出作有用功，例如舉起重物。它一部分因摩擦而耗散，一部分用以排斥大氣，反抗大氣壓力作功，余下的才是可被利用的功，稱為有用功。若用Wu、Wl、和Wr分別表示有用功、摩擦耗功及排斥大氣功，則有：第一百零五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日由于大氣壓力可作定值，故：而可逆過程不包含任何耗散效應(yīng)，Wl=0，可用功可簡化成:第一百零六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日例1-2如圖1-10所示，某種氣體工質(zhì)從狀態(tài)1(p1，V1)可逆地膨脹到狀態(tài)2。膨脹過程中：(a)工質(zhì)的壓力服從p=a-bV，其中a、b為常數(shù)；(b)工質(zhì)的pV保持恒定為p1V1。試分別求兩過程中氣體的膨脹功。第一百零七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日pV12p1p2OV1V2ab圖1-10例1-2附圖第一百零八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日

解：過程為可逆過程：(a)

(b)第一百零九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日在上述兩過程中，系統(tǒng)的初、終態(tài)相同，但中間途徑不同，因而氣體的膨脹功也不同。第一百一十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日例1-3利用體積為2m3的儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣給氣球充氣，開始時(shí)氣球內(nèi)完全沒有氣體，呈扁平狀，可忽略其內(nèi)部容積。設(shè)氣球彈力可忽略不計(jì)，充氣過程中氣體溫度維持不變，大氣壓力為0.9×105Pa。為使氣球充到2m3，問罐內(nèi)氣體最低初壓力及氣體所作的功為多少?第一百一十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日已知空氣滿足狀態(tài)方程式pV=mRgT，其中壓力p的單位為Pa，體積V的單位為m3，溫度T的單位為K，質(zhì)量m的單位為kg，氣體常數(shù)Rg的單位為J／(kg·K)。第一百一十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日解：因忽略氣球彈力，充氣后氣球內(nèi)壓力維持在與大氣壓力相同的0.9×105Pa。而充氣結(jié)束時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力也應(yīng)恰好降到0.9×105Pa。又據(jù)題意，留在罐內(nèi)與充入球內(nèi)的氣體溫度相同，由于壓力相同、溫度相同，故這兩部分氣體的狀態(tài)相同。第一百一十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日若取全部氣體為熱力系，則氣體的最小初壓p1,min應(yīng)滿足：求解方程可得：第一百一十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日考察該過程，儲(chǔ)氣罐的體積不變，充氣時(shí)氣球中氣體壓力等于大氣壓力，氣球膨脹排斥了大氣，所以氣球?qū)Υ髿庾鞴Γ旱谝话僖皇屙?，共一百四十頁?022年，8月28日四.過程熱量(1)定義：熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量稱為熱量(2)單位：J(焦耳)或kJ(千焦)第一百一十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日（3）工程熱力學(xué)中約定：體系吸熱，熱量為正體系放熱，熱量為負(fù)

Q表示質(zhì)量為m工質(zhì)在過程中與外界交換的熱量。

q表示質(zhì)量為1kg工質(zhì)在過程中與外界交換的熱量。第一百一十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日(4)可逆過程與外界交換的熱量

q=Tds在T－s圖中可用面積1-2-s2-s1-1表示2Ts1s1s2dsT第一百一十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日從對(duì)功和熱量的定義可以看出，熱量和功都是能量傳遞的度量，它們是過程量。只有在能量傳遞過程中才有所謂的功和熱量，沒有能量的傳遞過程也就沒有功和熱量。說物系在某一狀態(tài)下有多少功或多少熱量，是錯(cuò)誤的，因?yàn)楣蜔崃慷疾皇菭顟B(tài)參數(shù)。第一百一十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1－7熱力循環(huán)熱力過程——系統(tǒng)工質(zhì)狀態(tài)按某一規(guī)律變化的總歷程熱力循環(huán)——系統(tǒng)工質(zhì)從初始平衡經(jīng)一系列變化又恢復(fù)到初始狀態(tài)的全過程第一百二十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日循環(huán)概述：實(shí)用的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)必須能連續(xù)不斷地作功。為此，工質(zhì)在經(jīng)歷了一系列狀態(tài)變化過程后，必須能回到原來的狀態(tài)。如圖1-2所示的蒸汽動(dòng)力裝置水在鍋爐中吸熱變成高溫高壓蒸汽后通入汽輪機(jī)膨脹作功，作功后的乏氣又在冷凝器中凝結(jié)成水，最后被水泵壓縮升壓，重新進(jìn)入鍋爐。第一百二十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日蒸汽動(dòng)力裝置基本特點(diǎn)鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器

圖1-2蒸汽動(dòng)力裝置第一百二十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日作為工質(zhì)的水和它的蒸汽在經(jīng)過若干過程之后，重又回到了原來的狀態(tài)。這樣一系列過程的綜合，叫做熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。工質(zhì)完成循環(huán)后恢復(fù)其原來的狀態(tài)，就有可能按相同的過程不斷重復(fù)運(yùn)行而連續(xù)不斷地作功。第一百二十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日全部由可逆過程組成的循環(huán)稱為可逆循環(huán)；若循環(huán)中有部分過程或全部過程是不可逆的則該循環(huán)為不可逆循環(huán)。在狀態(tài)參數(shù)的平面坐標(biāo)圖上，可逆循環(huán)的全部過程構(gòu)成一閉合曲線。第一百二十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日根據(jù)循環(huán)效果及進(jìn)行方向的不同，可以把循環(huán)分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的循環(huán)叫正向循環(huán)，它使外界得到功；將熱能從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩吹难h(huán)叫逆向循環(huán)，一般來講逆向循環(huán)必然消耗外功。第一百二十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日pvpv正循環(huán)逆循環(huán)

熱力循環(huán)正、逆循環(huán)圖示第一百二十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日正向循環(huán)也叫熱動(dòng)力循環(huán)。pv13Ts245678圖1－14第一百二十七頁