第1章基本概念

第一章

基礎概念什么是工質(zhì)？定義：實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)制冷工程中又稱為制冷劑對工質(zhì)的要求:1）膨脹性2）流動性3）熱容量4）穩(wěn)定性，安全性5）對環(huán)境友善6）價廉，易大量獲取物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜作為工質(zhì)工質(zhì)的舉例火力發(fā)電、核電等水蒸氣太陽能、地熱發(fā)電、制冷設備等低沸點物質(zhì)：氨、氟里昂內(nèi)燃機、燃氣輪機燃氣和空氣什么是熱力系統(tǒng)？被人為地分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)、外界和邊界邊界特性

固定、活動 真實、虛構(gòu)1-鍋爐；2-汽輪機；3-凝汽器；4-水泵a）以鍋爐為熱力系統(tǒng)；b）以汽輪機為熱力系統(tǒng)；c）以整個蒸汽動力裝置為熱力系統(tǒng)劃分熱力系統(tǒng)舉例熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關系劃分：

有無有無質(zhì)量傳遞 開口系 閉口系有無熱量傳遞 非絕熱系 絕熱系有無能量、物質(zhì)傳遞非孤立系 孤立系熱力系統(tǒng)其他分類

熱力系統(tǒng)

物理化學性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相關于熱力系統(tǒng)重點掌握開口系、閉口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界，看是否有質(zhì)量交換、熱量傳遞、功的傳遞及其他形式能量傳遞。簡單可壓縮系統(tǒng)工程熱力學中最常見、最重要的熱力系統(tǒng)因為熱能動力裝置常用工質(zhì)都是可壓縮流體（水蒸氣、空氣、燃氣等）系統(tǒng)與外界只交換熱量和一種準靜態(tài)的體積變化功（膨脹功和壓縮功）體積變化功只與工質(zhì)的壓力和體積的變化量有關工程熱力學中討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系統(tǒng)溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量。

微觀意義：是物質(zhì)微觀熱運動的宏觀體現(xiàn)，與分子平均動能成正比事實上確定分子的平均速度是非常困難的；溫度還需一個更嚴謹?shù)亩x，這就有賴于熱力學第零定律。式中：T是熱力學溫度，K；

kB=1.38054×10-23J/K，波爾茲曼常數(shù)；

v為分子移動的均方根速度。熱力學第零定律熱力學第零定律：當兩個系統(tǒng)各自與第三個系統(tǒng)處于熱平衡時，則這兩個系統(tǒng)彼此也處于熱平衡。熱力學第零定律溫度的熱力學定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系統(tǒng)，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量為溫度。熱力學第零定律為溫度測量提供了科學基礎：即被測物體與溫度計處于熱平衡時，就可以從溫度計的讀數(shù)確定被測物體的溫度值。溫度計的工作原理：當一個物體的溫度改變時，物體的其它性質(zhì)也隨之改變，可根據(jù)這些性質(zhì)中的某些參數(shù)測量物體的溫度，指明溫度的數(shù)值。溫度計的分類：氣體溫度計、膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱電偶和光學溫度計等。溫度的測量溫度計分類溫度計測溫參數(shù)測溫范圍/℃氣體溫度計壓力或體積-270-1100膨脹式溫度計體積-200~750(液)-30~600(固)電阻溫度計電阻-200~800熱電偶熱電動勢-200~1300光學溫度計輻射強度-50-2000接觸式測溫非接觸式測溫一等標準鉑電阻溫度計其精度可達0.001℃電廠過熱器氣溫等一般采用熱電偶測溫

溫標溫標：為量度物體溫度而賦予溫度的數(shù)值。攝氏溫標：將標準大氣壓下水的冰點和沸點之間的溫度等分為100份，并以冰點作為零點。華氏溫標：水的冰點與沸點分別定義為32℉和212℉。依賴于實際測溫物質(zhì)，測溫工質(zhì)不同結(jié)果會不同，這是經(jīng)驗溫標熱力學溫標三個恒溫熱源間的卡諾循環(huán)

因此有：由此可以斷定：直接用函數(shù)f(t)=T作為溫標根據(jù)卡諾定理有：理想氣體溫標氣體壓力p→0時，氣體呈現(xiàn)出理想氣體特性，利用理想氣體定壓下體積隨溫度變化的特性或定容下壓力隨溫度變化的特性，作為度量溫度變化的標準，這種溫標稱為理想氣體溫標。理想氣體溫標是一種經(jīng)驗溫標；氣體溫度計有定容式和定壓式，定容式溫度計的測量原理：Tptr氣體A氣體B氣體C氣體的維里方程為：如左圖所示，所有氣體壓力當p→0時，其PV性質(zhì)都趨于一相同的特性。特別是定容式溫度計內(nèi)裝的氣體量趨于零時，所有氣體的溫度指示趨于同一數(shù)值，這說明理想氣體定容式溫度計與氣體性質(zhì)無關。理想氣體溫標理想氣體溫標定容式氣體溫計示意圖將氣體溫度計的盛氣小泡浸沒在大氣壓下的飽和水與飽和蒸汽的混合物中，當溫度改變時通過改變水銀柱內(nèi)水銀量(增加或減少)，控制盛氣小泡的氣體體積保持不變，記錄下該固定點溫度ts與此時的壓力ps；再把盛氣小泡浸沒在大氣壓下冰水混合物中，保持氣體容積不變，記錄下該固定點溫度ti和小泡內(nèi)壓力pi；然后再用溫度計測量某一目標的溫度，將溫度計盛氣小泡與目標接觸，記錄下溫度t與小泡內(nèi)的壓力p。理想氣體溫標根據(jù)理想氣體溫度計的原理，在1標準大氣壓下經(jīng)過冰點(角標i)和沸點(角標s)標定后，其壓力和溫度關系如下：因此：重復上面的溫度測量過程，不同的是需從盛氣小泡中取出一部分氣體，使小泡內(nèi)的壓力進一步降低，更加接近理想氣體的性質(zhì)，分別得出更低壓力下的p、t、ti、pi、ts、ps。理想氣體溫標t、ti、ts不變，ps

/pi和p/pi同步變化，t=f(p/pi)。隨著小泡內(nèi)的氣體不斷被取走當p→0時，pi→0與ps→0。根據(jù)前述理想氣體一致性特性，此時雖然pi→0與ps→0，但冰點和沸點的溫度對所有氣體都趨于ti與ts

，而任意測量的溫度特性對應的溫度應該有p→0、t→tc的特性，并且不論使用任何氣體，在p→0、pi→0、ps

→0都有t→tc

，這就是A、B、C三種氣體當小泡內(nèi)測量壓力p→0時趨于一致性的結(jié)果，即理想氣體溫度計與氣體性質(zhì)無關。存在一個普遍情況，經(jīng)多次改變定容式氣體溫度計內(nèi)的氣體量，使得冰點和沸點時氣體溫度計的讀數(shù)pi與ps不斷減小，達到pi→0與ps

→0的目的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使pi→0與ps

→0時，其比值ps

/pi總是為一固定數(shù)值不變：

ps

/pi=1.3661理想氣體溫標攝氏溫標表示的各項溫度數(shù)值ti=0℃與ts=100℃代入：有：當p→0，而p/pi→const，t→tc，此時pi＜p＜ps。當p→0且p/pi→0時，表示p＜pi，此時測量的是低于冰點的溫度范圍(實際p→0與p/pi→0意味著測量絕對零度的溫度)，

t→t0=-273.15℃。上式變換有理想氣體溫標理想氣體溫標國際溫標規(guī)定，以水的三相點作為絕對溫標的基準溫度點。用單固定點作為溫標基準的同時，必須要給出溫標的單位才能最終確定溫標具體數(shù)值。水的三相點的溫度Ttr=273.16，水的三相點(固、液、汽三相共存)的壓力為ptr，則定容式氣體溫度計的讀數(shù)用下式表示：外推ptr→0時不同氣體對目標物體溫度的測量的一致性，并獲得溫度測量值。下式定義理想氣體溫標(開氏)：溫標熱力學溫標、攝氏溫標、朗肯溫標、和華氏溫標的關系熱力學溫度1854年，開爾文提議將水三相點(triplepoint)的溫度，Ttr=273.16K，作為熱力學溫度的基準，于1954年被第十屆國際計量大會采納。同時用K表示理想氣體絕對溫標的單位。受水中氫氧同位素的影響，不同三相點瓶結(jié)果差異達50μK。目前國際上通過波爾茲曼常數(shù)kB來確定熱力學溫度。國際溫標及其發(fā)展理想氣體溫度計的主要缺點：溫度特別低的情況下，氣體會冷凝，偏離理想氣體的性質(zhì)；在高溫下發(fā)生離解；容積隨溫度的升降會張縮，不易準確測定；不適于實驗室或工業(yè)過程中的實際溫度測量。需要有一種簡單、容易再現(xiàn)，便于使用的二級標準溫度計。國際計量委員會于1968年開始采用國際實用溫標（IPTS-68），以取代早期的溫度標度。1990年開始使用1990年國際溫標，以取代1968年國際實用溫標（IPTS-68）。1990年國際溫標明確規(guī)定了：（1）容易復現(xiàn)的固定點的氣體溫標溫度和用以檢定儀器的二級參考溫度；（2）二級溫度標準的儀器儀表的度數(shù)用于根據(jù)固定點進行內(nèi)插的公式。為了完整起見，這是列出了規(guī)定的熱力學溫標固定溫度點。（ITS-90）將適用于溫度測量和內(nèi)插的方法概括為四個分區(qū)。國際溫標及其發(fā)展ITS-90溫標從0.65到5.0K根據(jù)3He和4He的蒸氣壓測量，后者又進一步分為兩段。每一段用12項多項式(polynomial)表示蒸氣壓與溫度的關系。從3.0到24.5561K用氦氣定容氣體溫度計測量，該溫度計3到5K用氦氣的蒸氣壓測定一個溫度點、一個氫氣的三相點溫度和一個氖氣的三相點溫度，共三個固定點標定。從13.8033到1234.93Ｋ按照技術規(guī)范用在表中的固定點標定的標準鉑電阻溫度計測量，并在四個子分區(qū)內(nèi)用狀態(tài)方程作進一步校正，也可更加細分這些分區(qū)。高于1234.93K通過測量可見光譜的輻射強度，與Ag，Au或Cu凝固點同波長輻射強度比較，并且根據(jù)普朗克黑體輻射方程確定的溫度值。國際溫標及其發(fā)展ITS-90溫標3He和4HeVP3到5Ke-H2TP13.8033Ke-H2(或He)VP(或CVGT)≈17Ke-H2(或He)VP(或CVGT)≈20.3KNeTP24.5561KO2TP54.3584KArTP83.8058KHgTP234.3156KH2OTP273.16KGaMP302.9146KInFP429.7485KSnFP505.078KZnFP692.677KAlFP933.473KAgFP1234.93KAuFP1337.33KCuFP1357.77K國際溫標及其發(fā)展基本狀態(tài)參數(shù)：壓力單位面積上承受的垂直作用力物理中壓強，單位Pa，N/m2常用單位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105Pa（標準大氣壓）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104