熱工轉換基礎知識

1、第第0章章第一節(jié)熱功轉換的基礎知識第二節(jié)熱力學第一定律第三節(jié)熱力過程分析第四節(jié)熱力學第二定律引言引言發(fā)動機是通過燃料燃燒釋放出的熱能轉換成機械能來提供動力研究發(fā)動機原理就要研究：燃料在發(fā)動機內是如何燃燒的熱效率的影響因素釋放的熱能與機械能的轉換所遵循的規(guī)律轉換效率的影響因素熱量是如何傳遞的這些都涉及熱工基礎知識熱工基礎內容熱工基礎內容熱能的直接利用：直接利用熱能加熱物體，熱能形式不發(fā)生變化熱能的間接利用：熱能轉換為其他形式的能量（如機械能）熱能和機械能間的轉換必須遵守熱力學第一定律及熱力學第二定律通過選擇能量轉換所憑借的物質（工質）、合理安排熱力過程來提高能量間接利用的經濟性一、能量與能源世界

2、由物質構成。一切物質都處于運動狀態(tài)，能量是物質運動的度量。 一切物質都具有能量，如果沒有能量，世界就會永遠處于靜止狀態(tài)，也就不會有生命。人類在日常生活和生產過程中需要各種形式的能量。到目前為止，人類所認識的能量主要有機械能、熱能、電能、化學能、核能、輻射能等幾種形式。能源是指能夠直接或間接提供能量的物質資源第一節(jié)熱功轉換的基礎知識基本概念基本概念1.1.工質工質: :實現熱能與機械能相互轉換憑借的工作物質（氣體）。實現熱能與機械能相互轉換憑借的工作物質（氣體）。2.2.熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)和和外界外界: :把作為研究對象的某一宏觀尺寸范圍內的把作為研究對象的某一宏觀尺寸范圍內的工質總稱為熱力系統(tǒng)，

3、如氣缸內的氣體；把熱力系統(tǒng)以外和工質總稱為熱力系統(tǒng)，如氣缸內的氣體；把熱力系統(tǒng)以外和熱功轉換過程有關的其他物體統(tǒng)稱為外界，如氣缸體。熱功轉換過程有關的其他物體統(tǒng)稱為外界，如氣缸體。3.3.熱力狀態(tài)熱力狀態(tài): :把工質在某一瞬間所處的宏觀狀態(tài)稱為工質的把工質在某一瞬間所處的宏觀狀態(tài)稱為工質的“熱力狀態(tài)熱力狀態(tài)”，簡稱，簡稱“狀態(tài)狀態(tài)”。工質的熱力狀態(tài)用物理量來。工質的熱力狀態(tài)用物理量來描述，這些物理量稱為氣體的狀態(tài)參數，如溫度、壓力和比描述，這些物理量稱為氣體的狀態(tài)參數，如溫度、壓力和比體積等。體積等。4.4.熱力過程熱力過程:將熱力系統(tǒng)中的工質從某一初始狀態(tài)變化到另一將熱力系統(tǒng)中的工質從某一初

4、始狀態(tài)變化到另一狀態(tài)所經歷的整個過程稱為熱力過程。狀態(tài)所經歷的整個過程稱為熱力過程。二、工質的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數 開口系統(tǒng)：與外界有物質交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)：與外界有物質交換的系統(tǒng)。 封閉系統(tǒng)：與外界只有封閉系統(tǒng)：與外界只有能量能量交換而無物質交換的系交換而無物質交換的系統(tǒng)。統(tǒng)。 絕熱系統(tǒng)：與外界沒有絕熱系統(tǒng)：與外界沒有熱量熱量交換的系統(tǒng)。交換的系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)：與外界既無孤立系統(tǒng)：與外界既無能量能量交換，也無物質交換的交換，也無物質交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)。 熱源：與外界僅交換熱源：與外界僅交換熱量熱量。且具有無窮大熱容量的。且具有無窮大熱容量的系統(tǒng)。系統(tǒng)。 可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體構成的熱力

5、系統(tǒng)。可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體構成的熱力系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類基本狀態(tài)參數基本狀態(tài)參數u平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下（重力場平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下（重力場除外），熱力系統(tǒng)的宏觀性質不隨時間變化的狀除外），熱力系統(tǒng)的宏觀性質不隨時間變化的狀態(tài)。態(tài)。u狀態(tài)參數：描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量。狀態(tài)參數：描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量。u氣體常用的狀態(tài)參數有氣體常用的狀態(tài)參數有6 6個，其中個，其中溫度溫度（T T）、）、壓力壓力（p p）和）和比體積比體積（）這三個物理量，稱基）這三個物理量，稱基本狀態(tài)參數。本狀態(tài)參數。u內能（內能（U U）、熵（）、熵（S S）、焓（）、焓（H H）。

6、）。溫度溫度u溫度表示氣體的冷熱程度。按分子運動論，氣體的溫度是溫度表示氣體的冷熱程度。按分子運動論，氣體的溫度是氣體內部分子不規(guī)則運動劇烈程度的物理量。氣體的溫度氣體內部分子不規(guī)則運動劇烈程度的物理量。氣體的溫度越高，氣體內部分子的平均動能就越大。越高，氣體內部分子的平均動能就越大。u熱力學溫度熱力學溫度: :開氏溫度，用符號開氏溫度，用符號T T表示，單位為開爾文，單表示，單位為開爾文，單位符號為位符號為“K K” （基本溫標（基本溫標) )。熱力學溫度以水的三相點溫熱力學溫度以水的三相點溫度為基本定點溫度度為基本定點溫度(即水的固、液、氣三態(tài)共存時的溫度即水的固、液、氣三態(tài)共存時的溫度)

7、，并規(guī)定其溫度為并規(guī)定其溫度為273.15K。于是。于是1K1K就是水的三相點溫度的就是水的三相點溫度的1/273.151/273.15。u工程上的溫度：攝氏溫度，用符號工程上的溫度：攝氏溫度，用符號t t表示，單位符號為表示，單位符號為“”“”。u攝氏溫度與開氏溫度的關系為：攝氏溫度與開氏溫度的關系為：t tT T273.15273.15注意：只有開氏溫度才是狀態(tài)參數。注意：只有開氏溫度才是狀態(tài)參數。u定義：定義：氣體在單位面積容器壁上的垂直作用力氣體在單位面積容器壁上的垂直作用力, ,用符號用符號p p表示，單表示，單位是帕斯卡，簡稱為帕（位是帕斯卡，簡稱為帕（PaPa）。由于帕很小，工程

8、上常用千帕）。由于帕很小，工程上常用千帕（kPakPa）或兆帕（）或兆帕（MPaMPa）為單位。）為單位。 1 kPa =101 kPa =103 3Pa 1 MPa =10Pa 1 MPa =106 6PaPau壓力的表示方法：壓力的表示方法：1.1.絕對壓力：指氣體作用在容器壁上的真實壓力絕對壓力：指氣體作用在容器壁上的真實壓力, ,用用p p表示。表示。2.2.表壓力：當氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓力表指示的數值表壓力：當氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓力表指示的數值就是表壓力。表壓力等于氣體的絕對壓力就是表壓力。表壓力等于氣體的絕對壓力p與大氣壓力與大氣壓力p0的差值，的差值，用用

9、pg表示。其關系式為表示。其關系式為pg=p-p0 。3.3.真空度：當氣體的絕對壓力低于大氣壓力時，真空表測量的數值真空度：當氣體的絕對壓力低于大氣壓力時，真空表測量的數值就是真空度。真空度等于大氣壓力與氣體絕對壓力的差值，用就是真空度。真空度等于大氣壓力與氣體絕對壓力的差值，用pv表表示。其關系式為示。其關系式為pv=p0 -p。注意：只有絕對壓力才是狀態(tài)參數。注意：只有絕對壓力才是狀態(tài)參數。壓力壓力比體積比體積u比體積：單位質量的氣體所占的體積，稱為氣體的比體比體積：單位質量的氣體所占的體積，稱為氣體的比體積。用符號積。用符號v v表示，單位為表示，單位為m3/kg。u密度：密度：單位體

10、積單位體積的氣體的氣體所具有的質量稱為密度，以符號所具有的質量稱為密度，以符號 表示，其單位為表示，其單位為kg/m3。mVv Vm三、狀態(tài)方程式三、狀態(tài)方程式 簡單可壓縮系統(tǒng)平衡態(tài)的獨立狀態(tài)參數只有2個 由氣態(tài)工質組成的簡單可壓縮系統(tǒng)與外界交換的準靜態(tài)功只有體積變化功（膨脹功或壓縮功） 狀態(tài)方程式：平衡態(tài)下溫度、壓力和比體積3個基本狀態(tài)參數間的函數關系F（p,v,T)=0理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程u理想氣體：分子不占體積、分子之間沒有吸力的氣體。理想氣體：分子不占體積、分子之間沒有吸力的氣體。u理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝隆方程式）：溫度、壓力、理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝隆方程式）：溫度

11、、壓力、比體積之間關系式。比體積之間關系式。 1 1理想氣體：理想氣體： 理想氣體：理想氣體： 式中：式中：V Vm mkgkg理想氣體的總容積，理想氣體的總容積，V V= =mvmv。 R R氣體常數，其數值取決于氣體的性質，單氣體常數，其數值取決于氣體的性質，單 位為位為kJ/kJ/（kgKkgK）。）。 RTpv mRTpV 狀態(tài)參數坐標圖：只有狀態(tài)參數坐標圖：只有2個獨立參數的熱力個獨立參數的熱力系統(tǒng)，可任選系統(tǒng)，可任選2個參數組成二維平面坐標圖個參數組成二維平面坐標圖來描述被確定的平衡態(tài)來描述被確定的平衡態(tài)準平衡過程準平衡過程 準平衡過程:過程進行的相對緩慢，工質在平衡被破壞后自動回

12、復平衡所需的時間很短，工質有足夠的時間來恢復平衡，不致隨時顯著偏離平衡狀態(tài) 實現條件： 推動過程進行的不平衡勢差（壓力差、溫度差等）無限小1.系統(tǒng)有足夠時間恢復平衡可逆過程可逆過程 可逆過程:若系統(tǒng)完成某一過程之后，可再沿原來的路徑回復到起始狀態(tài)，并使相互作用中涉及的外界也回復到原來狀態(tài)，而不留下任何變化 嚴格按照原來的路徑返回起始狀態(tài) 過程中不存在任何耗散損失1.可逆過程就是無耗散效應的準靜態(tài)過程可逆過程與準靜態(tài)過程區(qū)別可逆過程與準靜態(tài)過程區(qū)別兩者都是無限緩慢進行的，由無限接近平衡態(tài)所組成區(qū)別：準靜態(tài)過程只著眼于工質的內部平衡，不涉及與外界的能量交換可逆過程分析工質與外界作用所產生的總效果，

13、不僅要求工質內部平衡，且要求工質與外界的作用可以無條件地逆復，過程中不存在任何能量耗散四、工質的比熱容(一)比熱容與物質單位的關系因為工質的計量單位可用、3，所以工質的比熱容有如下三種：比質量熱容：()比摩爾熱容：()比容積熱容：(3 )(二)比定壓熱容和比定容熱容 氣體在壓力不變或體積不變的情況下被加熱時的比熱容，分別叫比定壓熱容和比定容熱容，通常用腳標 和V來標注。(三)真實比熱容和平均比熱容 根據大量精確的試驗數據和量子力學理論，理想氣體的比熱容與壓力無關，而應是溫度的函數。(四)定比熱容表-理想氣體的定值比摩爾熱容和比熱容比一、功、熱量和內能一、功、熱量和內能u1 1功功( (力與力方

14、向上的位移的乘積）力與力方向上的位移的乘積）當氣體的壓力和容積發(fā)生變化時，氣體與外界之間相互傳遞的當氣體的壓力和容積發(fā)生變化時，氣體與外界之間相互傳遞的機械能稱之為功，用機械能稱之為功，用W表示。單位為焦耳，單位符號為表示。單位為焦耳，單位符號為“J”J”或或“kJ”kJ”， 1kJ=101kJ=103 3J J。1kg1kg氣體容積（即比體積）的微小變化量為氣體容積（即比體積）的微小變化量為: : dv = Adx 1kg1kg氣體對外界所作的微元功為氣體對外界所作的微元功為: : w= Fdx =pAdx = pdv1kg1kg氣體對外界所作的功為氣體對外界所作的功為: :若汽缸內的氣體為

15、若汽缸內的氣體為m mkgkg，其總容積，其總容積V=mv，則則m mkgkg氣體從狀態(tài)氣體從狀態(tài)1 1變化到狀態(tài)變化到狀態(tài)2 2對外所作對外所作的功為的功為: : 21vvwpdv2211vVvVWmwpmdvpdV第二節(jié)熱力學第一定律規(guī)定：系統(tǒng)對外做功時取正值，外界對系統(tǒng)做功時取負值一、功、熱量和內能一、功、熱量和內能u2 2熱量熱量熱量是由于溫度的不同，系統(tǒng)和外界之間穿越邊界而傳遞的能量。熱量是由于溫度的不同，系統(tǒng)和外界之間穿越邊界而傳遞的能量。熱量的國際單位與功一樣為焦耳，單位符號為熱量的國際單位與功一樣為焦耳，單位符號為“J”J”或或“kJ”kJ”。熱量通常用比熱來計算。比熱是指單位

16、量的物質溫度每變化熱量通常用比熱來計算。比熱是指單位量的物質溫度每變化1K1K時時吸收或放出的熱量，用符號吸收或放出的熱量，用符號c c表示，即表示，即式中：式中：d dq q單位量的物質在溫度變化單位量的物質在溫度變化d dT T 時吸收或放出的熱量。時吸收或放出的熱量。1kg1kg氣體的溫度變化氣體的溫度變化d dT T 時，吸收或放出的微元熱量時，吸收或放出的微元熱量d dq q為為:d:dq q= =c cd dT T1kg1kg氣體的溫度從氣體的溫度從T T1 1 T T2 2時，吸收或放出的熱量時，吸收或放出的熱量q q為為: :m mkgkg氣體的溫度從氣體的溫度從T T1 1

17、T T2 2時，吸收或放出的熱量時，吸收或放出的熱量Q Q為為: :規(guī)定規(guī)定: :氣體從外界吸收熱量為正，向外界放出熱量為負。氣體從外界吸收熱量為正，向外界放出熱量為負。注意：功和熱量都不是狀態(tài)參數。注意：功和熱量都不是狀態(tài)參數。 一、功、熱量和內能一、功、熱量和內能u3 3內能內能氣體的內能是指氣體內部所具有的各種能量的總和，由氣體分氣體的內能是指氣體內部所具有的各種能量的總和，由氣體分子運動的動能和分子間位能組成。子運動的動能和分子間位能組成。u內能是氣體的狀態(tài)參數。內能是氣體的狀態(tài)參數。u對于理想氣體，因假設其分子間沒有引力，其位能為零，所對于理想氣體，因假設其分子間沒有引力，其位能為零

18、，所以其內能僅指其內部動能，它是溫度以其內能僅指其內部動能，它是溫度T T 的單值函數。的單值函數。1kg1kg氣體的內能用符號氣體的內能用符號u u 表示，單位為表示，單位為J/kgJ/kg或或kJ/kgkJ/kg，則，則u = f（T）1kg1kg氣體的溫度從氣體的溫度從T1變化到變化到T2時，其內能的變化量時，其內能的變化量u為為: :u = u2u1 = f（T2）f（T1）mkg氣體的內能用符號氣體的內能用符號U U表示，單位為表示，單位為J J或或kJkJ，溫度從，溫度從T1變化到變化到T2時，其內能的變化量時，其內能的變化量U為為: :U = U 2U 1 =mf（T2）f（T1

19、) Fu1/1二、熱力學第一定律二、熱力學第一定律u熱力學第一定律：熱和功可以相互轉換，為了要獲得一定量的熱力學第一定律：熱和功可以相互轉換，為了要獲得一定量的功，必須消耗一定量的熱；反之，消耗一定量的功，必會產生一功，必須消耗一定量的熱；反之，消耗一定量的功，必會產生一定量的熱。定量的熱。u第一類永動機是不可能被成功地制造的。在熱能與其他能量的第一類永動機是不可能被成功地制造的。在熱能與其他能量的相互轉換過程中，能的總量保持不變相互轉換過程中，能的總量保持不變-遵循能量守恒原則遵循能量守恒原則。u1kg氣體由狀態(tài)氣體由狀態(tài)1 1變化到狀態(tài)變化到狀態(tài)2 2所經歷的過程中，如果氣體與外所經歷的過

20、程中，如果氣體與外界交換的熱量為界交換的熱量為q1-2，機械功為，機械功為w1-2，內能的變化量為，內能的變化量為u2u1，三者之間的平衡關系可用能量平衡方程表示為三者之間的平衡關系可用能量平衡方程表示為: :q1-2= u2u1+ w1-2mkg氣體由狀態(tài)氣體由狀態(tài)1 1變化到狀態(tài)變化到狀態(tài)2 2所經歷的過程中，則有所經歷的過程中，則有Q1-2= U2U1+ W1-2u氣體狀態(tài)發(fā)生變化時，從外界吸收的熱量等到于其內能的增加氣體狀態(tài)發(fā)生變化時，從外界吸收的熱量等到于其內能的增加量與對外所作的機械功之和。量與對外所作的機械功之和。 che1/1三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式與焓（略略）圖-4開口

21、系統(tǒng)示意圖四、熵及溫熵圖)熵是一狀態(tài)參數，如已知兩個獨立的狀態(tài)參數，即可求出熵的值。)只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定值。)與內能和焓一樣，通常只需求熵的變化量，而不必求熵的絕對值。)熵是可加性的量，工質的熵是工質的熵的倍，。)在可逆過程中，從熵的變化過程中可判斷熱量的傳遞方向：系統(tǒng)吸熱；系統(tǒng)絕熱；系統(tǒng)放熱。)熵可以判斷自然界一切自發(fā)過程的熵變。pv圖圖u循環(huán)中工質所作的凈功為循環(huán)中工質所作的凈功為: :w w0 0 u循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量為為: : q1q2 u由于由于u u=0=0。根據熱力學第一定律。根據熱力學第一定律則可得出則可得出: :q1q2= w

22、w0u結論結論: :循環(huán)中工質從高溫熱源吸收循環(huán)中工質從高溫熱源吸收熱量熱量q q1 1，只將其中的一部分轉換成，只將其中的一部分轉換成機械功機械功w w0 0，而另一部分熱量，而另一部分熱量q q2 2傳遞傳遞給低溫熱源。給低溫熱源。 umkg：Q1 Q2=W0圖-5可逆過程的圖和圖)圖)圖一、定容過程()過程方程：定值()基本狀態(tài)參數間關系式：()功量與熱量分析計算第三節(jié)熱力過程分析定容過程，故定容過程膨脹功定容過程的技術功為()根據比定容熱容定義，定容過程吸收的熱量為或由熱力學第一定律表達式Che1/1圖-6定容過程()圖和圖根據過程方程可知，在p圖上定容線是一條與橫坐標垂直的直線，如圖

23、-所示。二、定壓過程()過程方程：定值()基本狀態(tài)參數間關系式：()功量和熱量分析計算定壓過程，則膨脹功和技術功為()類似于定容過程分析，定壓過程吸熱量圖-7定壓過程()圖和圖根據過程方程知，在圖上定壓線為一條與縱坐標垂直的直線，如圖-所示。三、定溫過程()過程方程：由定義知，定溫過程溫度保持不變，即定值。()基本狀態(tài)參數間關系：()功量和熱量的分析計算 根據過程方程，過程的膨脹功為/根據理想氣體熱力性質，即，從而有因此在理想氣體的定溫過程中，膨脹功、技術功和熱量三者相等。圖-8定溫過程()圖和圖根據過程方程知，定溫線在圖上是等軸雙曲線，如圖所示。四、定熵過程()過程方程 根據理想氣體熵變的微

24、分表達式和定熵過程熵不變的特點，有定值()基本狀態(tài)參數間的關系 p/pkv/v pv kpv1k T2 /T(v / v) (k1)()功量和熱量的分析計算定熵過程的技術功為定熵過程是絕熱可逆過程，故圖-9絕熱過程()圖和圖由定熵過程的過程方程=定值可知，定熵過程在圖上是一條冪指數為負的冪函數曲線(又稱高次雙曲線)。五、理想氣體的多變過程圖-0多變過程u開爾文一普朗克說法：開爾文一普朗克說法：“不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉變?yōu)楣?，而不引起其他變作用只是從單一熱源取熱并全部轉變?yōu)楣Γ灰鹌渌兓??；！? (第二類永動機是不可

25、能被成功制造的。第二類永動機是不可能被成功制造的。) )為了連續(xù)地獲得機械功，至少必須有兩個熱源，即高溫熱源和為了連續(xù)地獲得機械功，至少必須有兩個熱源，即高溫熱源和低溫熱源。低溫熱源。u克勞修斯說法：克勞修斯說法：“不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。引起其他變化?！?” 這一表述說明：不管利用什么機器，這一表述說明：不管利用什么機器，熱量不可能自發(fā)地、不花熱量不可能自發(fā)地、不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體。任何代價地從低溫物體傳向高溫物體。各種制冷設備必須消耗各種制冷設備必須消耗功并把這些功轉換為熱量和低溫物體的熱量一起傳給高溫物體，

26、功并把這些功轉換為熱量和低溫物體的熱量一起傳給高溫物體，以達到制冷的目的。以達到制冷的目的。u結論：結論：自發(fā)過程具有方向性自發(fā)過程具有方向性-一切自發(fā)實現的過程都是不可一切自發(fā)實現的過程都是不可逆的。逆的。 第四節(jié)熱力學第二定律一、自發(fā)過程的方向性與熱力學第二定律的表述u定義定義: :工質由某一初始狀態(tài)出發(fā)，經過一系列的狀工質由某一初始狀態(tài)出發(fā)，經過一系列的狀態(tài)變化又重新回到初始狀態(tài)所經歷的封閉過程，態(tài)變化又重新回到初始狀態(tài)所經歷的封閉過程，簡稱循環(huán)。簡稱循環(huán)。u循環(huán)可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。循環(huán)可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。u循環(huán)過程可用循環(huán)過程可用pv圖圖表示。表示。二、熱力循環(huán)與熱效率pv圖圖u循環(huán)中工質所作的凈功為循環(huán)中工質所作的凈功為: :w w0 0 u循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量為為: : q1q2 u由于由于u u=0=0。根據熱力學第一定律。根據熱力學第一定律則可得出則可得出: :q1q2= w w0u結論結論: