工程热力学

清华大学 吴晓敏教授

绪论

一次能源：大自然中天然存在的能源，通常需要转化成二次能源才能利用；如风能、水能、化学能、核能、地热能、太阳能。

二次能源：热能、机械能、电能。

北京地区具有丰富地热，品味低，不能用于发电，只能用于供热。

内燃机工作过程：吸气、压缩、膨胀、排气。

热机评价：   η=收益/代价=净功/吸热量=W/Q₁  。

动力设备的热效率是输出的净功比上从高温热源吸收的热量。

思考题：

1、    为什么永动机不能实现？

2、    为何要要有热源和能源，能否不要冷源，不放热，W=Q可否实现？

3、    火力发电效率一般只有40%作业，是否由途径提高？最高效率是否由极限？极限为多少？

研究内容

1、    能源转换的基本定律

2、    工质的基本性质和热力工程

3、    热工转换设备、工作原理

4、    化学热力学基础

工程热力学研究方法：

1、    宏管方法：我们主要用宏观的方法。

2、    微观方法：揭示本质。

工程热物理课程：

1、    工程热力学

2、    传热学

3、    流体力学

4、    燃烧学

5、    热物理学

热力学分类：

1、    工程热力学：热能与机械能

2、    物理热力学

3、    化学热力学

4、    生物热力学

5、    溶液热力学

中国能源形势严峻

1、    资源缺乏，能源短缺

2、    利用率低下

3、    环境问题突出：

4、    对外依存度增长过快

节能

1、    加强节能，提高能效

2、    以煤为主、积极发展核能等多元化能源

3、    可再生能源及氢能利用

第一章   基本概念

1-1、2 状态参数

外界：可以是固定的，也可以是移动的。可以是真实的，也可以是虚构的。

表 1-1 热力系统的分类

简单可压缩系统（最重要的系统）：只交换热量和一种准静态的容积变化功。

状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状态。

状态参数：描述热力系状态的宏观物理量。

状态参数的特征：单值性。系统的状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。数学上：点函数、态函数。

1)  状态参数的积分特性 ：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。  ∮dz=0

2)  状态参数的微分特征

设z=z(x,y)   dz 的全微分  dz=(∂z/∂x)dx+(∂z/∂y)dy

写成全微分的充要条件: ∂²z/∂x∂y=∂²z/∂y∂x,二阶连续偏导数与微分的顺序无关，可用来判断一个参数是否是状态参数

强度参数：与物质的量无关的参数，如压力P，温度T

广延参数：与物质的量有关的参数—可加性，如质量m,容积V，内能U，焓H，熵S。

比参数(用小写表示)：单位具有强度参数的单位，如 /kg   ,/kmol.

比容 v=V/m 

比内能 u=U/m

比焓 h=H/m

比熵 s=S/m

1-3 基本状态参数

1、    压力

单位：Pa(Pascal),N/㎡

常用单位：

1kPa=1000Pa  ;  1bar=10⁵ Pa; 1MPa=10⁶Pa  ;1mmHg=133.3Pa;

1atm=760mmHg=1.013X10⁵ Pa  ; 1at=1kgf/cm²=9.8067X10⁴Pa

测量：U形管、弹簧管，测出数据为相对压力。只有绝对压力是状态参数。绝对压力P，表压力P_g，环境压力P_b，真空度P_v

当P>P_{b ,} 表压力P_g      P=Pb+Pg

当P<P_{b ,} 真空度P_v      P=Pb-Pv

环境压力一般是大气压力，但有时候不同。

标准（物理）大气压：1 atm=760mmHg

当h变化不大，ρ≈常数

当h变化大，ρ≈ρ(h)   △P=-∫ρ(h)gdh处理空气密度变化公式

2、    温度：温度的概念的建立及其测量，以热力学第零定律为基础。

热力学第零定律：如果两个系统分别于第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。

基准点和刻度：温标 。T[K]=t[℃]=273.15

温度计：水银、酒精、热电阻、热电偶、铂电阻、辐射、激光全息干涉仪、CARS法（相干反斯托克斯喇曼光谱）

3、    比容v，表示公职聚集的疏密程度。单位：m³/kg  。v=1/ρ

1-4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。热平衡、力平衡、浓度平衡、相平衡、化学平衡

平衡的本质：不存在不平衡势差。如温差、压差、浓度差、化学势差。

稳定：参数不随时间变化。不一定是平衡状态。

稳定不一定平衡，但平衡一定稳定；不受外界影响的稳态才是平衡态。

平衡与均匀：平衡，时间上；均匀，空间上。

平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。

1-5 状态方程 坐标图

平衡状态可用一组状态参数描述其状态。

想要确切描述某个热力系，是否需要所以状态参数？

状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数的个数为N=n+1;

不平衡势差→状态变化→能量传递；

消除一种不平衡势差→达到某一方面平衡→消除一种能量传递方式；

不平衡势差彼此独立；

独立参数数目N＝不平衡势差数

              ＝能量传递方式的数目

              ＝各种方式的功+热量＝n+1

简单可压缩系统的独立变量数：

只交换热量和一种准静态的容积变化功。N=n+1=2

状态方程：P、V、T，取决与工质的性质。

理想气体的状态方程：pv=RT   pV=mRT

实际工质的状态方程？见第10章节。

坐标图：简单可压缩系统N=2,可以用平面坐标图表示。常见p-v图和T-s图。

说明：

1)  系统任何平衡态可表示在坐标图上；

2)  过程线上任意一点均应是平衡态；

3)  由不确定状态组成的过程用虚线表示。

1-6 准静态过程和可逆过程

平衡状态→状态不变化→能力不能转换；

非平衡状态→无法鉴定描述→引入准静态或准平衡过程；

准静态过程：系统随时处于某一个平衡状态。既是平衡，又是变化的，既可用状态参数描述，又可进行热功传递。

实用条件：破坏平衡所需时间(外部作用时间)>>自行恢复平衡所需时间(弛豫时间)；

一般的实际工程都可认为是准静态工程，但具体问题要具体分析。

容积变化功： m kg工质： δW=pdV    W=∫pdV

             1 kg 工质： δw=pdv    w=∫pdv

只适用于准静态工程。

容积变化功就是过程线与横坐标围城的面积。膨胀为正，压缩为负。是过程量，功的大小与路径有关。

若存在摩擦，就存在损失。

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，而不留下任何痕迹。

准静态过程+无耗散效应=可逆过程

耗散效应：通过摩擦使功变热的效应（摩阻、电阻、非弹性变形、磁阻等）。

可逆过程的功和热可完全用系统内工质的状态参数表达，故可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。

完全可逆：

内可逆：内部可逆而外部不可逆，常见。

1-7 功量

功的热力学定义Ⅰ：如果系统与外界发生能量传递时，其唯一效果可归结为举起重物，则系统与外界交换了功。

功的热力学定义Ⅱ：功是系统与外界相互作用的一种方式，是在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。

功的一般表达式  Δw=Fdx     w=∫Fdx

热力学中最常见的功——准静态容积变化功：膨胀功（+）、压缩功（-）。

表达式：δw=pdv    w=∫pdv

1-8 热量与熵

热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，是在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

表 1-2 热量与容积变化功

熵的定义：状态参数

广延量(单位：KJ/K)    dS=δQ_rev/T  

比参数(单位：KJ/KG.K)    ds=δq_rev/T

ds:可逆过程δq_rev除以传热时的T所得的商。

符号规定：系统吸热时为正Q>0，dS>0;系统放热是为负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：判断热量传递方向，计算可逆过程的传热量。

示功图（P-V图）与示热图（T-s图）。

1-9 热力循环

定义：工质经过一系列变化回到初始状态，这一系列的变化过程称为热力循环。

循环由过程组成。

组成循环中的任何一个过程不可逆，就是不可逆循环，P-V图上用虚线表示。

正循环（顺时针方向）：如动力循环

P-V图 净效应：对外做功；T-S图 净效应：吸热；

逆循环（逆时针方向）：如制冷循环，制热循环。

P-V图 净效应：对内做功；T-S图 净效应：放热；