工程热力学教案第一讲.doc

｛导入新课｝
工 程 热 力 学
工程热力学的作用：
主要研究热能与机械能相互转换的规律、方法及提高转化率的途径，比较集中地表现为能量方程。
工程热力学部分的主要内容
（1）基本概念与基本定律，如工质、热力系、热力状态、状态参数及热力过程、热力学第一定律、热力学第二定律等等，这些基本概念和基本定律是全部工程热力学的基础。
（2）常用工质的热力性质。其主要内容是理想气体、水蒸气、湿空气等常用工质的基本热力性质。工质热力性质的研究是具体分析计算能量传递与转换过程的前提。
（3）各种热工设备的热力过程。其主要内容有理想气体的热力过程、气体和蒸汽在喷管和扩压管中流动过程及蒸汽动力循环等热力过程的分析计算。这些典型热工设备热力过程的分析计算，是工程热力学应用基本定律结合工质特性和过程特性分析计算具体能量传递与转换过程完善性的方法示例。

｛授课内容｝
第一章 工质及气态方程
第一节 工质 热力系统
第二节 工质的热力状态 基本状态参数
第三节 平衡状态 状态方程
第四节 理想气体状态方程

本章的主要内容 1、讨论能量转换过程中所涉及的各种基本概念；
2、在以气体为重要工质的能量转换过程中，介绍其状态方程。
本章的学习要求
• 理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。
• 理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；掌握绝对压力、表压力和真空度的关系。
• 掌握平衡状态的物理意义及实现条件。
• 了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。
• 理解热力过程、准平衡过程和可逆过程的物理意义与联系，能正确判定准平衡过程和可逆过程。

第一节 工质及状态方程

本节重点掌握热力系统，在学习这一概念之前先认识一个概念：【工质】
1. 什么是工质 ?
实现热能与机械能相互转换或热能转移的媒介物质。
2. 工质特性:可压缩、易膨胀、易流动
3. 常用工质: 热机循环中: 水蒸气、空气 、燃气 。
制冷循环 、热泵循环中: 氨 、氟里昂。
举例
（1） 从能量转换方面：汽轮中的水蒸气
首先要知道汽轮机的工作过程，如图示 （蒸汽动力循环示意图）

该工作过程实现了热能——>机械能的能量转换，水蒸气作为该能量转换过程中的媒介物质，就是工质。
（2） 从能量转移方面：制冷机中的制冷剂
大家来看单机蒸汽压缩式制冷循环原理图

被制冷压缩机压缩后的低温液态制冷剂流入蒸发器，通过蒸发器管壁吸收周围介质的热量而沸腾气化，使周围介质降低温度或保持低温状态。这个过程实现了能量的转移，而不是转换，制冷剂作为能量转移的媒介物质，就是工质。

【热力系统】 即“系统”
引入“热力系统”这个名词的原因：
做任何研究分析，首先必须明确研究对象，选定了热力系统就明确了研究对象所包含的范围和内容，同时也清楚地显示出它与周围事物的相互关系，便于针对热力系统建立定性和定量的关系。
1、 概念
（1）热力系统（系统）：在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，并将之人为地划分出来,称为热力系统，简称热力系或系统。
可为真实的物质、设备或假想的热力学模型，如:泵中的水、汽轮机 、卡诺热机。
如:对小球进行受力分析

（2）边界：分割系统与外界的分界面。可实际存在,亦可假想;可固定不动,亦可移动或变形。
（3）外界：边界以外与系统相互作用的物体，成为外界或环境。系统与外界之间的作用总是通过分界面进行的，通常有三种形式：功交换，热交换，物质交换。

2、 分类
根据系统与外界的物质或能量交换的特点，分为常见的以下几种类型。
（1）闭口系统 与外界有能量传递,无物质交换的系统。系统的质量恒定不变。如课本图1-1a气缸内的气体
（2）开口系统 与外界有能量、 物质交换的系统。系统的容积始终保持不变。
（3）绝热系统 与外界没有热量交换的系统。事实上，自然界不存在完全隔热的材料，因此绝热系统只是当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时的一种简化模式。例如汽轮机可以当做绝热系统来分析。
（4）孤立系统 与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。
（5）特殊热力系统：热源 本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。
提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。
在工程热力学中，最常见的热力系统是简单可压缩系统，特点是系统与外界之间功量的交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式。

第二节 工质的热力状态及基本状态参数

系统与外界之间能够进行能量交换（传热或做功）的根本原因，在于两者之间的热力状态存在差异。例如：锅炉中的热量传递是由于燃料燃烧生成的高温烟气与汽锅内汽水之间存在着温度差。这种温度上或者压力上的差异标志着工质物理特性数值的不同。因此我们引入一下概念———【热力状态】
一、 热力状态和状态参数
１．热力状态——工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态，简称状态。 反映了工质大量分子热运动的平均特性。
２．状态参数——描述工质热力状态的宏观的物理量。
状态参数特征：
（1）状态参数的变化量只与初、终态有关，与状态变化的途径无关。
（2）经历一个循环，状态参数的变化量必为零。
（3）状态参数与状态一一对应。
常见的有：基本状态参数——可直接或间接测量
温度（T）、压力（p）、比体积（v）
导出状态参数——必须由基本状态参数导出
热力学能（U）、焓（H）、熵（S）

二、 基本状态参数
１．温度——用来标志物体冷热程度的物理量。
• 温度是热平衡的判据 。
• 温度的测量: 温度计
• 温度的数值表示: 温标

温 标
温度及符号
单 位
摄氏温标
摄氏温度t
℃
热力学温标
热力学温度T
K

T = t+273.15 或 T = t+273 1 K = 1 ℃

（了解）摄氏温标
瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。
在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ℃ ，纯水的沸点温度为100 ℃，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01℃ 。
选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0 ～100 ℃温度下的体积差均分成100份，每份对应1 ℃。
热力学温标
英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称绝对温标。
用热力学温标确定的温度称为热力学温度。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。
2. 压力——指单位面积上承受的垂直作用力(即压强) .
• 压力的实质:大量分子向容器壁面撞击的平均结果.
• 压力的符号: p
• 压力的单位: Pa （帕），1 Pa =1 N/m 1 MPa = 10kPa =10Pa
看课本表1-1压力单位换算表
工程上常用弹簧管式压力表和U型管压力表测量气体的压力。

• 三种压力
1、绝对压力 p
2、表压力 pg p = pg + pb ( pb :当地大气压力 )
3、真空度 pv p = pb - pv
只有绝对压力才是工质的状态参数，表压力和真空度的数值都与当地大气压有关。
（看课本图1-4 p、pg、pv与pb间的关系）
例1-1 某蒸汽锅炉压力表读数为12.5MPa，凝汽器的真空表读数为95KPa。若当地大气压力为标准大气压，试求锅炉及凝汽器的绝对压力为多少。
解：由题意知，大气压力为pb=1.01325´105Pa。
锅炉中蒸汽的绝对压力为
p=pg+pb=12.5´106+1.01325´105
=12.601325´106（Pa）
=12.601325（MPa）
凝汽器内蒸汽的绝对压力为
p=pb-pv=1.01325´105-95´103
=6.325´103（Pa）
=6.325（KPa）
若题中没有给出当地大气压，则对高压容器取pb=0.1MPa，此时锅炉内的蒸汽绝对压力为 p=pg+pb=12.5+0.1=12.6（MPa）
计算误差很小，可以忽略。但对凝汽器内的蒸汽，
其绝对压力为 p=pb-pv=0.1´106-95´103=5´103（Pa）=5（KPa）
由此引起的相对误差=20.9％
可见，对于低压或负压空间，近似取值会引起很大的误差，计算应用时必须采用真实大气压力。

3. 比体积——单位质量的工质所占有的体积, 用符号v 表示，单位为 m/kg 。
v =
密度ρ
ρv=1

｛重点｝1、系统的概念和分类；
2、热力状态和状态参数的定义；
3、基本状态参数；
4、三个压力间的换算关系。
｛难点｝ 三个压力间的换算关系。

｛小结｝

｛作业｝