1M411080 了解工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識

1M411081，熱力過程中工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)

工程熱力學(xué)是從工程的觀點出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換和熱能的直接利用等問題，是設(shè)計和分析各種動力裝置、制冷機(jī)組、熱泵空調(diào)機(jī)組、鍋爐和各種熱交換器的理論基礎(chǔ)。

系統(tǒng)中某瞬間工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱為工質(zhì)的狀態(tài)。工質(zhì) 的熱力狀態(tài)反映著工質(zhì)大量分子熱運動的平均特性。系統(tǒng)與外界之間因兩者的熱力狀態(tài)存在差異而能夠進(jìn)行能量交換(傳熱或作功)。

(1)工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)

描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有溫度(T)、壓力(p、比容(v)密度(ρ)、內(nèi)能(u)、焓(h)、熵(s)等，其中可以直接或間接地用儀表測量的狀態(tài)參數(shù)稱為工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、比容和密度等。

*溫度(T)：描述平衡熱力系統(tǒng)冷熱狀況的物理量，

溫度的數(shù)值標(biāo)尺簡稱溫標(biāo)，對各種溫標(biāo)都要規(guī)定其基本定點和每度的數(shù)值。

國際單位制(SI)規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)符號用T，單位代號為K(中文：開)。

國際單位制(SI)規(guī)定攝氏溫標(biāo)為實用溫標(biāo)，符號用t，單位名稱為攝氏度，單位符號為℃。

*壓力(p)：壓力的大小通常用垂直作用于容器壁單位面積上的力來表示，稱為絕對壓力(或壓強(qiáng))，通常簡稱為壓力(或壓強(qiáng))。

壓力的宏觀定義式：p=F/f

國際單位制(Si)規(guī)定壓力單位的名稱為帕斯卡，單位符號為Pa，1Pa=1N/m2.

由于大氣壓力隨地理位置及氣候條件等環(huán)境因素而變化，絕對壓力相同的工質(zhì)在不同的大氣壓力條件下測量時，壓力表指示的壓力值并不相同。這類儀表測得的壓力稱為相對壓力(或表壓)。絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)。

*比容(v)與密度(ρ)：

單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的容積稱為工質(zhì)的比容，v=V/m，單位為m3/kg.

單位容積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量稱為工質(zhì)的密度，即：ρ=m/V，單位為kg/m3.

工質(zhì)的比容與密度互為倒數(shù)。

(2)工質(zhì)的狀態(tài)方程 .

系統(tǒng)內(nèi)外同時建立了熱的和力的平衡，保持其宏觀熱力性質(zhì)不隨時間而變化，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱為平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)總會受外界影響而偏離平衡狀態(tài)，因此平衡狀態(tài)只是一種理想狀態(tài)，用于對偏離不大的實際狀態(tài)的簡化分析計算。

理想氣體是假設(shè)氣體分子是具有彈性而不占體積的質(zhì)點，且分子之間沒有相互作用力的假想氣體模型。常見的空氣和燃?xì)庖话憧煽醋骼硐霘怏w，而供熱介質(zhì)水蒸氣、制冷劑蒸汽和石油氣等必須作為實際氣體。

* 反映系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的公式稱為狀態(tài)方程。對于純物質(zhì)簡單可壓縮系統(tǒng)的狀態(tài)方程，可以用溫度、壓力、比容這三個基本狀態(tài)參數(shù)表示為F(p，o，r)=o.

對于理想氣體可推導(dǎo)得到其狀態(tài)方程是 pv=RT

1M411082 工質(zhì)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件

實踐證明;能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，或從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個系統(tǒng)，而其總量保持恒定，這一自然界普遍規(guī)律稱為能量守恒定律。把這一定律應(yīng)用于伴有熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移過程，即為熱力學(xué)第一定律，表明了熱能與機(jī)械能在傳遞或轉(zhuǎn)換過程中的能量守恒，據(jù)此建立能量方程。

能量方程的一般形式;系統(tǒng)收入能量一支出能量=系統(tǒng)儲存能量的增量

(1)系統(tǒng)能量的組成

系統(tǒng)能量分為兩大類：一類是系統(tǒng)本身的能量，稱為系統(tǒng)儲存能;另一類是系統(tǒng)與外界之間相互傳遞的能量。

系統(tǒng)儲存能分為內(nèi)能和外儲存能兩部分：

*內(nèi)能(或稱內(nèi)儲存能)是工質(zhì)內(nèi)部分子動能與分子位能的總和，用U表示，其單位是焦?fàn)?J)，單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能用u表示，其單位是焦?fàn)?千克(J/kg)。系統(tǒng)內(nèi)能取決于系統(tǒng)本身(內(nèi)部)的狀態(tài)，與工質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微觀運動形式有關(guān)。內(nèi)能是工質(zhì)的溫度和比容的函數(shù)，因此內(nèi)能也屬工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。

*外儲存能包括工質(zhì)以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運動所具有的能量(稱為宏觀動能)及系統(tǒng)工質(zhì)與外力場的相互作用時具有的能量(如重力位能)。

宏觀動能：物體以某一速度運動時，其具有的動能為宏觀運動動能。

重力位能：在重力場中物體相對于系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系的高度為重力位能。

*系統(tǒng)的總儲存能為內(nèi)儲存能與外儲存能之和。對于沒有宏觀運動，并且高度為零的系統(tǒng)，系統(tǒng)總儲存能就等于內(nèi)能。

*閉口系統(tǒng)能量方程：與外界不發(fā)生物質(zhì)交換(即沒有物質(zhì)穿過邊界)的系統(tǒng)稱為閉

口系統(tǒng)，閉口系統(tǒng)的質(zhì)量保持恒定，其系統(tǒng)能量方程：

系統(tǒng)總儲存能的變化=系統(tǒng)內(nèi)能的變化。

*開口系統(tǒng)能量方程：有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，其能量方程：

進(jìn)入控制體的能量一控制體輸出能量=控制體中儲存能量的增量

(2)系統(tǒng)與外界的能量傳遞

系統(tǒng)與外界傳遞能量是指系統(tǒng)與外界熱力源(熱源、功源、質(zhì)源)或與其他有關(guān)物體之間進(jìn)行的能量傳遞。系統(tǒng)與外界熱進(jìn)行的能量傳遞包括：熱量、功和物質(zhì)流能。

*熱量：熱量學(xué)的熱量定義是：在溫差作用下系統(tǒng)與外界傳遞的能量稱為熱量。熱量一旦通過界面?zhèn)魅?或傳出)系統(tǒng)，就變 成系統(tǒng)(或外界)儲存能的一部分，即內(nèi)能，有時習(xí)慣上稱為熱能。顯然，熱量與內(nèi)能(或熱能)之間有原則的區(qū)別。熱量是與過程特性有關(guān)的過程量。

*功：在熱力學(xué)中，功是系統(tǒng)除溫差以外的其他不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界之間 傳遞的能量。功也是與過程特性有關(guān)的過程量功可分為：

膨脹功(也稱容積功)：熱轉(zhuǎn)換為功，工質(zhì)容積都要膨脹，也就是說都有膨脹功。閉口系統(tǒng)膨脹功通過系統(tǒng)界面?zhèn)鬟f，而開口系統(tǒng)的膨脹功可通過其他形式(如軸)傳遞。

軸功：系統(tǒng)通過機(jī)械軸與外界傳遞的機(jī)械功稱為軸功。通常規(guī)定系統(tǒng)輸出軸功為正功，輸入軸功為負(fù)功。軸功可來源于能量的轉(zhuǎn)換，如汽輪機(jī)中熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;也可能是機(jī)械能的直接傳遞，如水輪機(jī)。

*物質(zhì)流能：隨物質(zhì)流傳遞的能量包括流動工質(zhì)本身具有的能量(內(nèi)能、宏觀動能和重力位能)和流動功(或稱推動功)，流動功是為推動流體通過控制體界面而傳遞的機(jī)械功，它是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。

*焙的物理意義：對于流動工質(zhì)，我們把內(nèi)能和流動功稱為焓，焓具有能量意義，它表示流動工質(zhì)向流動前方傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。焙也是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。如果工質(zhì)的動能和位能可以忽略，則焓表示隨流動工質(zhì)傳遞的總能量。

*熵：我們把工質(zhì)在可逆過程中傳遞的熱量與當(dāng)時溫度之比的總和稱為工質(zhì)的熵的變化，熵用s表示，其單位是J/K，單位質(zhì)量工質(zhì)的熵用，表示;其單位是J/ksK.

熵也是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，用工質(zhì)的熵的變化來表達(dá)熱力過程特性。

對于可逆的等溫過程，工質(zhì)的熵的變化就等于傳遞的熱量與該溫度的比值。

(3)能量的轉(zhuǎn)換條件

凡是涉及到熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)換過程，都是有一定的方向性和不可逆性，即過程總是朝一個方向進(jìn)行而不能自發(fā)地反向進(jìn)行，這個方向就是指系統(tǒng)從不平衡狀態(tài)朝平衡狀態(tài)進(jìn)行。 反向過程的進(jìn)行必須同時伴有另外的補(bǔ)償過程存在，例如要使熱量由低溫物體傳向高溫物體，可以通過制冷機(jī)消耗一定的機(jī)械功來實現(xiàn)，這里消耗機(jī)械功的過程就是補(bǔ)償過程。

(4)卡諾循環(huán)

*卡諾循環(huán)是由以下四個過程組成的理想循環(huán)，如圖1M411082所示。

過程a-b：工質(zhì)從熱源(T1)可逆定溫吸熱;

b-c：工質(zhì)可逆絕熱(定熵)膨脹;

c-d：工質(zhì)向冷源(T2)可逆定溫放熱;

d-a：工質(zhì)可逆絕熱(定熵)壓縮回復(fù)到初始狀態(tài)。工質(zhì)在整個循環(huán)過程中從熱源吸熱ql，向冷源放熱q2，對外界作功w1，外界對系統(tǒng)作功w2，循環(huán)凈功w0.

*卡諾循環(huán)的熱效率：

卡諾循環(huán)熱效率的大小只決定于熱源溫度T1：及冷源溫度T2.要提高其熱效率可通過提高T1及降低T2的辦法來實現(xiàn)。

卡諾循環(huán)熱效率總是小于1.只有當(dāng)T1=∞或T2=0時，熱效率才能等于1，但都是不可能的。

單一熱源的循環(huán)發(fā)動機(jī)是不可能實現(xiàn)的。

卡諾循環(huán)的熱效率與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。

*逆卡諾循環(huán)：

反方向進(jìn)行的卡諾循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)，是由工質(zhì)的定熵降溫膨脹過程、可逆定溫吸熱膨脹過程、定熵升溫壓縮過程和可逆定溫放熱壓縮過程等四個可逆過程組成。逆卡諾循環(huán)的性能系數(shù)(致冷系數(shù)ε1或供熱系數(shù)ε12)也只決定于熱源溫度T1和T2.

逆卡諾循環(huán)可用來制冷，也可用來供熱。這兩個目的可單獨實現(xiàn)，也可在同一設(shè)備中交替實現(xiàn)，即冬季用來作為熱泵采暖，夏季作為制冷機(jī)用于空調(diào)制冷。

卡諾定理：

卡諾定理指出所有工作于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的一切熱機(jī)，以可逆熱機(jī)的熱效率為最高。在同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的一切可逆熱機(jī)，其熱效率均相等。

卡諾循環(huán)解決了熱機(jī)熱效率的極限值問題，并從原則上提出了提高熱效率的途徑。在相同的熱源與冷源之間，卡諾循環(huán)的熱效率為最高，一切其他實際循環(huán)，均低于卡諾循環(huán)的熱效率。一切實際熱機(jī)進(jìn)行的都是不可逆循環(huán)，改進(jìn)實際熱機(jī)循環(huán)的方向是以卡諾循環(huán)熱效率為最高標(biāo)準(zhǔn)，盡可能接近卡諾循環(huán)。

機(jī)電安裝工程中利用能量轉(zhuǎn)換的實例如：汽輪機(jī)等動力機(jī)械利用工質(zhì)在機(jī)器中膨脹獲得機(jī)械功;壓氣機(jī)消耗軸功使氣體壓縮升高其壓力;制冷機(jī)消耗軸功實現(xiàn)制冷;熱泵消耗軸功實現(xiàn)供熱。

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