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1M411080 了解工程热力学的基础知识

1M411081，热力过程中工质的基本状态参数

工程热力学是从工程的观点出发，研究物质的热力性质、能量转换和热能的直接利用等问题，是设计和分析各种动力装置、制冷机组、热泵空调机组、锅炉和各种热交换器的理论基础。

系统中某瞬间工质热力性质的总状况称为工质的热力状态，简称为工质的状态。工质 的热力状态反映着工质大量分子热运动的平均特性。系统与外界之间因两者的热力状态存在差异而能够进行能量交换(传热或作功)。

(1)工质的基本状态参数

描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数，热力学中常用的状态参数有温度(T)、压力(p、比容(v)密度(ρ)、内能(u)、焓(h)、熵(s)等，其中可以直接或间接地用仪表测量的状态参数称为工质的基本状态参数，如温度、压力、比容和密度等。

*温度(T)：描述平衡热力系统冷热状况的物理量，

温度的数值标尺简称温标，对各种温标都要规定其基本定点和每度的数值。

国际单位制(SI)规定热力学温标符号用T，单位代号为K(中文：开)。

国际单位制(SI)规定摄氏温标为实用温标，符号用t，单位名称为摄氏度，单位符号为℃。

*压力(p)：压力的大小通常用垂直作用于容器壁单位面积上的力来表示，称为绝对压力(或压强)，通常简称为压力(或压强)。

压力的宏观定义式：p=F/f

国际单位制(Si)规定压力单位的名称为帕斯卡，单位符号为Pa，1Pa=1N/m2.

由于大气压力随地理位置及气候条件等环境因素而变化，绝对压力相同的工质在不同的大气压力条件下测量时，压力表指示的压力值并不相同。这类仪表测得的压力称为相对压力(或表压)。绝对压力才是状态参数。

*比容(v)与密度(ρ)：

单位质量工质所占有的容积称为工质的比容，v=V/m，单位为m3/kg.

单位容积的工质所具有的质量称为工质的密度，即：ρ=m/V，单位为kg/m3.

工质的比容与密度互为倒数。

(2)工质的状态方程 .

系统内外同时建立了热的和力的平衡，保持其宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。由于系统总会受外界影响而偏离平衡状态，因此平衡状态只是一种理想状态，用于对偏离不大的实际状态的简化分析计算。

理想气体是假设气体分子是具有弹性而不占体积的质点，且分子之间没有相互作用力的假想气体模型。常见的空气和燃气一般可看作理想气体，而供热介质水蒸气、制冷剂蒸汽和石油气等必须作为实际气体。

* 反映系统状态参数之间函数关系的公式称为状态方程。对于纯物质简单可压缩系统的状态方程，可以用温度、压力、比容这三个基本状态参数表示为F(p，o，r)=o.

对于理想气体可推导得到其状态方程是 pv=RT

1M411082 工质能量转换的关系和条件

实践证明;能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒定律。把这一定律应用于伴有热现象的能量转换和转移过程，即为热力学第一定律，表明了热能与机械能在传递或转换过程中的能量守恒，据此建立能量方程。

能量方程的一般形式;系统收入能量一支出能量=系统储存能量的增量

(1)系统能量的组成

系统能量分为两大类：一类是系统本身的能量，称为系统储存能;另一类是系统与外界之间相互传递的能量。

系统储存能分为内能和外储存能两部分：

*内能(或称内储存能)是工质内部分子动能与分子位能的总和，用U表示，其单位是焦尔(J)，单位质量工质的内能用u表示，其单位是焦尔/千克(J/kg)。系统内能取决于系统本身(内部)的状态，与工质的分子结构及微观运动形式有关。内能是工质的温度和比容的函数，因此内能也属工质的状态参数。

*外储存能包括工质以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量(称为宏观动能)及系统工质与外力场的相互作用时具有的能量(如重力位能)。

宏观动能：物体以某一速度运动时，其具有的动能为宏观运动动能。

重力位能：在重力场中物体相对于系统外的参考坐标系的高度为重力位能。

*系统的总储存能为内储存能与外储存能之和。对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，系统总储存能就等于内能。

*闭口系统能量方程：与外界不发生物质交换(即没有物质穿过边界)的系统称为闭

口系统，闭口系统的质量保持恒定，其系统能量方程：

系统总储存能的变化=系统内能的变化。

*开口系统能量方程：有物质穿过边界的系统称为开口系统，其能量方程：

进入控制体的能量一控制体输出能量=控制体中储存能量的增量

(2)系统与外界的能量传递

系统与外界传递能量是指系统与外界热力源(热源、功源、质源)或与其他有关物体之间进行的能量传递。系统与外界热进行的能量传递包括：热量、功和物质流能。

*热量：热量学的热量定义是：在温差作用下系统与外界传递的能量称为热量。热量一旦通过界面传人(或传出)系统，就变 成系统(或外界)储存能的一部分，即内能，有时习惯上称为热能。显然，热量与内能(或热能)之间有原则的区别。热量是与过程特性有关的过程量。

*功：在热力学中，功是系统除温差以外的其他不平衡势差所引起的系统与外界之间 传递的能量。功也是与过程特性有关的过程量功可分为：

膨胀功(也称容积功)：热转换为功，工质容积都要膨胀，也就是说都有膨胀功。闭口系统膨胀功通过系统界面传递，而开口系统的膨胀功可通过其他形式(如轴)传递。

轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。通常规定系统输出轴功为正功，输入轴功为负功。轴功可来源于能量的转换，如汽轮机中热能转换为机械能;也可能是机械能的直接传递，如水轮机。

*物质流能：随物质流传递的能量包括流动工质本身具有的能量(内能、宏观动能和重力位能)和流动功(或称推动功)，流动功是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。

*焙的物理意义：对于流动工质，我们把内能和流动功称为焓，焓具有能量意义，它表示流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。焙也是工质的状态参数。如果工质的动能和位能可以忽略，则焓表示随流动工质传递的总能量。

*熵：我们把工质在可逆过程中传递的热量与当时温度之比的总和称为工质的熵的变化，熵用s表示，其单位是J/K，单位质量工质的熵用，表示;其单位是J/ksK.

熵也是工质的状态参数，用工质的熵的变化来表达热力过程特性。

对于可逆的等温过程，工质的熵的变化就等于传递的热量与该温度的比值。

(3)能量的转换条件

凡是涉及到热现象的能量转换过程，都是有一定的方向性和不可逆性，即过程总是朝一个方向进行而不能自发地反向进行，这个方向就是指系统从不平衡状态朝平衡状态进行。 反向过程的进行必须同时伴有另外的补偿过程存在，例如要使热量由低温物体传向高温物体，可以通过制冷机消耗一定的机械功来实现，这里消耗机械功的过程就是补偿过程。

(4)卡诺循环

*卡诺循环是由以下四个过程组成的理想循环，如图1M411082所示。

过程a-b：工质从热源(T1)可逆定温吸热;

b-c：工质可逆绝热(定熵)膨胀;

c-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热;

d-a：工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。工质在整个循环过程中从热源吸热ql，向冷源放热q2，对外界作功w1，外界对系统作功w2，循环净功w0.

*卡诺循环的热效率：

卡诺循环热效率的大小只决定于热源温度T1：及冷源温度T2.要提高其热效率可通过提高T1及降低T2的办法来实现。

卡诺循环热效率总是小于1.只有当T1=∞或T2=0时，热效率才能等于1，但都是不可能的。

单一热源的循环发动机是不可能实现的。

卡诺循环的热效率与工质的性质无关。

*逆卡诺循环：

反方向进行的卡诺循环称为逆卡诺循环，是由工质的定熵降温膨胀过程、可逆定温吸热膨胀过程、定熵升温压缩过程和可逆定温放热压缩过程等四个可逆过程组成。逆卡诺循环的性能系数(致冷系数ε1或供热系数ε12)也只决定于热源温度T1和T2.

逆卡诺循环可用来制冷，也可用来供热。这两个目的可单独实现，也可在同一设备中交替实现，即冬季用来作为热泵采暖，夏季作为制冷机用于空调制冷。

卡诺定理：

卡诺定理指出所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高。在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等。

卡诺循环解决了热机热效率的极限值问题，并从原则上提出了提高热效率的途径。在相同的热源与冷源之间，卡诺循环的热效率为最高，一切其他实际循环，均低于卡诺循环的热效率。一切实际热机进行的都是不可逆循环，改进实际热机循环的方向是以卡诺循环热效率为最高标准，尽可能接近卡诺循环。

机电安装工程中利用能量转换的实例如：汽轮机等动力机械利用工质在机器中膨胀获得机械功;压气机消耗轴功使气体压缩升高其压力;制冷机消耗轴功实现制冷;热泵消耗轴功实现供热。

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