华科 工程测试技术01 基本概念.pdf

第1 章 基本概念 任何一门学科的建立，都离不开构成其奠基石的基本概念、定义和术语。重视基本概 念和专门术语，正确理解它们的含义，并在随后的课程中，学习如何熟练地利用它们来分析 问题，对学习工程热力学而言十分有必要。本章将对热力系统、热力学状态参数、热力学平 衡、热力过程和热力循环等热能转换所涉及的基本概念和术语进行简要阐述，在以后的章节 中我们还将对这些概念和定义逐步扩展、深化。学完本章后要求： （1）掌握研究热能转换所涉及的基本概念和术语； （2 ）掌握状态参数的特征，基本状态参数p 、v、T 的定义和单位等； （3 ）掌握热力学平衡态和可逆过程的准确含义； （4 ）掌握热力循环的分类与不同热力循环的热力学指标。 1.1 热力系统与工质 1.1.1 热力系统 分析任何问题和现象，首先明确研究对象，分析热力现象时也不例外。根据研究问题的 需要，人为地将研究对象从周围物体中分割出来，这种人为划定的一定范围内的研究对象称 为热力学系统，简称作热力系或系统。例如，一块金属或发动机气缸内的气体，是简单热力 系的例子；而一台发动机、一套制冷装置、或是许多热力设备组成的一个发电厂，则是复杂 热力系的例子。热力学基本定律都是针对一定的系统而言的，因此，定义热力学系统是分析 热力学问题的最基本工作之一。一般来说，热力学系统分为控制质量和控制容积两类。 控制质量是指所定义的热力系统为特定的某一部分物质，亦称闭口系统，或简称闭口系、 闭系。控制质量的特点是：在整个分析过程中，没有物质流穿越系统的边界，即系统内部不 与外界之间进行物质交换。例如，分析内燃机气缸中燃气的膨胀作功过程时，如果选取其中 的燃气作为研究对象，则该系统即为控制质量，如图1-1(a)所示。 (a ） (b) 图1-1 热力系统 10 控制容积指所定义的系统为某一特定的空间范围，亦称开口系统，或简称开口系、开系。 控制容积的特点是：分析研究问题时针对的是某一特定的空间范围，分析研究过程中，凡是 出现在该空间范围内的一切都是研究的对象。这种系统允许与外界有物质交换。“开”是指系 统的边界允许物质流穿越，系统对外界物质是开放的。例如，分析汽轮机装置的工作时，由 于在汽轮机的整个工作过程中，不断地有蒸汽流入和流出，因而通常并不针对某一部分特定 的蒸汽来进行研究，而是选取汽轮机的内部空间区域作为研究对象。这时汽轮机的内部空间 就是控制容积，亦称控制体，如图1-1(b)所示。 在分析热力学问题时，需要理解下面几条一般性质： （1）热力系统都以一定的边界面与其他的物质体系分隔开来。系统的边界面可以是的 真实的，或者是假想的，既可以是静止的，也可以是运动的。边界面的尺寸和形状也可以发 生变化。通常热力系统的边界面算作外界，而不属于系统本身。热力系统与外界之间进行的 物质交换、能量交换和功量交换都是通过边界进行。 （2 ）常常根据热力系统所经历的热力过程的特点，或者根据系统与外界之间的关系进 行命名，如“绝热系统”、“孤立系统”、“定温定容系统”、“稳态稳流系统”等等。 （3 ）热力系统本身可能会相对某一参考系作宏观运动，在这种情况下，计算系统的能 量时需要包括其宏观运动的动能和重力位能；系统的形状或容积发生变化时，边界可能会在 压力的作用下发生移动，此时系统与外界之间会有容积变化功的相互作用。所谓“刚体容器” 是指在外力作用下不会变形的容器。 1.1.2 外界 所选取的热力学系统以外的所有客观存在即为外界。在热力学中有两种常见的特殊外 界：环境和热源。环境是指在与热力系统发生相互作用的过程中，其本身的压力、温度以及 化学组成等特性都保持不变的庞大而静止的外界物系。地壳、大气、海洋等均可抽象地看作 环境。热源是指在热力过程中与热力系统发生热量交换的外界物体。 热力学中讨论问题时泛称的“热源”，通常指的是恒温热源，亦称“热库”或“热汇” 。前者 是指向工质供热的外界物系，而后者是指自工质吸热的外界物系。当热源由质量和热容量都 有限的物系构成时，其自身温度可能发生变化，这一类热源属于变温热源。