第2章 热能转换的基本概念.ppt

* 第二章　热能转换的基本概念 研究热能和机械能之间的转换，依据热力学第一和第二定律，前者揭示了在能量传递和转换过程中能量数量的守恒关系，后者阐明了能量不但有“数量”的多少问题，而且有品质的高低问题。热能和机械能相互转换所涉及的基本概念和术语是学习本课程的基础。 一、热力系、状态及状态参数 （一）热力系与工质 　　 1.热力系 （1）闭口系 人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系。热力系以外的物体称为外界。热力系与外界的交界处称为边界。热力系的划分可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是运动的。例如气缸活塞机构和汽轮机。 与外界无物质交换的系统，属于控制质量系统。 （2）开口系 与外界有物质交换的系统，常称为控制容积系统。 （3）简单可压缩系 　 热力系由可压缩流体构成，与外界只有热量和可逆体积变化功的交换。热能转换所涉及的系统大多属于简单可压缩系统。 （4）绝热系 　　与外界无热量交换的系统。 （5）孤立系 　　与外界无任何能量和物质交换的热力系。 （6）热源 　 与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度变化的热力系统。根据热源温度的高低和作用，又可分为热源和冷源。 2．工质 　　用来实现能量相互转换的媒介物质。它是实现能量转换必不可少的内部条件。热力学研究的热能和机械能的相互转换是通过物质体积变化来实现的，对体积变化敏感、有效而迅速的是气（汽）态物质。因此，热力学中的工质是气（汽）态物质以及涉及气态物质相变的液体。 　 （二）平衡状态 　 热力状态 指热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。 　 平衡状态 指在没有外界影响（重力场除外）的条件下，热力系的宏观性质不随时间变化的状态。 处于平衡状态的热力系，如果不考虑重力场的影响，各处应具有均匀一致的温度、压力等参数，从而可以用确定的物理量来描述，而处于非平衡状态的热力系其参数是不确定的。如各物体之间有温差存在而发生接触时，必然有热自发地从高温物体传向低温物体，这时系统不会维持状态不变，而是不断产生状态变化直至温差消失而达到平衡，这种平衡称为热平衡。可见，温差是驱动热传递的不平衡势差，而温差的消失则是系统建立热平衡的充要条件。 （三）基本状态参数 强度量参数 与系统内所含工质的数量无关的状态参数。 广延量参数 与系统内所含工质的数量有关的状态参数。 。 描述系统状态的宏观物理量称为状态参数，由于系统由工质组成，所以说也就是工质的状态参数。 常用状态参数有六个：压力（p）、温度（T）、比体积（v）、热力学能（U）、焓（H）、熵（S），前三个可以直接或容易用仪器测定，称为基本状态参数。其他状态参数可依据基本状态参数间接导出。 单位质量的广延量参数，具有强度量参数的性质，称为比参数。用相应的小写字母来表示。 当系统由初态1变化到终态2时，任一状态参数的变化量均等于初、终态下该状态参数的差值，而与经历的路径无关，即　　 因此状态参数具有点函数的性质，它的全微分是恰当微分。反之，如果某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数。 １．比体积 单位质量的工质所占的体积。单位 ２．压力 　 单位面积上承受的垂直作用力。单位 　　流体的压力常用压力表或真空表来测量，工质的真实压力称为绝对压力，以ｐ表示。 如以　 表示大气压力，则 当　　　 时，测压计称为真空计，真空计上的读数称为　 真空度，于是 当　　　 时，测压计称为压力表，压力表上的读数　 为表压力，于是 在后面的分析与计算中，所要用的压力均为绝对压力。 3．温度 　 热力学第零定律：处于热平衡的两个物体，如果分别和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之间必然处于热平衡。温度是决定系统间是否存在热平衡的物理量。 　 由于处于热平衡的系统具有相同的温度，所以可以选择一个称为温度计的参考系统，当温度计与被测物体达到平衡时，温度计的温度即等于被测物体的温度。 是物体冷热程度的标志。 温度的数值表示称为温标。 　 摄氏温标规定以标准大气压下纯水的冰点温度和沸点温度为基准点。 　　热力学温标选用水的汽、液、固三相平衡共存的状态点——三相点为基准点，并规定它的温度为 ２７３．１６Ｋ　　　　 （四）状态方程式 　 热力系的各状态参数分别从不同角度描述系统的某一宏观特性，这些参数并不都是独立的。状态公理指出，对于简单可压缩系，只要给定两个相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。 　 状态方程式： 　　　　　，具体形式取决于工质的性质。 　　对于只有两个独立参数的热力系，可以任选两个参数组成二维平面坐标图