1M411080 了解工程熱力學的基礎知識

1M411081，熱力過程中工質的基本狀態參數

工程熱力學是從工程的觀點出發，研究物質的熱力性質、能量轉換和熱能的直接利用等問題，是設計和分析各種動力裝置、制冷機組、熱泵空調機組、鍋爐和各種熱交換器的理論基礎。

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

(1)工質的基本狀態參數

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

*溫度(T)：描述平衡熱力系統冷熱狀況的物理量，

溫度的數值標尺簡稱溫標，對各種溫標都要規定其基本定點和每度的數值。

國際單位制(SI)規定熱力學溫標符號用T，單位代號為K(中文：開)。

國際單位制(SI)規定攝氏溫標為實用溫標，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)，通常簡稱為壓力(或壓強)。

壓力的宏觀定義式：p=F/f

國際單位制(Si)規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境因素而變化，絕對壓力相同的工質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)。絕對壓力才是狀態參數。

*比容(v)與密度(ρ)：

單位質量工質所占有的容積稱為工質的比容，v=V/m，單位為m3/kg.

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

工質的比容與密度互為倒數。

(2)工質的狀態方程 .

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

理想氣體是假設氣體分子是具有彈性而不占體積的質點，且分子之間沒有相互作用力的假想氣體模型。常見的空氣和燃氣一般可看作理想氣體，而供熱介質水蒸氣、制冷劑蒸汽和石油氣等必須作為實際氣體。

* 反映系統狀態參數之間函數關系的公式稱為狀態方程。對于純物質簡單可壓縮系統的狀態方程，可以用溫度、壓力、比容這三個基本狀態參數表示為F(p，o，r)=o.

對于理想氣體可推導得到其狀態方程是 pv=RT

1M411082 工質能量轉換的關系和條件

實踐證明;能量既不能被創造，也不能被消滅，它只能從一種形式轉換成另一種形式，或從一個系統轉移到另一個系統，而其總量保持恒定，這一自然界普遍規律稱為能量守恒定律。把這一定律應用于伴有熱現象的能量轉換和轉移過程，即為熱力學第一定律，表明了熱能與機械能在傳遞或轉換過程中的能量守恒，據此建立能量方程。

能量方程的一般形式;系統收入能量一支出能量=系統儲存能量的增量

(1)系統能量的組成

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

系統儲存能分為內能和外儲存能兩部分：

*內能(或稱內儲存能)是工質內部分子動能與分子位能的總和，用U表示，其單位是焦爾(J)，單位質量工質的內能用u表示，其單位是焦爾/千克(J/kg)。系統內能取決于系統本身(內部)的狀態，與工質的分子結構及微觀運動形式有關。內能是工質的溫度和比容的函數，因此內能也屬工質的狀態參數。

*外儲存能包括工質以外界為參考坐標的系統宏觀運動所具有的能量(稱為宏觀動能)及系統工質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外的參考坐標系的高度為重力位能。

*系統的總儲存能為內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，系統總儲存能就等于內能。

*閉口系統能量方程：與外界不發生物質交換(即沒有物質穿過邊界)的系統稱為閉

口系統，閉口系統的質量保持恒定，其系統能量方程：

系統總儲存能的變化=系統內能的變化。

*開口系統能量方程：有物質穿過邊界的系統稱為開口系統，其能量方程：

進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)系統與外界的能量傳遞

系統與外界傳遞能量是指系統與外界熱力源(熱源、功源、質源)或與其他有關物體之間進行的能量傳遞。系統與外界熱進行的能量傳遞包括：熱量、功和物質流能。

*熱量：熱量學的熱量定義是：在溫差作用下系統與外界傳遞的能量稱為熱量。熱量一旦通過界面傳人(或傳出)系統，就變 成系統(或外界)儲存能的一部分，即內能，有時習慣上稱為熱能。顯然，熱量與內能(或熱能)之間有原則的區別。熱量是與過程特性有關的過程量。

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

膨脹功(也稱容積功)：熱轉換為功，工質容積都要膨脹，也就是說都有膨脹功。閉口系統膨脹功通過系統界面傳遞，而開口系統的膨脹功可通過其他形式(如軸)傳遞。

軸功：系統通過機械軸與外界傳遞的機械功稱為軸功。通常規定系統輸出軸功為正功，輸入軸功為負功。軸功可來源于能量的轉換，如汽輪機中熱能轉換為機械能;也可能是機械能的直接傳遞，如水輪機。

*物質流能：隨物質流傳遞的能量包括流動工質本身具有的能量(內能、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，我們把內能和流動功稱為焓，焓具有能量意義，它表示流動工質向流動前方傳遞的總能量中取決于熱力狀態的那部分能量。焙也是工質的狀態參數。如果工質的動能和位能可以忽略，則焓表示隨流動工質傳遞的總能量。

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

熵也是工質的狀態參數，用工質的熵的變化來表達熱力過程特性。

對于可逆的等溫過程，工質的熵的變化就等于傳遞的熱量與該溫度的比值。

(3)能量的轉換條件

凡是涉及到熱現象的能量轉換過程，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行而不能自發地反向進行，這個方向就是指系統從不平衡狀態朝平衡狀態進行。 反向過程的進行必須同時伴有另外的補償過程存在，例如要使熱量由低溫物體傳向高溫物體，可以通過制冷機消耗一定的機械功來實現，這里消耗機械功的過程就是補償過程。

(4)卡諾循環

*卡諾循環是由以下四個過程組成的理想循環，如圖1M411082所示。

過程a-b：工質從熱源(T1)可逆定溫吸熱;

b-c：工質可逆絕熱(定熵)膨脹;

c-d：工質向冷源(T2)可逆定溫放熱;

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

*卡諾循環的熱效率：

卡諾循環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。

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

單一熱源的循環發動機是不可能實現的。

卡諾循環的熱效率與工質的性質無關。

*逆卡諾循環：

反方向進行的卡諾循環稱為逆卡諾循環，是由工質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。逆卡諾循環的性能系數(致冷系數ε1或供熱系數ε12)也只決定于熱源溫度T1和T2.

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

卡諾定理：

卡諾定理指出所有工作于同溫熱源與同溫冷源之間的一切熱機，以可逆熱機的熱效率為最高。在同溫熱源與同溫冷源之間的一切可逆熱機，其熱效率均相等。

卡諾循環解決了熱機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，卡諾循環的熱效率為最高，一切其他實際循環，均低于卡諾循環的熱效率。一切實際熱機進行的都是不可逆循環，改進實際熱機循環的方向是以卡諾循環熱效率為最高標準，盡可能接近卡諾循環。

機電安裝工程中利用能量轉換的實例如：汽輪機等動力機械利用工質在機器中膨脹獲得機械功;壓氣機消耗軸功使氣體壓縮升高其壓力;制冷機消耗軸功實現制冷;熱泵消耗軸功實現供熱。

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（責任編輯：中大編輯）

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