热工学 - 图文

第一章 工质的基本状态参数及测量

1、工质：热力循环中可使热与功相互转换的可压缩流体。

2、工程热力学：阐明和研究能量、能量转换，主要是热能与其他形式的能量间的转换的规律，及其与物质性质之间关系的工程应用学科。工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。 3、热源：向其取热而不改变其自身温度的热库。 冷源：向其放热而不改变其自身温度的热库。 4、温度：表征物体冷热程度的度量。

温标：温度的“标尺” ，是一种人为的规定，或者叫做一种单位制。 华氏温标

国际单位制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℃ 在数值上 T=t-273.15 5、热力学温度又称开尔文温度，或称绝对温度，符号为K。

绝对零度时的温度定义为0K。冰水混合物的温度为摄氏0度，定义为273.15K。

6、压力：垂直作用在单位面积上的力，或流体中单位面积上承受的力。物理学上称之为“压强”。 国际标准计量单位对压力的表示方法为Pa(帕)、KPa(千帕)、MPa（兆帕）。 7、在物理学中，把纬度为45度海平面（即拔海高度为零）上的常年平均大气压力规定为1标准大气压（atm）。此标准大气压为一定值。。

工程大气压：大气压的两种量度单位之一，用at表示，1at=1Kgf/cm2=98.07KPa

8、1标准大气压=1.033工程大气压=760毫米汞柱=1.0133 X 105帕＝10.34米水柱=0.10133MPa 9、严格遵守理想气体状态方程 pV=nRT 的假想气体。分子本身不占有体积,分子之间没有作用力,实际不存在的假想气体。当温度不是很低或很高、压力不是很低或很高，或没有其他特殊条件时，一般气体均可视为理想气体。 克拉珀龙方程：pV=nRT。其中p为压强，V为体积，n为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度（T的单位为开尔文字母为K)，数值为摄氏温度加273.15,如0℃即为273.15K）。

当p，V，n，T的单位分别采用Pa(帕斯卡)，m3(立方米)，mol，K时，R的数值为8.31。该方程严格意义上来说只适用于理想气体，但近似可用于非极端情况（低温或高压）的真实气体（包括常温常压）。 10、比容：单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号\表示。其数值是密度的倒数。

11、工质的热力状态参数之一，表示工质所含的全部热能，等于该工质的内能加上其体积与绝对压力的乘积。即H=U+pV。

第二章 热力学定律

1、热力学第一定律也就是能量守恒定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向他传递的热量与外界对他做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。） 热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用:△U=W+Q时，通常有如下规定：

①外界对系统做功，W>0，即W为正值。

②系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0,即W为负值 ③系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值 ④系统从外界放出热量，Q<0，即Q为负值

⑤系统内能增加，△U>0，即△U为正值

⑥系统内能减少，△U<0，即△U为负值

能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表

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明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能。 热力学第二定律有几种表述方式： 克劳修斯表述

热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物； 开尔文-普朗克表述

不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。

热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。

热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。

热力学第三定律 通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。 或者绝对零度（T=0K）不可达到。

2、内能：内能是物体或若干物体构成的系统（简称系统）内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和。内能常用符号U表示，内能具有能量的量纲，国际单位是焦耳（J）。从微观上说，内能一般主要包括系统内所有分子的动能、分子间的相互作用势能、电子能和核内部粒子间的相互作用能等。前两项又可总称为分子热运动能，就是我们通常所说的“内能”。后面两项在大多物理过程中不变，因此一般只需要考虑前两项。但在涉及电子的激发、电离的物理过程中或发生化学反应时电子能将大幅变化，此时内能中必须考虑电子能的贡献。核内部粒子间的相互作用能仅在发生核反应时才会变化，因此绝大多数情形下，都不需要考虑这一部分的能量。内能的绝对量（主要是其中的核内部能量部分）目前还不完全清楚，但不影响我们解决一般问题，对于内能我们常常关心的是其变化量。

抛开物体内部的结构细节，从宏观上说，内能是一种与系统在绝热条件下做功量相联系的，描述系统本身能量的状态函数。在宏观定义中，内能是一个相对值。

对于一定量物质构成的系统，通过做功、热传递与外界交换能量，引起系统状态变化，而导致内能改变，其间的关系由热力学第一定律给出。

3、等同于单位热量的机械能量。热量以卡为单位时与功的单位之间的数量关系，相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量。英国物理学焦耳首先用实验确定了这种关系，将这种关系表示为1卡（热化学卡）=4.1840焦耳。现行的国际单位制中热与功的单位都是焦耳(J)，则不再有热功当量的意义。

第三章 水蒸气及动力循环装置

一、汽化与凝结 1、汽化

物质由液态转变为气态的过程 2、汽化方式

蒸发：在任何温度下，通过水表面进行的汽化过程。

液态水的温度愈高，蒸发表面积愈大，水面上蒸发的密度愈小，则蒸发速度愈快。 沸腾：在相应的沸点下，通过水表面和内部同时进行的强烈汽化过程 3、蒸发与沸腾的异同

蒸发发生在液体的表面，在任何温度下进行。

沸腾发生在液体的表面与内部发生，必须是在一定的沸点下发生。 相同点:

从微观理论上说，二者都是动能较大的液体分子克服表面张力的作用飞入上面的汽相空间的过程。 4、凝结

物质由气态转变为液态的过程。

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特点： 1）、凝结是气相空间的蒸汽分子碰撞回到液面凝结成液体的过程。 2）、凝结速度的快慢与气相空间蒸汽分子的密度大小相关，即与蒸汽的压力有关，压力愈大，凝结速度愈快。

二、饱和状态 饱和状态

饱和温度和饱和压力：

处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力ps ts上升， ps上升； ps上升， ts上升。

结论：

一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。

三相点：

定义：固、液、气三相共存的状态

分析：1) 当压力低于ptp时，液相不可能存在，而只 可能是气相或固相。 ptp称为三相点压力， 对应的饱和温度ttp称为三相点温度。

2) 三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱 和压力。

3) 各种物质在三相点的温度与压力分别为定值， 但比体积则随固、液、气三相的混合比例不同而异。 水的三相点温度和压力值：

三、显热与潜热 1、显热

吸收或放出热量，温度升高或降低。此时所吸收或放出的热量就是显热。 例如： 20℃ 的水加热变为 100℃ 的水所吸收热量就是显热。 2、潜热

吸收或放出热量，温度不变。此时所吸收或放出的热量就是显热。 例如： 100 ℃ 的水变成 100 ℃ 的水蒸气所吸收的热量就是潜热。

§5-2 水的定压加热产生过程

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一、水蒸气定压发生过程图

工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程。在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化。

预热阶段

1、在开始加热时，容器内的液体温度往往低于该压力相对应的饱和温度。这种状态称为未饱和液体或过冷液体。 2、该压力所对应的饱和温度ts与液体温度t之差成为过冷度。

3、对未饱和液体定压加热，液体温度逐渐升高，液体的比容稍有增大，直至液体温度被加热至该压力所对应的饱和温度ts的瞬间为止，这就是液体的预热阶段。

预热阶段 状态及状态参数

这个阶段所需的热量称为液体热 ql。 液体汽化阶段

对饱和液体继续加热，液体就会定温汽化，形成饱和液体和饱和蒸汽的混合物—湿饱和蒸汽，或称湿蒸汽。 在液体汽化阶段，温度一直保持不变。温度都是ts。 汽化阶段

这个阶段所需的热量称为汽化潜热 ? 干度x：

湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。

蒸汽过热阶段

对干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度就会升高，比容增加，这就是蒸汽定压过热阶段。 过热蒸汽温度t与同压力下饱和温度ts之差称为蒸汽的过热度。 过热阶段

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