1、第一章第一章 基本概念基本概念系統系統1、熱機、熱機能源轉換利用的關系能源轉換利用的關系熱熱 能能電電 能能機機 械械 能能風風能能水水能能化化學學能能核核能能地地熱熱能能太太陽陽能能光電轉換光電轉換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變燃燒燃燒水車水車水輪機水輪機風車風車熱機熱機電動機電動機發電機發電機90%轉轉換換 熱熱 機機 種種 類類 發電（火力、核能）發電（火力、核能） 40% 車輛發動機（內燃機）車輛發動機（內燃機） 2535% 輪船發動機輪船發動機 2535% 航空發動機航空發動機 2030%能量利用率能量利用率火電廠系統圖火電廠系統圖火力發電裝置火力發電裝置鍋鍋爐爐汽輪機汽輪

2、機 發電機發電機 給水泵給水泵 凝凝汽汽器器過熱器過熱器 基本特點：基本特點：1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質工質（水，蒸汽）（水，蒸汽）3、膨脹做功膨脹做功4、循環循環 ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )航空發動機（燃氣循環）航空發動機（燃氣循環）活塞活塞燃氣發電裝置燃氣發電裝置活塞活塞燃氣裝置燃氣裝置基本特點：基本特點：1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質（燃氣）工質（燃氣） 3、膨脹做功膨脹做功4、循環循環 ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )壓壓氣氣機機燃燃氣氣輪輪機機燃燒室燃燒室空空氣氣廢廢氣氣單缸汽油發動機構造（內燃機）單缸汽油

3、發動機構造（內燃機） 圖6-15 單缸汽油機構造示意圖-火花塞 2-氣缸蓋 3-出水口 4-氣缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞銷 9-進水口 10-連桿 11-飛輪 12-曲軸 13-機油管 14-曲軸箱 15-機油泵 16-曲軸正時齒輪 17-凸輪正時齒輪 18-凸輪軸 19-排氣管20-進氣管 21-進氣門 22排氣門 23-化油器內燃機內燃機裝置裝置空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣點火點火膨脹膨脹排氣排氣內燃機內燃機裝置裝置基本特點：基本特點：1、熱源，冷源、熱源，冷源2、工質（燃氣）、工質（燃氣）3、膨脹做功、膨脹做功4、循環、循環 (加壓、加熱、加壓、加熱、 膨脹做功、放熱

4、膨脹做功、放熱)制冷空調制冷空調裝置裝置基本特點：基本特點：1、熱源，冷源、熱源，冷源2、工質（制冷劑）、工質（制冷劑）3、得到容積變化功、得到容積變化功4、循環、循環 (加壓、放熱、加壓、放熱、 膨脹、吸熱膨脹、吸熱)動力動力裝置裝置共同基本特點：共同基本特點： 1、熱源，冷源熱源，冷源 2、工質工質 3、容積變化功容積變化功 4、循環循環 1-1 1-1 熱力系統熱力系統熱力系統熱力系統(熱力系、系統熱力系、系統)：人為選取：人為選取的研究對象的研究對象外界外界：系統以外的所有物質：系統以外的所有物質2、系統與邊界、系統與邊界邊界邊界(界面界面)：系統與外界的分界面：系統與外界的分界面系統

5、系統與與外界外界的作用都通過的作用都通過邊界邊界熱力系統選取的人為性熱力系統選取的人為性鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發電機發電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器只交換功只交換功只交換熱只交換熱既交換功既交換功也交換熱也交換熱邊界特性邊界特性真實、虛構真實、虛構固定、活動固定、活動熱力系統分類熱力系統分類以系統與外界關系劃分：以系統與外界關系劃分： 有有 無無是否傳質是否傳質 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質是否傳熱、功、質 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 開口系開口系系統系統非

6、孤立系相關外界非孤立系相關外界孤立系孤立系1+2 閉口系閉口系1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系孤立系熱力系統其它分類方式熱力系統其它分類方式 其它分類方式其它分類方式 物理化學性質物理化學性質 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系工質種類工質種類多元系多元系單元系單元系相態相態多相多相單相單相簡單可壓縮系統簡單可壓縮系統最重要的最重要的系統系統 簡單可壓縮系統簡單可壓縮系統只交換只交換熱量熱量和和一種一種準靜態的準靜態的容積變化功容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹功膨脹功1-2 狀態和狀態參數狀態和狀態參數狀態：狀態：某一瞬間工質所呈現的宏觀狀況某一瞬間工質所呈現的

7、宏觀狀況狀態參數：狀態參數：描述工質描述工質平衡狀態平衡狀態的物理量的物理量狀態參數的狀態參數的特征特征：1、狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然、狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然2、狀態參數的積分特征狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量：狀態參數的變化量 與路徑無關，只與初終態有關與路徑無關，只與初終態有關3、狀態參數的微分特征狀態參數的微分特征：全微分：全微分強度參數與廣延參數強度參數與廣延參數強度參數：強度參數：與物質的量無關的參數與物質的量無關的參數 如如壓力壓力 p、溫度溫度T廣延參數：廣延參數：與物質的量有關的參數與物質的量有關的參數可加性可加性 如如 質量質量m、容積容積 V

8、、熱力學能熱力學能 U、焓焓 H、熵熵S比參數：比參數：比比體積體積VvmUum比比熱力學能熱力學能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵單位：單位：/kg /kmol 具有強度量的性質具有強度量的性質1-3 基本狀態參數基本狀態參數壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比體積、比體積 v （容易測量）（容易測量）1 1、壓力壓力 p 物理中物理中壓強壓強，單位單位: Pa , N/m2常用單位：常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.8066

9、5 104 Pa 1 psi=0.006895MPa壓力壓力p測量測量一般是一般是工質工質絕對壓力絕對壓力與與環境壓力環境壓力的的相對值相對值 相對壓力相對壓力注意：注意：只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才才是是狀態參數狀態參數絕對壓力與相對壓力絕對壓力與相對壓力當當 p pb表壓力表壓力 peebppp當當 p 有足夠時間恢復新平衡有足夠時間恢復新平衡 準靜態過程準靜態過程準靜態過程的工程應用準靜態過程的工程應用例：例：活塞式內燃機活塞式內燃機 2000轉轉/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉，轉，0.15米米/沖程沖程活塞運動速度活塞運動速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復

10、平衡速度（聲速）壓力波恢復平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復平衡所需時間恢復平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是一般的工程過程都可認為是準靜態過程準靜態過程具體工程問題具體分析。具體工程問題具體分析。“突然突然”“”“緩慢緩慢”準靜態過程的容積變化功準靜態過程的容積變化功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可視為可視為準靜態過程準靜態過程dl以汽缸中以汽缸中mkg工質為系統工質為系統mkg工質發生容積變工質發生容積變化對外界作的功化對外界作的功 W = p A

11、dl =pdV1kg工質工質 w =pdvdl 很小很小，近似認為近似認為 p 不變不變準靜態過程的容積變化功準靜態過程的容積變化功pp外外2mkg工質：工質： W =pdV1kg工質：工質： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意： 上式僅適用于上式僅適用于準靜態過程準靜態過程示功圖示功圖pV. .12. .pp外外21mkg工質：工質： W =pdV21WpdV1kg工質：工質： w =pdv21wpdvW準靜態容積變化功的說明準靜態容積變化功的說明pV. .12. .2） p-V 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的功的大小與路徑有關大小與路徑有關， 功是功是過程量過程量4）統

12、一規定：統一規定：dV0，膨脹，膨脹 對外作功（對外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 外內作功（外內作功（負負）5）適于適于準靜態下準靜態下的的任何任何工質（一般為流體）工質（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統內部參數外力無限制，功的表達式只是系統內部參數7）有無有無f，只影響系統功與外界功的大小差別，只影響系統功與外界功的大小差別1）單位為單位為 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦損失的影響摩擦損失的影響若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統對外作功系統對外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界將得到的功若外界將得到的功W 再返還給系統，系再返還給系統，

13、系統得到的功統得到的功W T2Q自由膨脹自由膨脹真空真空典型的不可逆過程典型的不可逆過程節流過程節流過程 ( (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準靜態過程是實際過程的準靜態過程是實際過程的理想化理想化過程，過程， 但并非但并非最優最優過程，可逆過程是過程，可逆過程是最優最優過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過程的功與熱完全完全可用可用系統內系統內工質工質 的的狀態參數狀態參數表達，可不考慮系統與外界表達，可不考慮系統與外界 的復雜關系，易分析。的復雜關系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按便

14、，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，）處理， 用系統參數加以分析，然后考慮不可逆用系統參數加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。完全可逆、內可逆與外可逆完全可逆、內可逆與外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 內部可逆，外部不可逆內部可逆，外部不可逆 外部可逆，內部不可逆外部可逆，內部不可逆 常見常見90 0 例：例：內可逆內可逆外不可逆外不可逆1-7 功功 量量1 1、力學力學定義定義: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、熱力學熱力學定義定義(外文參考書外文參考書） a a、當熱力系與外界發生能量傳遞當熱力系與外界發生能量傳遞時，如果對外界的時，如果對外界

15、的唯一效果可歸結為唯一效果可歸結為取起重物取起重物，此即為熱力系對外作功。，此即為熱力系對外作功。 b b、功是系統與外界相互作用的一功是系統與外界相互作用的一種方式，在種方式，在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運運動方式傳遞的能量動方式傳遞的能量。例：火力發電裝置例：火力發電裝置鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發電機發電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器功的表達式功的表達式功功的一般表達式的一般表達式dwF xdwF x熱力學最常見的功熱力學最常見的功 容積變化功容積變化功 dwp vdwp v其他準靜態功：其他準靜態功：拉伸功拉伸功，表面張力功表面張力功，電功電功等等1-8 熱熱 量量 與

16、與 熵熵1 1、熱量熱量定義：定義： 熱力系通過邊界與外界的交換的熱力系通過邊界與外界的交換的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不確切）（不確切）。 另一定義：另一定義：熱量熱量是熱力系與外界相是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在互作用的另一種方式，在溫度溫度的推動下，的推動下，以微觀以微觀無序無序運動方式傳遞的運動方式傳遞的能量能量。熱熱 量量 如如 何何 表表 達達 ？熱量是否可以用類似于功的式子熱量是否可以用類似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”熱量與容積變化功熱量與容積變化功能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量性質性質 過程量過程量 過程量過程量推動

17、力推動力 壓力壓力 p 溫度溫度 T標志標志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq條件條件 準靜態或可逆準靜態或可逆 可逆可逆熵（熵（ Entropy）的定義的定義revQdSTreversible熵的簡單引入熵的簡單引入revqdsT比參數比參數 kJ/kg.Kds: 可逆過程可逆過程 qrev除以傳熱時的除以傳熱時的T所得的所得的商商 廣延量廣延量 kJ/K熵的說明熵的說明1 1、熵熵是是狀態參數狀態參數 3、熵熵的物理意義：的物理意義：熵熵體現了體現了可逆過程可逆過程 傳熱的傳熱的大小大小與與方向方向2、正負號正負號規定規定系統系統吸熱吸熱時時為為正正 Q 0 dS 0系統系統放熱放熱時時為為負負 Q 0 dS pBAB非準靜態過程，非可逆過程非準靜態過程，非可逆過程取取A或或B中