吉大工程熱力學(xué)講義VIP

0-1熱能動(dòng)力工程的重要地位人類社會(huì)的發(fā)展是和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)的，而社會(huì)生產(chǎn)力的一個(gè)重要組成部分就是為生產(chǎn)過程提供原動(dòng)力的動(dòng)力工程。動(dòng)力工程不僅應(yīng)該提供數(shù)量上足夠的原動(dòng)力，而且所提供的原動(dòng)力裝置應(yīng)該功率大、重量輕、體積小。只有當(dāng)原動(dòng)力工程能充分滿足生產(chǎn)需要時(shí)，社會(huì)生產(chǎn)才能得到迅速的發(fā)展，從而推動(dòng)熱能動(dòng)力工程是利用熱能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能而獲得生產(chǎn)所需原動(dòng)力的。它最初出現(xiàn)于18世紀(jì)，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)規(guī)模已日趨擴(kuò)大，所用機(jī)械也日益增多，而所用的原動(dòng)力還停留在人力、畜力等原始水平，嚴(yán)重地阻礙了生產(chǎn)的發(fā)展。在生產(chǎn)發(fā)展的強(qiáng)烈推動(dòng)下，1784年瓦特制成了一種通用的蒸汽機(jī)，為生產(chǎn)提供了一種強(qiáng)有力的動(dòng)力裝置，開始了熱能動(dòng)力工程的新紀(jì)元。蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了生產(chǎn)飛速發(fā)展，從而掀起了歷史上著名的“工業(yè)革命”，徹底改變了原來自然經(jīng)濟(jì)的小生產(chǎn)方式，奠定了工業(yè)化生產(chǎn)的牢固的在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中，熱能動(dòng)力工程的地位是極為重要的。今天，工農(nóng)業(yè)各部門及人民生活所消耗的電力絕大部分是由熱能動(dòng)力的發(fā)電廠所生產(chǎn)的電能提供的；各生產(chǎn)部門中直接用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的原動(dòng)機(jī)幾乎全部是汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱能動(dòng)力裝置；在人類征服宇宙空間的偉大斗爭中，也正是熱能動(dòng)力家族中的一員——強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)建立了功勛?？傊?，對(duì)于現(xiàn)代的社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動(dòng)力工程起著十分重要的保證作隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動(dòng)力工程本身也在進(jìn)步，特別是面對(duì)未來生產(chǎn)發(fā)展對(duì)原動(dòng)力需要迅速增加的趨勢(shì)，熱能動(dòng)力工程正在積極地向采用原子能和太陽能等新能源的方向努力前進(jìn)。從20世紀(jì)50年代起，人們就開始研究利用原子核反應(yīng)產(chǎn)生的巨大熱能作為熱能動(dòng)力裝置的能源，并且已經(jīng)取得了很大的成就?，F(xiàn)在，利用濃縮的鈾235發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量為能源的核電廠，已經(jīng)在許多地方建立起來和正式發(fā)電。我國已經(jīng)掌握了設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行核電廠的技術(shù)。由于熱核反應(yīng)可產(chǎn)生更巨大的能量，特別是熱核反應(yīng)物質(zhì)氘的儲(chǔ)量極大，可在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)為熱能動(dòng)力工程提供穩(wěn)定的能源，因此人們特別重視熱核反在地球表面上，按太陽光垂直照射的面積計(jì)算，在每平方米面積上太陽能提供的功率可達(dá)數(shù)百瓦至一千瓦左右。太陽能幾乎是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)枯竭的能源，而且太陽能到處可取又無任何污染。因此，長期以來人們對(duì)太陽能利用進(jìn)行了許多研究工作，現(xiàn)在已經(jīng)建立了幾個(gè)以太陽能為能源的試驗(yàn)性熱能動(dòng)力裝置。可以預(yù)見，隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動(dòng)力工程必將不斷趨于完善并在新的0-2能量轉(zhuǎn)換裝置工作過程簡單介紹本節(jié)將簡單介紹蒸汽動(dòng)力裝置、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)汽壓縮制冷裝置的工作過程，以便后面各章討論這些裝置中能量蒸汽動(dòng)力裝置是最早得到應(yīng)用的一種熱能動(dòng)力裝置。由于它可以燃用固體燃料，甚至燃用廉價(jià)的劣質(zhì)燃料，又可以制成功率很大的機(jī)組(例如：其鍋爐每小時(shí)可生產(chǎn)數(shù)百噸甚至上千噸的高溫高壓水蒸氣，其汽輪機(jī)的單機(jī)功率可達(dá)數(shù)十千瓦甚至上千兆瓦)，因此蒸汽動(dòng)力裝置現(xiàn)在仍然是一種極重要的動(dòng)力設(shè)備，特別是在大型固定式動(dòng)力設(shè)備方面。它主要用作熱力發(fā)電廠的動(dòng)力圖0-1為簡單蒸汽動(dòng)力裝置的示意圖。它由鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器及給水泵四部分組成。水蒸氣是蒸汽動(dòng)力裝置的工作物質(zhì)，稱為工質(zhì)。鍋爐是水蒸氣的發(fā)生器。鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓的過熱蒸汽首先送入蒸汽輪機(jī)作功。在汽輪機(jī)中(如圖0-2所示)，使汽輪機(jī)輸出機(jī)械功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從汽輪機(jī)排出的乏汽被其體積驟降為原體積的萬分之一左右，因而在冷凝器中及汽輪機(jī)脹，從而能推動(dòng)渦輪作出更多的機(jī)械功。從冷凝器出來的冷凝水經(jīng)給水泵加壓后重新送回鍋爐，受熱產(chǎn)生蒸汽。在鍋爐中，供燃料燃燒用的空氣從大氣吸入后，先在鍋爐的空氣預(yù)熱器中受熱提高溫度，然后送入爐膛和燃料混合并進(jìn)行燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫的煙氣。及水冷壁等蒸發(fā)受熱面，受熱汽化而產(chǎn)生水蒸氣，再進(jìn)一步在過熱器中繼續(xù)受熱升高溫度成為過熱水蒸氣。于是，過熱水蒸氣又輕、體積小、使用方便、熱效率高，因而得到廣泛的應(yīng)用，特別是在交通運(yùn)輸工具和移動(dòng)式中小型機(jī)械上都應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備?，F(xiàn)代用于船舶、機(jī)車及發(fā)電的大型內(nèi)燃機(jī)的單機(jī)功率已達(dá)圖0-3為柴油機(jī)的示意圖。其工作過程分為吸氣、壓縮、燃燒、膨脹及排氣幾個(gè)階段。吸氣開始時(shí)進(jìn)氣閥打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)把空氣吸入氣缸?；钊竭_(dá)下死點(diǎn)，即活塞位移的最低點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，吸氣過程結(jié)束。然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，活塞向上運(yùn)動(dòng)壓縮氣缸內(nèi)的空氣，而使空氣的壓力和溫度不斷增高。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到接近上死點(diǎn)，即活塞位移最高點(diǎn)時(shí)，噴油嘴適時(shí)地把適量柴油噴入氣缸。由于這時(shí)氣缸中的溫度已超過柴油的自燃溫度，因而當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，柴油正好開始猛烈燃燒。燃燒過程進(jìn)行得很快，當(dāng)活塞稍微離開上死點(diǎn)時(shí)，燃燒過程已結(jié)束。接著燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獍l(fā)生膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)并輸出機(jī)械功。活塞到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)排氣閥打開。因氣缸內(nèi)氣體的溫度和壓力還比較高，故當(dāng)排氣閥打開時(shí)立即有一部分氣體沖出氣缸排入大氣，使氣缸壓力降至大氣壓力。接著，在活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸內(nèi)剩余的氣體被活塞排出氣缸至大氣中，直到活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)排氣完畢。當(dāng)活塞再一次自上死點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)又重新吸汽油機(jī)的工作過程基本上和柴油機(jī)差不多。對(duì)汽化器式或進(jìn)氣道燃油噴射式汽油機(jī)，汽油預(yù)先在化油器內(nèi)或進(jìn)氣道內(nèi)霧化并和空氣混合成可燃?xì)怏w，在吸氣過程中一起被吸入氣缸。在壓縮終了活塞接近上死點(diǎn)時(shí)，混合氣體的溫度仍低于其自燃溫度，必須用電火花點(diǎn)燃后才開始燃燒過程。其他過程則和上述柴油機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)裝置是20世紀(jì)40年代后才得到迅速發(fā)展的熱能動(dòng)力裝置。由于它是輪機(jī)式機(jī)械，具有轉(zhuǎn)速高及工質(zhì)流量大的優(yōu)點(diǎn)，因此燃?xì)廨啓C(jī)裝置每單位功率的機(jī)體重量及體積都比內(nèi)燃機(jī)正是這些因素使得它首先在航空上得到應(yīng)用，燃?xì)廨啓C(jī)裝置和噴氣技術(shù)相結(jié)合而成的航空用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的型式。此外，燃?xì)廨啓C(jī)也常用作艦船動(dòng)力設(shè)備及發(fā)電裝圖0-4為燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它由壓氣機(jī)、燃燒室及渦輪機(jī)三部分組成。它由大氣吸入空氣后，在軸流式或離心式壓氣機(jī)中對(duì)空氣進(jìn)行增壓，提高空氣的壓力及溫度。經(jīng)增壓后的空氣送至燃燒室，一部分空氣供噴入燃燒室的燃料進(jìn)行燃燒用，另一部分空氣則用于和燃燒生成的高溫燃?xì)饣旌?，以降低燃?xì)獾臏囟龋惯M(jìn)入渦輪機(jī)的燃?xì)鉁囟群蜏u輪葉片允許的最高溫度相適合。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)入渦輪機(jī)后，先在噴管中提高過渦輪的葉片，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出機(jī)械功，其工作過程與汽輪制冷就是以消耗機(jī)械功或其它能量為代價(jià)，使物體獲得低于廣泛。由于制冷實(shí)際上也是熱能和其它能量間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故也屬蒸氣壓縮制冷裝置是常用的一種制冷裝置。圖0-5為蒸氣壓縮制冷裝置的示意圖。高壓常溫的液體工質(zhì)先通過節(jié)流閥節(jié)流降壓，使溫度降低到所需的低溫。然后把低溫的液體工質(zhì)送入庫的蒸發(fā)器中，便可從冷藏庫內(nèi)其它物體吸熱而使這些物體處于低溫。當(dāng)?shù)蜏氐囊后w工質(zhì)吸熱后，便汽化成為低壓的蒸氣。于是再送入壓氣機(jī)壓縮提高壓力，經(jīng)冷凝器冷卻降溫，重新得到高壓綜合上面所述各種熱能動(dòng)力裝置的工作過程可知：為實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，總是利用工質(zhì)吸收燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，使工質(zhì)體積膨脹推動(dòng)機(jī)器而作機(jī)械功，但為了連續(xù)地實(shí)現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換，必須接著使工質(zhì)向環(huán)境放熱或排出廢氣，以便重新開始新的從上述蒸氣壓縮制冷裝置的工作過程可以看到：通過降程可使常溫的工質(zhì)達(dá)到所需的低溫，并用來制冷。但為了連續(xù)地實(shí)現(xiàn)制冷，必須消耗機(jī)械功壓縮工質(zhì)提高其壓力，然后經(jīng)過冷卻，即向環(huán)境放熱而使工質(zhì)恢復(fù)高壓常溫的狀態(tài)，以便重新通過為了合理地設(shè)計(jì)各種能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，必須掌能轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及掌握能量轉(zhuǎn)換過程的分析方法，這些正是工0-3工程熱力學(xué)的研究對(duì)象及研究方法熱力學(xué)也稱經(jīng)典熱力學(xué)，是研究熱能的性質(zhì)以及熱能和其它雖然人類很早就在生產(chǎn)和生活中利用了各種熱現(xiàn)象，但直到19世紀(jì)中下葉才認(rèn)識(shí)熱的本質(zhì)并相繼確立熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。以無數(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)而總結(jié)得到的這兩條基本定律，是整個(gè)熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)。以熱力學(xué)兩條定律為基本依據(jù)，經(jīng)過研究又得到了各種熱現(xiàn)象的具體規(guī)律，從而形成了一門完整的學(xué)科——熱力學(xué)。它涉及的范圍包括物理、化學(xué)及工程等熱力學(xué)采用宏觀的研究方法，即完全從直接觀察的宏觀現(xiàn)象出發(fā)描述客觀規(guī)律。這種方法，首先把物質(zhì)看成連續(xù)的整體，采用一些宏觀物理量來描述物質(zhì)所處的狀況，并通過實(shí)驗(yàn)找出所研究現(xiàn)象中的一些可測(cè)定的物理量的變化關(guān)系。由于可測(cè)定的物理量是有限的，實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)系也往往是不全面的，因此還必須根據(jù)熱力學(xué)基本定律導(dǎo)出各宏觀物理量之間固有的內(nèi)在關(guān)系。把這些普遍關(guān)系和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，便可求得所研究現(xiàn)象中各種物理研究熱現(xiàn)象的微觀理論稱為統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，它應(yīng)用力學(xué)的規(guī)律來研究單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，然后用統(tǒng)計(jì)方法來說明大量分子紊亂運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)，從而找出宏觀熱現(xiàn)象所服從的基本規(guī)律。因此，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)能夠從物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理更好地說明宏觀熱現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)。但它的分析過程較為復(fù)雜、抽象，不像工程熱力學(xué)是熱力學(xué)的一個(gè)分支，它著重研究與熱能工程有關(guān)的熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。它在闡明熱力學(xué)兩條基本定律的基礎(chǔ)上，著重應(yīng)用這兩個(gè)定律分析熱能工程中有關(guān)的各種熱力過程及熱力循環(huán)，從理論上研究提高熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換有效程度的途徑。此外，能量轉(zhuǎn)換過程所用工質(zhì)的熱力性質(zhì)，也是工程熱力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。工程熱力學(xué)的研究范圍還擴(kuò)大到了諸如燃燒現(xiàn)象等包括化學(xué)反應(yīng)的熱現(xiàn)象即化學(xué)熱力學(xué)的領(lǐng)域。工程熱力學(xué)主要采用宏觀的研究方法，但在必要時(shí)為了更好地說明現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，也適當(dāng)引用物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的微觀概念及工程熱力學(xué)是熱能工程的基礎(chǔ)理論之一。它既是熱能工程各專業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)，又是對(duì)熱能工程問題進(jìn)行熱力學(xué)分析所必需的理論知識(shí)。對(duì)于每個(gè)學(xué)習(xí)熱能工程的學(xué)生及從事熱能工程工作的人員，只有很好地掌握工程熱力學(xué)的基本理論并具備進(jìn)行熱力

在分析能量轉(zhuǎn)換過程時(shí)，按照熱力學(xué)的宏觀方法根據(jù)轉(zhuǎn)換過程中有關(guān)物質(zhì)的狀態(tài)變化特點(diǎn)來確定能量轉(zhuǎn)換的規(guī)基本的概念及定義，以及從熱力學(xué)觀點(diǎn)重新認(rèn)識(shí)概念。凝結(jié)成水。這個(gè)過程中，實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的工質(zhì)是水蒸①對(duì)于本章中學(xué)生已熟悉的內(nèi)容，教學(xué)時(shí)可根據(jù)具體情況適當(dāng)取舍。為外界。在進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，對(duì)于熱力學(xué)系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中的行為及變化規(guī)律，要作詳細(xì)分析，而對(duì)于外界一般只籠統(tǒng)地考察它們和熱力學(xué)系統(tǒng)間相互作用時(shí)所傳遞的各種能量與質(zhì)量。熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間的分界面稱為邊界。根據(jù)具體問題，邊界可以是實(shí)際的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間發(fā)生相互作用時(shí)，必然有能量和質(zhì)量穿越邊界，因而可以在邊界上判定熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間傳遞能量和質(zhì)量的形式及數(shù)量。實(shí)際上，也只有在邊界上才能判定系統(tǒng)和外界間是否有能量和質(zhì)量的交換。由于熱力設(shè)備是通過工質(zhì)狀態(tài)變化而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的，且其變化規(guī)律決定了過程的特點(diǎn)，故在分析熱力設(shè)備的工作時(shí)經(jīng)常取工質(zhì)作為熱力學(xué)系統(tǒng)，而把高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩吹绕渌矬w取作外界。熱力學(xué)系統(tǒng)按其和外界是否發(fā)生物質(zhì)交換可分為閉口系統(tǒng)及開口系統(tǒng)。若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界不發(fā)生物質(zhì)交換，就稱為閉口系統(tǒng)。如圖1~1所示，工質(zhì)在氣缸中受熱膨脹而推動(dòng)活塞及重物作功。這時(shí)若取工質(zhì)為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，而取活塞、重物及熱源為外界，則當(dāng)系統(tǒng)膨脹對(duì)外界作功時(shí)，系統(tǒng)的邊界隨活塞一起移動(dòng)，沒有任何物質(zhì)穿越邊界進(jìn)入或離開系統(tǒng)，因而這個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)。閉口系統(tǒng)中包含的物質(zhì)是固定的，故也稱閉口系統(tǒng)為控制質(zhì)量。若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間有物質(zhì)交換，就稱為開口系統(tǒng)。門熱源如圖1-2所示，有一臺(tái)渦輪機(jī)，工質(zhì)不斷從進(jìn)口流入，在其中膨脹推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)外界作功，然后從出口流出。這時(shí)若取渦輪機(jī)外殼及進(jìn)、出口截面(假想邊界)所包圍空間中的工質(zhì)為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，則因系統(tǒng)和外界間不斷通過進(jìn)口和出口處的邊界交換物質(zhì)，故這個(gè)系統(tǒng)為開口系統(tǒng)。開口系統(tǒng)中的物質(zhì)的量是可以改變的。由于開口系統(tǒng)所占據(jù)的空間是固定的，故也稱開口系統(tǒng)為控若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間既無能量交換又無質(zhì)量交換，則稱為孤立系統(tǒng)。例如把進(jìn)行能量交換的一切有關(guān)物質(zhì)如工質(zhì)、高溫?zé)嵩础⒌蜏責(zé)嵩?、耗功設(shè)備等一起取作一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，則由于該系統(tǒng)和外界不發(fā)生任何能量和質(zhì)量的交換，因此它就是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。例如對(duì)圖0-3所示活塞式內(nèi)燃機(jī)的熱力分析，常取氣缸內(nèi)部的氣體作為研究對(duì)象，即熱力學(xué)系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，其氣缸內(nèi)的工質(zhì)有流進(jìn)、流出，應(yīng)作為開口系統(tǒng)進(jìn)行分析。但內(nèi)燃機(jī)的主要熱功轉(zhuǎn)換過程是在其進(jìn)氣門、排氣門均關(guān)閉的條件下進(jìn)行的，因而在適當(dāng)簡化的條件下也可將其作為閉口系統(tǒng)來研究。在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的過程中，系統(tǒng)本身的狀況總是在不斷地發(fā)生變化。為了描述系統(tǒng)的變化，就需要說明變化過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一步的宏觀狀況。熱力學(xué)中把熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀狀況稱為系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)常用一些物理量來描述，這種物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。最基本的狀態(tài)參數(shù)有3個(gè)，即溫度、壓力和比體積(以前稱為比容),稱為基本狀態(tài)參數(shù)。它們都是可以測(cè)量的物理量。由狀態(tài)參數(shù)的定義可知：對(duì)應(yīng)于某個(gè)給定的狀態(tài)，所有狀態(tài)參數(shù)都應(yīng)有各自確定的數(shù)值，反之一組數(shù)值確定的狀態(tài)參數(shù)可以確定一個(gè)狀態(tài)；狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值僅決定于系統(tǒng)的狀態(tài)，而與達(dá)到該狀態(tài)所經(jīng)歷的途徑無關(guān)。例如系統(tǒng)由某個(gè)狀態(tài)1變化到另一個(gè)狀態(tài)2,不管經(jīng)過什么途徑，其壓力變化總相應(yīng)地，微元變化時(shí)壓力的微增量dp具有全微分的性質(zhì)，即有下面逐個(gè)介紹比體積、壓力和溫度這3個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)的含一、比體積比體積是描述熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布狀況的狀態(tài)參數(shù)。它表明單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積，其符號(hào)為v,單位為m3/kg。按單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，符號(hào)為p,單位為kg/m3。由定義可知，密度和比體積互為倒數(shù)，即有二、壓力(壓強(qiáng))壓力是描述流體物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)狀況的狀態(tài)參數(shù)。流體的壓力，也稱壓強(qiáng)，是流體在單位面積上的垂直作用力，符號(hào)為p。根據(jù)力學(xué)原理，若作用于物體上的各力所組成的力系平衡，則物體的運(yùn)動(dòng)狀況保持不變。熱力學(xué)中稱該物體處于力平衡狀態(tài)。對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，重力場及電磁力場的作用通?？梢院雎圆挥?jì)，因而當(dāng)氣體內(nèi)各處的壓力相同時(shí)熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部就處于力平衡的狀態(tài)。壓力也稱絕對(duì)壓力。工業(yè)上，壓力容器的受力情況主要取決于其中流體的絕對(duì)壓力和環(huán)境大氣壓力的差值，故采用這個(gè)差值作為設(shè)備工作壓力的指標(biāo)，測(cè)壓表(計(jì))測(cè)量的也是這個(gè)差值。通常，把流體壓力高出大氣壓力的差值稱為表壓，以符號(hào)Pe表示。若大氣壓力為Pb,則這時(shí)流體的絕對(duì)壓力為流體壓力低于大氣壓力的差值稱為真空度，以符號(hào)p、表示，則流體的絕對(duì)壓力為表壓、真空度和絕對(duì)壓力間的上述關(guān)系如圖1-3所示。根據(jù)上述關(guān)系，即使流體的絕對(duì)壓力不變，由于大氣壓力的變化，表壓或真空度也會(huì)發(fā)生變化。因此，只有流體的絕對(duì)壓力才能作為描述p=p+p.pp=pe-pp=0-T丸T丸十上流體狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。壓力的單位為Pa(帕),因其單位量值較小，工程上常用MPa(兆帕)作壓力的單位，并有此外，曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用、目前仍能見到的其他壓力單位還mmH?O(毫米水柱，4℃)等。書后的附表10給出了各種壓力單位的換算關(guān)系。 1-2熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)·15·三、溫度熱程度。則只要不改變它們各自的狀態(tài)，使A、B兩物體相接觸，可以看度，以T來表示，單位為K(開)。國際上規(guī)定采用水的三相點(diǎn)溫氏溫度的定義式為即0℃相當(dāng)于273.15K,而0K相當(dāng)于-273.15℃。工程上，為了簡化，有時(shí)采用以下的近似計(jì)算式：室溫為25℃,試求這時(shí)的大氣壓力，并采用下列各單位表示：hoc=758.3mmHg×(1-0.000172×25)=7P?=755mmHg×133.32Pa/mmHg=1.1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖熱力學(xué)分析中所涉及的熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)，通常都要求是熱力學(xué)平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。如果熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在熱平衡、力平衡，對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)還同時(shí)存在化學(xué)平衡，則熱力學(xué)系統(tǒng)所處的狀態(tài)就稱為熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中存在各種平衡條件時(shí)，只要沒有外界影響，系統(tǒng)的狀態(tài)就不會(huì)發(fā)生變化。因而，在不受外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，則系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)。一個(gè)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部存在熱平衡， 故系統(tǒng)內(nèi)一定具有均勻一致的溫度。又由于其內(nèi)部存在力平衡，故系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力分布，而對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，因重力場及電磁力場的作用通?？珊雎圆挥?jì)，故系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的壓力。工程上常見的系統(tǒng)大都是氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，于是整個(gè)系統(tǒng)可用一組具有確定數(shù)值的溫度、壓力及其他參數(shù)來描述其狀態(tài)。本書后面所討論的大部分系統(tǒng)都屬于這類系在平衡狀態(tài)下，表示系統(tǒng)狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)，并不是都可以單獨(dú)地自由確定其數(shù)值的。經(jīng)驗(yàn)表明：系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)變化到另一個(gè)平衡狀態(tài)，完全取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。因各種能量傳遞的方式都是獨(dú)立進(jìn)行的，故而確定熱力學(xué)系統(tǒng)所處平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目，就等于系統(tǒng)和外界間進(jìn)行能量傳遞方式的數(shù)目。對(duì)于工程上常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，當(dāng)沒有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，它和外界間傳遞的能量只限于熱量和系統(tǒng)容積變化所作的功兩種，因此只有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。也就是說，只要確定兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值，其他參數(shù)的值也就隨之確應(yīng)用兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)可以組成狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖，如圖1-4所示的壓力-比體積坐標(biāo)圖，簡稱壓容圖或p-v圖。對(duì)于只要兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)就可確定其狀態(tài)的系統(tǒng)來說，即可代表系統(tǒng)的一個(gè)平衡狀態(tài)，而點(diǎn)2(P?,V?)則代表另一個(gè)平衡如果熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部不存在熱平衡或力平衡等各種平衡條件，則系統(tǒng)內(nèi)各部分會(huì)自發(fā)地發(fā)生熱的相互作用或力的相互作用，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，并趨于平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)難以用簡單的數(shù)值表示，也無法在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)在平衡狀態(tài)下，由氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，只要知道兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)的狀態(tài)就完全確定，即所有的狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值完全確定。這說明，狀態(tài)參數(shù)之間存在著確定的函數(shù)關(guān)系。狀態(tài)參數(shù)之間的各種函數(shù)關(guān)系，統(tǒng)稱為熱力學(xué)函數(shù)。其中溫度、壓力和比體積三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系式是最基本的關(guān)系式，稱為狀態(tài)方程式，并可表示為或?qū)懗蓪?duì)某一狀態(tài)參數(shù)的顯函數(shù)形式：理想氣體狀態(tài)方程式，或稱克拉貝龍方程式，是大家所熟悉的一個(gè)狀態(tài)方程式。它由波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實(shí)驗(yàn)定律導(dǎo)得。對(duì)1mol的理想氣體有pVm=RT(1-7)式中：Vm為1mol理想氣體所占有的容積，稱為摩爾體積，m3/mol;R稱為摩爾氣體常數(shù)。根據(jù)阿伏加德羅定律可推得：在同溫同壓下，任何理想氣體的摩爾體積都相同。于是由式(1-7)可知，對(duì)于任何理想氣體，其R的數(shù)值相同。根據(jù)物理標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即po=101325Pa及T?=273.15K,并利用該狀態(tài)下理想氣體摩爾體積的數(shù)值Vmo=22.4141×10-3m3/mol,由式(1-7)可以求得摩爾氣體常數(shù)的值為①“mol”是“物質(zhì)的量”的單位。熱力學(xué)中把含有的分子數(shù)與0.012kg碳12的原子數(shù)(即阿伏加德羅常數(shù)6.0228×10?)相等時(shí)氣體的量定義為1mol,物質(zhì)的量的定1mol理想氣體的質(zhì)量稱為摩爾質(zhì)量，以M表示，其單位為kg/mol。由摩爾的定義可知，1kmol氣體的質(zhì)量的數(shù)值等于各種氣體的相對(duì)分子質(zhì)量M,。若以M除式(1-7)等號(hào)兩側(cè)，則可得適用于1kg理想氣體的狀態(tài)方程式式中，Rg=R/M稱為氣體常數(shù)。因摩爾質(zhì)量M隨氣體種類而異，故氣體常數(shù)Rg的數(shù)值和氣體的種類有關(guān)。本書附錄中的附表1列有各種常用氣體的氣體常數(shù)Rg的數(shù)值。對(duì)于物質(zhì)的量為n(單位為mol)的理想氣體，由式(1-pV=nRT(1-10)pV=mRT(1-11)理想氣體狀態(tài)方程式，反映出了在平衡狀態(tài)下氣體的溫度、壓力及比體積間的基本關(guān)系，其形式簡單，便于實(shí)用計(jì)算，特別是式(1-7)及式(1-10)不包含與氣體種類有關(guān)的量，因而在熱力學(xué)的分析及計(jì)算中非常有用。完全遵守理想氣體狀態(tài)方程式的氣體才可稱做理想氣體。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，這種氣體的分子是本身不占有體積的完全彈性的質(zhì)點(diǎn)，且分子間沒有內(nèi)聚力。由此可見，理想氣體僅是一種理想的模型。實(shí)際上，當(dāng)壓力比較低或溫度比較高①,使氣體的比體積變得比較大，而相應(yīng)的分子本身的體積和分子間內(nèi)聚力的影響比較小時(shí)，氣體的狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系就基本上符合理想氣體狀態(tài)方程式。歷史上就是根據(jù)對(duì)這種情況下各類氣體所作的大量實(shí)驗(yàn)，建立了波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實(shí)驗(yàn)定律，并總結(jié)得到了理想氣體狀態(tài)方程式。熱能工程中常用的氧、氮及空氣等，在通常的溫度及壓力下均可當(dāng)作理想氣體，按理想氣體狀態(tài)方程式進(jìn)行分析，甚至像燃?xì)?因其溫度較高)及空氣中包含的水蒸氣(因其分壓力很低)也可作為理想氣體處理。例1-2儲(chǔ)氣瓶中裝有C?H?氣體1kg,瓶的容積為50L?，F(xiàn)室溫為pV=mR?T當(dāng)用去一部分壓縮空氣后，罐內(nèi)空氣的壓力p?降為0.9MPa。設(shè)室溫為 1-5熱力過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程過程。如圖1-5所示的由氣缸中氣體組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)活塞先發(fā)生膨脹而壓力降低，接著其余部分氣體也逐步發(fā)生膨脹降完成了一個(gè)熱力過程。再如圖1-6所示的由封閉容器中氣體組成并相互處于熱平衡，保持溫度為T。這時(shí)系統(tǒng)本身也處于平衡狀態(tài)。若把容器移至溫度為T+△T的恒溫?zé)嵩刺?，則氣體受熱而升至T+△T時(shí)，系統(tǒng)和熱源間達(dá)到熱平衡，系統(tǒng)本身也達(dá)到一 所需的時(shí)間，即所謂弛豫時(shí)間非常短。尤其像一般往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，其氣缸內(nèi)部空間很小，活塞運(yùn)動(dòng)速度僅每秒十余米，因此當(dāng)機(jī)器工作時(shí)氣體工質(zhì)內(nèi)部能及時(shí)地不斷建立平衡狀態(tài)，而工質(zhì)的變化過程很接近準(zhǔn)靜態(tài)過程。即使在氣流速度較高、狀態(tài)變化較快的渦輪式機(jī)器中，當(dāng)它穩(wěn)定工作時(shí)，氣流中氣體狀態(tài)的變化仍可近似地按準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行分析。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)靜態(tài)過程可表示為一條曲線。如圖1-7所示的pv圖，曲線1-2即表示一P個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。如果系統(tǒng)由狀態(tài)1'到2'的變化經(jīng)歷的不是準(zhǔn)靜態(tài)過程，即過程中系統(tǒng)經(jīng)歷的是一系列不平衡狀態(tài)，則除I'及2′兩個(gè)平衡狀態(tài)外，整個(gè)過程經(jīng)歷的狀態(tài)無法表示在p-v圖上，而僅能在1'及2'兩點(diǎn)間連以虛圖1-7準(zhǔn)靜態(tài)過程和非準(zhǔn)力學(xué)中把物體通過力的作用而傳遞的能量稱之為功，并定義功等于力F和物體在力作用方向上的位移△x的乘積，即W=F△x按此定義，氣缸中氣體膨脹推動(dòng)活塞及重物升起時(shí)氣體就作功；渦輪機(jī)中氣體推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)氣體也作功。這類功都屬于機(jī)械功。但除此之外，還有許多其他形式的功，它們并不直接地表現(xiàn)為力和位移，但能通過轉(zhuǎn)換全部變?yōu)闄C(jī)械功，因而它們和機(jī)械功是等價(jià)的。例如電池對(duì)外輸出電能，即可認(rèn)為電池對(duì)外輸出電功。于是，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，熱力學(xué)中功的定義如下：功是熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。必須注意，功是通過邊界而傳遞的能量，所以系統(tǒng)本身宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能及離地一定高度的重力位能等系統(tǒng)本身直接由系統(tǒng)容積變化和外界發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功，或直接稱為膨脹功及壓縮功。如圖1-8所示的熱力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)氣體發(fā)生膨脹而推動(dòng)活塞升起時(shí)，系統(tǒng)即對(duì)外界作膨脹功。在微元過程中，設(shè)在邊界上活塞所受推力為F,而位移為dx,則系統(tǒng)對(duì)外界作的膨脹功為δW=Fdx界上活塞所受推力F可表示為系統(tǒng)圖1-8的壓力p和活塞面積A的乘積，即F=pA。于是可得微元準(zhǔn)靜態(tài)過程中系統(tǒng)對(duì)外界所作膨脹功的若該系統(tǒng)中氣體的質(zhì)量為m,則按1kg氣體計(jì)算的膨脹功為當(dāng)準(zhǔn)靜態(tài)過程中系統(tǒng)的壓力p隨容積V或比體積v變化的函數(shù)關(guān)系p=p(V)已知時(shí)，即可按上述公式通過積分來計(jì)如過程中系統(tǒng)狀態(tài)變化的關(guān)系為pv=P?V?=常量，則該過程中系 系統(tǒng)所作的容積變化功。如圖1-9所示，若在準(zhǔn)靜態(tài)過程1-線上取一微段a-b,則該段下面的陰影部分的面積即可代表微元面的面積代表準(zhǔn)靜態(tài)過程1-2中系統(tǒng)所作的容積變化功。采用p-v圖表示容積變化功形象直觀，故常用于如圖1-10所示，自狀態(tài)1到狀態(tài)2可以有許多不同的過程，相應(yīng)地各過程曲線下的面積代表的各過程中系最后必須指出，當(dāng)過程中存在摩擦、擾動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)，必然引起功的耗散，且狀態(tài)變化的情況也較為復(fù)雜，因而除簡單情況外，不深入考慮各種功耗散因素對(duì)系統(tǒng)作功的影響。而上述功的計(jì)算公式及圖示分析，也只適用于不存在功耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程。實(shí)際上，除特別指明外，熱力學(xué)中一般都是分析不存在功耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程，并稱這類過程為可逆過程。有關(guān)可逆過程的內(nèi)容將在第五章中詳細(xì)討論。例1-4設(shè)氣缸中氣體的壓力為4MPa,容積由500cm3膨脹至1000解已知：=(4×10?)Pa×(1×10-3-5×104)m31-11所示：過程1-2’為水平線，而過程1-2”為雙曲線。顯然。曲線1-2'下面的=20×10?Pa×(1000-500)×物體間除了以功的方式傳遞能量，還常以熱量的方式傳遞能量。熱力學(xué)中對(duì)熱量作如下定義：熱量是熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，可以對(duì)熱量的概念給予更明確的說明。如前所述，氣體的熱力學(xué)溫度乃是氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能的量度，故兩種氣體的溫度不同時(shí)，其分子平均移動(dòng)動(dòng)能就不相同。當(dāng)這兩種氣體相接觸時(shí)，它們的分子在紊亂運(yùn)動(dòng)中相互碰撞，由動(dòng)能大的分子向動(dòng)能小的分子傳遞動(dòng)能，于是溫度較高的氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能減小，而溫度較低的氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能增大，即由溫度較高的氣體向溫度較低的氣體傳遞了能量。這就是熱量傳遞的微觀實(shí)質(zhì)。固態(tài)物質(zhì)間熱量傳遞的過程也相類似，只是固態(tài)物質(zhì)分子動(dòng)能的傳遞形式有所不同而已。熱量和功都是系統(tǒng)和外界間通過邊界傳遞的能量，但兩者有著本質(zhì)的差別：熱量是物體問通過紊亂的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量；功則是物體問通過有規(guī)則的微觀運(yùn)動(dòng)或宏觀的運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。也正是由于這個(gè)差別，熱量不可能把它的全部效果表現(xiàn)為舉起重物，關(guān)于這一點(diǎn)將在第五章中詳細(xì)討論。應(yīng)該注意，熱量和熱能是兩個(gè)不同的概念。熱能是指物體內(nèi)分子紊亂運(yùn)動(dòng)即分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的能量，故它是可儲(chǔ)存于物體的一種能量。而熱量則是兩物體間傳遞的熱能的數(shù)量，也稱傳熱量，因而不能說物體含有熱量。熱量也是過程量，故用Q1-2表示過程1-2中傳遞的熱量，用δQ表示微元過程中傳遞的微量的熱量。熱量的單位為J。按1kg物質(zhì)計(jì)的熱量用q1?2及δq表示，其單位為J/kg。通常規(guī)定，系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量為正，系統(tǒng)放熱時(shí)熱量為負(fù)。熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間進(jìn)行的各種能量傳遞過程所遵循的規(guī)律是類似的，因而可以采用類似的關(guān)系來描述各種方式的能量傳遞作用。類比于物體在力的作用下其空間位置發(fā)生變化而傳遞機(jī)械功的現(xiàn)象，熱力學(xué)中引用勢(shì)和狀態(tài)坐標(biāo)兩類狀態(tài)參數(shù)，把各種能量傳遞過程都描述為系統(tǒng)在勢(shì)參數(shù)的作用下，狀態(tài)坐標(biāo)發(fā)生變化而實(shí)現(xiàn)的與外界間的能量傳遞過程。所謂勢(shì)，就是推動(dòng)能量傳遞的作用力，其數(shù)值的大小直接地決定能量傳遞作用的強(qiáng)度。而所謂狀態(tài)坐標(biāo)，乃是其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標(biāo)志。例如，當(dāng)系統(tǒng)和外界間傳遞容積變化功時(shí)，推動(dòng)作功的勢(shì)是壓力，狀態(tài)坐標(biāo)是比體積，比體積的變化則是衡量作功的標(biāo)志：比體積增大系統(tǒng)對(duì)外作功，比體積減小外界對(duì)系統(tǒng)作功；比體積不變，則無論狀態(tài)發(fā)生何種變化，系統(tǒng)和外界無容積變化功的交換。與此類似，當(dāng)系統(tǒng)和外界傳遞熱量時(shí)，系統(tǒng)的溫度是推動(dòng)熱量傳遞的勢(shì)，而作為傳遞熱量作用的狀態(tài)坐標(biāo)必然有一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，這個(gè)狀態(tài)參數(shù)稱為熵，其符號(hào)為S,單位為J/K。類比于無耗在無耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程中也即可逆過程中，系統(tǒng)和外界傳由該式可知，系統(tǒng)吸熱時(shí)它的熵增大；系統(tǒng)放熱這里，s為1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵。式(114)、(114a)及式(1-15)、(1-15a)對(duì)于系統(tǒng)和外界間傳遞熱量的分析有很重要的作如圖1-13所示，T-s圖和p-v圖一樣，圖上一個(gè)點(diǎn)可代狀態(tài)，一條曲線可代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。類似于在p-v圖上表示容積變化功,在T-s圖上，曲線1-2下面的面積可以表示無耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程，即可逆過程中系統(tǒng)和外界傳遞的熱量，即。當(dāng)s?>s?時(shí)表示系統(tǒng)吸熱；當(dāng)s?<s時(shí)表示系統(tǒng)放熱。溫熵圖給分析系統(tǒng)和外界傳遞的熱量帶來很大方便。根據(jù)點(diǎn)2之間可連接許多不同的過程曲線，各曲線下面的面積所代表的熱量顯然是不同的，從而說明系統(tǒng)和外界計(jì)算熱量時(shí)常采用物質(zhì)的比熱容的概念。由物理學(xué)知：1kg及8qp=c,dT(1-16b)除比熱容c,及cy外，熱工計(jì)算中也常用摩爾熱容及容積熱容。摩爾熱容為1mol物質(zhì)溫度升高1K(或1℃)所需Cpm及Cvm表示；容積熱容為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3的氣體溫度升高1熱容和容積熱容的單位不同，分別為J/(kg.K)、J/(mol·K)和排入大氣。這類機(jī)器中，工質(zhì)的變化比較復(fù)雜，不僅機(jī)器中每次循環(huán)工作都要重新吸入新鮮空氣，而且每次循環(huán)中工質(zhì)的化學(xué)組成還要發(fā)生變化，由空氣變成燃?xì)?。為了便于進(jìn)行熱力學(xué)分析，在舍棄一些次要的因素后，可以采用一個(gè)理想的循環(huán)變化過程來替代它。這時(shí)，把工質(zhì)化學(xué)組成發(fā)生變化的燃燒過程改換成一個(gè)假想的加熱過程，并把排氣及吸氣過程合起來看作把工質(zhì)送到機(jī)器外面大氣中冷卻的過程。于是，仍然得到和蒸汽動(dòng)力裝置相同的工作方式，工質(zhì)在經(jīng)過一系列的變化后重新回復(fù)到初始狀態(tài)，周而復(fù)始地循環(huán)工作。熱力學(xué)中，把系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)后，重新回到初始狀態(tài)所完成的一個(gè)封閉的熱力過程，稱為熱力循環(huán)，或簡稱循環(huán)。若循環(huán)中系統(tǒng)經(jīng)歷的是準(zhǔn)靜態(tài)過程，則它可以在p-v及T-s圖上表示為一條封閉曲線。如圖1-15所示的封閉曲線a-b-c-d-a即代表一個(gè)熱力循環(huán)。按p-v圖，在過程a-b-c中比體積v增大，所以容積變化功為正，系統(tǒng)對(duì)外作功；而在過程c-d-a中比體積v減小，為負(fù)，外界對(duì)系統(tǒng)作功。于是整個(gè)熱力循環(huán)中系統(tǒng)所作的凈功應(yīng)為該兩過程功的代數(shù)和，即它可用pv圖上循環(huán)曲線所包圍的面積表示。按T-s圖，在過程a-b-c中比熵s增大，過程的熱量正，系統(tǒng)吸熱；而在過程c-d-a中，熱量為負(fù)，系統(tǒng)放1-1試確定表壓力為0.1kPa時(shí)U形管壓力計(jì)中的液柱高度差。(1)液體為水，其密度為1000kg/m3;(2)液體為酒精，其密度為789kg/m3。1-2測(cè)量鍋爐煙道中真空度時(shí)常用斜管壓力計(jì)。如圖1-16所示，若a=30°,液柱長度l=200mm,且壓力計(jì)中所用液體為煤油，其密度為800kg/m3,試問煙道中煙氣的真空1-3在某高山實(shí)驗(yàn)室中，溫度某U形管差壓計(jì)中的汞柱高度差為30cm,試問實(shí)際壓差為多少mmHg1-4某水塔高30m,該高度處大氣壓力為0.0986Mpa。若水的密度為1-5設(shè)地面附近空氣的溫度均相同，且空氣為理想氣體，試求空氣壓力隨離地面高度變化的關(guān)系。又若地面大氣壓力為0.1MPa、溫度為20℃,1-6某煙囪高30m,其中煙氣的平均密度為0.735kg/m3。若地面大氣壓力為0.1MPa、溫度為20℃,現(xiàn)假設(shè)空氣密度在煙囪高度范圍內(nèi)為常數(shù)，1-7某容器中儲(chǔ)有氮?dú)猓鋲毫?.6MPa、溫度為40℃。設(shè)實(shí)驗(yàn)消耗去1kg氮，且溫度降為30℃時(shí)容器中壓力降為0.4MPa,試求該容器的容1-8利用真空泵為某設(shè)備抽真空，真空泵每分鐘的吸氣量為0.5m3。若設(shè)備中空氣壓力已達(dá)到0.1mmHg、溫度為—30℃,試求每分鐘真空泵可17℃?，F(xiàn)用壓氣機(jī)向筒內(nèi)充氣，壓氣機(jī)每分鐘吸氣0.2m3,大氣溫度為任何氣體。若用儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣給氣球充氣，充滿時(shí)氣球的容積為經(jīng)歷了一個(gè)膨脹過程后溫度為100℃。設(shè)過程中氣體的狀態(tài)變化規(guī)律為pv12=p?v|2=常量，試求膨脹過程中氣體所作的膨脹功。1-18某種氣體在氣缸中進(jìn)行一個(gè)膨脹過程，其容積由0.1m3增加到的摩擦力保持為1000N,而活塞面積為0.2m2時(shí)，扣除摩擦消耗后活塞所輸1-19有一橡皮氣球，當(dāng)它內(nèi)部的氣體壓力和大氣壓力同為0.1MPa時(shí)，氣球處于自由狀態(tài)，其容積為0.3m3。當(dāng)氣球受太陽照射其內(nèi)部氣體受熱時(shí)，容積膨脹10%,壓力上升為0.15MPa。設(shè)氣球壓力增加和容積的增加成正比，試求：(1)該膨脹過程在p-v圖上的過程曲線；(2)該過程中氣體所作1-20設(shè)某種氣體的狀態(tài)方程式為p(v-b)=RT,試導(dǎo)出定溫過程中該氣體所作容積變化功的計(jì)算公式，并分析有相同容積變化時(shí)，理想氣體定溫變化的容積變化功是大于還是小于該種氣體的功。1-21圖1-17所示為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的升降工作臺(tái)示意圖。由儲(chǔ)氣罐來的壓縮空氣經(jīng)閥門調(diào)節(jié)氣體的壓力后送入氣缸，在壓縮空氣的推動(dòng)下活塞上升舉起工作臺(tái)。已知活塞面積為0.02m2,活塞及工作臺(tái)重5000N。活塞上升300mm后開始和彈簧相接觸，繼續(xù)上升時(shí)將壓縮彈簧。設(shè)彈簧常數(shù)L儲(chǔ)氣罐圖1-17壓縮空氣驅(qū)動(dòng)升降工作臺(tái)示意圖為10N/mm。若氣缸內(nèi)氣體的表壓力達(dá)到0.3MPa時(shí)停止供氣，試求在舉升過程中氣體所作的功及彈簧所吸收的功。

熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律。實(shí)質(zhì)上它就是普遍的能量守恒和轉(zhuǎn)換定律應(yīng)用于熱現(xiàn)象的一種表述形式。它闡明了熱能和其它能量形態(tài)轉(zhuǎn)換中能量守恒的原理。根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)換定律建立的閉口系統(tǒng)能量方程式、開口系統(tǒng)能量方程式及穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，說明：自然界中物質(zhì)所具有的能量，既不能創(chuàng)造也不能消滅，而只能從一種能量形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種能量形態(tài)，轉(zhuǎn)換中能量的總量守恒。這是長期以來人們生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，而不是從任何其它的定律導(dǎo)出的，而且在生產(chǎn)和科學(xué)的實(shí)踐中，它還在不斷地得熱力學(xué)第一定律就是能量守恒及轉(zhuǎn)換定律用于熱能和其它能量形態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系時(shí)的表述。它說明：熱能作為一種能量形態(tài)，可以和其它能量形態(tài)相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換中能量的總量守恒。在各種能量轉(zhuǎn)換中，熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換在人類生產(chǎn)的歷史上始終受到極大的關(guān)注，而那種企圖不消耗能量而獲取機(jī)械動(dòng)力的所謂第一類永動(dòng)機(jī)，都不可避免地歸于失敗，因而熱力學(xué)第一定律也常表述實(shí)際上，所有熱能動(dòng)力裝置，或稱熱機(jī)，都必須利用燒所獲得的熱能來產(chǎn)生機(jī)械能。如前所述，在熱機(jī)中，熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換是通過適當(dāng)?shù)臒崃ρh(huán)而實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行一個(gè)熱力循環(huán)時(shí)，工質(zhì)從外界接受一定的凈熱量，同時(shí)工質(zhì)對(duì)外輸出一定的凈功。當(dāng)然，在經(jīng)歷一個(gè)熱力循環(huán)后，工質(zhì)又回復(fù)到初始狀態(tài)，所以工質(zhì)本身沒有發(fā)生改變。因而根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱力循環(huán)中，工質(zhì)作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，它所接受的凈熱量應(yīng)該等于對(duì)熱量和功的單位為焦耳，單位符號(hào)為J，因其單位量較小，故工程上常用千焦耳為單位，單位符號(hào)為kJ。單位時(shí)間所作的功稱為功率，其單位為瓦，單位符號(hào)為W。工程上則常用kW(千瓦)及MW(兆瓦)為單位。也曾采用過其它一些單位，本書附表10中列例2-1一臺(tái)10kW的柴油機(jī)，耗油量為每小時(shí)2kg。試求其廢氣及冷冷卻水帶走的熱量為Q2，每小時(shí)柴油機(jī)所作的功為W0。由熱力學(xué)第一定于是可得廢氣和冷卻水每小時(shí)所帶走熱量的數(shù)值Q2為熱力學(xué)第一定律的能量方程式是熱力學(xué)中最基本的方程式之一。它不僅是對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行能量分析的重要關(guān)系式，同時(shí)也是分析熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化關(guān)系的重要手段。它根據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量守恒關(guān)系，集中反映了熱力過程中熱力學(xué)系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和稱為系統(tǒng)的熱力學(xué)能(以前稱熱力學(xué)能是由系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)確定的系統(tǒng)本身的能量，是個(gè)狀態(tài)參數(shù)。按照氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，氣體的熱力學(xué)能就是氣體分子和原子的動(dòng)能和位能。其中分子的移動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能加上原子的振動(dòng)動(dòng)能組成氣體的內(nèi)部動(dòng)能，而氣體分子間的作用力形成的分子間的位能組成氣體的內(nèi)部位能。這就是氣體熱力學(xué)能的微觀圖象。顯然，氣體內(nèi)部動(dòng)能僅和氣體的溫度有關(guān)，而氣體的內(nèi)部位能主要和氣體的比體積有關(guān)。當(dāng)氣體的溫度和比體積一定時(shí)，熱力學(xué)能即有確定的數(shù)值，因而氣體的熱力學(xué)能是一個(gè)狀態(tài)若系統(tǒng)中工質(zhì)的質(zhì)量為m，總熱力學(xué)能為U，則1kg工質(zhì)的1(p,v)，u=u2(v,T)，u=u3(p,T)熱力學(xué)能的單位為J或kJ，比熱力學(xué)能的單位為J/kg一般來說系統(tǒng)的總能量E除了由系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)確定的系統(tǒng)本身的能量，即熱力學(xué)能U外，還包括由系統(tǒng)整體力學(xué)狀態(tài)確定對(duì)于一個(gè)閉口系統(tǒng)來說，熱力過程中它和外界間的能量交換，只限于通過邊界傳遞熱量Q和功W。在此同時(shí)，由于系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)本身的能量也有變化。一般情況下，閉口系統(tǒng)不作整體位移，Ek與Ep的變化均為零。對(duì)于這身的能量E中，只有熱力學(xué)能U可能發(fā)生變化。于是根據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量守恒原理，在微元熱力過程中系統(tǒng)的能量平衡可上述四個(gè)公式稱為閉口系統(tǒng)能量方程式。它們說明：閉口系統(tǒng)在熱力過程中從外界接受的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學(xué)上述公式中各項(xiàng)的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為在導(dǎo)出上述公式時(shí)，沒有對(duì)過程進(jìn)行的條件作任何規(guī)定，故公式既可用于準(zhǔn)靜態(tài)過程，也可用于非準(zhǔn)靜態(tài)過程。但在用于非準(zhǔn)靜態(tài)過程時(shí)，為了能確定初始狀態(tài)及終了狀態(tài)下系統(tǒng)的熱力學(xué)對(duì)外界所作的容積變化功可以用pdv的形式表示，于是上述式(2-在應(yīng)用上述能量方程式時(shí)，必須注意適用的條例2-2在內(nèi)燃機(jī)的壓縮過程中，氣體的熱力學(xué)能增加了370J，過程中Q1-2＝(U2－U1)＋W1-2W1-2＝Q1-2－(U2－U1)＝(－20J)－370W1-2為負(fù)值表示系統(tǒng)受壓縮接受外界的功，即壓縮氣體消2-3開口系統(tǒng)能量方程式許多能量轉(zhuǎn)換裝置工作時(shí)不斷有工質(zhì)流過設(shè)備。分析這類裝置時(shí)，常采用開口系統(tǒng)即控制體的分析方法。圖2-1a、b所示分別為τ0和τ0+dτ兩時(shí)刻的開口系統(tǒng)。在dτ時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行的一個(gè)微元過程中，質(zhì)量為δm1的微元工質(zhì)經(jīng)進(jìn)口截面1-1流入，而質(zhì)量為δm2的微元工質(zhì)經(jīng)截面2-2流出；同時(shí)系統(tǒng)從外界接受熱若采用單位時(shí)間流過的質(zhì)量即質(zhì)量流量用qm表示，質(zhì)量流量qm的單位為kg/s，因微元過程經(jīng)歷的時(shí)間間隔為dτ,于是上式可式中qm1及qm2分別為進(jìn)、出口截面處工質(zhì)的流量。該式稱為連續(xù)性方程式，它說明單位時(shí)間內(nèi)開口系統(tǒng)中工質(zhì)質(zhì)量增加的數(shù)量根據(jù)熱力學(xué)第一定律，開口系統(tǒng)中總能量的增加來源于兩部分，一部分是系統(tǒng)由外界接受的熱量與系統(tǒng)對(duì)外作功兩者之差的凈能量；另一部分是流入和流出系統(tǒng)的工質(zhì)所帶入系統(tǒng)的凈能開口系統(tǒng)和外界間所傳遞的功由以下兩部分組成：開口系統(tǒng)和外界間，通過進(jìn)出口界面以外的邊界(一般為機(jī)器軸)所傳遞的如圖2-2所示，在進(jìn)口截面有δm1的微元工質(zhì)流入系統(tǒng)，則外界推動(dòng)該微同樣，在出口截面處，系統(tǒng)為推動(dòng)微元工質(zhì)δm2流出系統(tǒng)消耗的推動(dòng)功為p2v2δm2。于是開口系統(tǒng)對(duì)外若開口系統(tǒng)進(jìn)、出口處1kg工質(zhì)的總能量分別為e1及e2，則當(dāng)微元工質(zhì)δm1流入系統(tǒng)時(shí)帶入的能量為e1δm1，而微元工質(zhì)2流出系統(tǒng)時(shí)帶出系統(tǒng)的能量為e2δm2。于是，微元過程中流2按式(2-2)有E＝U＋Ek＋Ep，而按力學(xué)原理，當(dāng)工質(zhì)的流速為cf為系統(tǒng)所作軸功的功率。上兩式稱為開口系統(tǒng)的能量方程式，它2-4穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式一般能量轉(zhuǎn)換裝置經(jīng)常是在穩(wěn)定條件下工作的。例如蒸汽動(dòng)力裝置或燃?xì)鈩?dòng)力裝置經(jīng)常需保持穩(wěn)定的輸出功率；壓氣機(jī)輸出的壓縮氣體經(jīng)常需保持穩(wěn)定的狀態(tài)及流量；制冷裝置從冷藏庫吸熱的功率經(jīng)常需保持穩(wěn)定數(shù)值等。在這種穩(wěn)定工況下，系統(tǒng)所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過程維持穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變。對(duì)于一個(gè)開口系統(tǒng)來說，這時(shí)除了系統(tǒng)和外界間傳遞的熱量和功量保持穩(wěn)定不變外，在系統(tǒng)內(nèi)各處及進(jìn)口、出口截面處，工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和流速、流量均保持不變。這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過程，或在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，因開口系統(tǒng)內(nèi)各處的狀態(tài)保持穩(wěn)定，故系統(tǒng)又因進(jìn)、出口處工質(zhì)的質(zhì)量流量qm1、qm2以及系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量qm均保持穩(wěn)定，于是可得到穩(wěn)定流動(dòng)過程的連續(xù)性方程式為qm1＝qm2＝qm＝常量(2-7)該式說明：穩(wěn)定流動(dòng)過程中，工質(zhì)始終穩(wěn)定地以一定的流量經(jīng)過根據(jù)開口系統(tǒng)的能量方程式(2-6a)，在穩(wěn)m[(u2-u1)＋(p2v2－p1v1)按每1kg工質(zhì)流過開口系統(tǒng)時(shí)的能量平衡關(guān)系來表示穩(wěn)定流動(dòng)能上述兩式說明：穩(wěn)定流動(dòng)過程中，系統(tǒng)接受的熱量，一部分用于對(duì)外輸出軸功及凈推動(dòng)功，另一部分則用于使流過系統(tǒng)的工質(zhì)增穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可應(yīng)用于任何穩(wěn)定流動(dòng)過程，甚至對(duì)于連續(xù)工作的周期性動(dòng)作的能量轉(zhuǎn)換裝置，只要在平均單位時(shí)間所作的軸功、吸熱量以及工質(zhì)的平均流量為常量，雖然它內(nèi)部工質(zhì)的狀態(tài)及流動(dòng)情況是變化的，但這種周期性的變化規(guī)律不隨時(shí)間而變，所以仍然可以利用穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式分析其能量轉(zhuǎn)換關(guān)開口系統(tǒng)的熱力學(xué)分析中經(jīng)常遇到u＋pv這個(gè)量。由于p、v及u都是狀態(tài)參數(shù)，故u＋pv這個(gè)量也是狀態(tài)參數(shù)，并可用h表h為1kg工質(zhì)的焓，稱為比焓(質(zhì)量焓)，習(xí)慣上有時(shí)也常稱為式中，H是質(zhì)量為m(kg)的工質(zhì)的焓，焓是狀態(tài)參數(shù)，因此它也可表示為任意兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)來說，如前所述，pv表示用于推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)的推動(dòng)功，它總是伴隨著工質(zhì)流動(dòng)而一起進(jìn)入或離開系統(tǒng)。當(dāng)然，流動(dòng)工質(zhì)本身具有工質(zhì)內(nèi)部儲(chǔ)存的熱力學(xué)能。因此由流動(dòng)工質(zhì)的熱力學(xué)能及促使工質(zhì)流動(dòng)的推動(dòng)功兩者所組成的焓，可認(rèn)為是流焓并不能看作是工質(zhì)儲(chǔ)存的能量。由圖2-3所示系統(tǒng)可以看出。當(dāng)有微元工質(zhì)δm進(jìn)入該開口系統(tǒng)時(shí)，帶入系統(tǒng)的能量有微元工質(zhì)的熱力學(xué)能uδm及外界所作的推動(dòng)功pvδm。系統(tǒng)中能量的變化為熱力學(xué)能增加了dU0。因而按照熱力學(xué)第一定律，該這就是說，微元工質(zhì)帶入系統(tǒng)的焓，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)工質(zhì)的熱力學(xué)能而儲(chǔ)存于系統(tǒng)。反之，若有微元工質(zhì)離開系統(tǒng)，則微元工質(zhì)所帶走的焓，也將由系統(tǒng)工質(zhì)的熱力學(xué)能轉(zhuǎn)換而成。因此，熱力學(xué)能是工質(zhì)內(nèi)部儲(chǔ)存能量的唯一形式，而焓則是隨工質(zhì)流動(dòng)跨越邊界根據(jù)能量方程式(2-4b)，對(duì)于無耗散的準(zhǔn)該式普遍適用于各種無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程，是熱力學(xué)第一定律能在穩(wěn)定流動(dòng)的情況下，開口系統(tǒng)和外界間傳遞的軸功保持穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可以得到軸功與先通過工質(zhì)容積膨脹而以容積變化功的形式轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的。如把此式代入式(2-10)，便可得穩(wěn)定流動(dòng)過程中工質(zhì)狀態(tài)變化為無-g(z2－z1)(2-10a)該式說明：穩(wěn)定流動(dòng)過程中開口系統(tǒng)所作軸功，是工質(zhì)受熱而得到的相當(dāng)于容積變化功的機(jī)械能，在扣除了推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)的凈推EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up3(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up3(2),f1)等式右側(cè)負(fù)號(hào)說明當(dāng)壓力增高即dp為正時(shí)技術(shù)功為負(fù)，即外界對(duì)開口系統(tǒng)作技術(shù)功。反之，壓力降低即dp為負(fù)時(shí)技術(shù)功為正，系在p-v圖上，-vdp也如pdv一樣可用圖上的面積表示。如圖2-4所示，在過程線1-2上任取一微段a-b，可以認(rèn)為該微段曲線a-b左側(cè)的陰影面積即等于－vdp；并按照積分關(guān)系可知，曲線1-2左側(cè)的面積等于-vd在許多情況下，能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的進(jìn)口和出口的離地高度相差不大，兩處工質(zhì)的流速也較相近，所以進(jìn)、出口工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能的變化可以忽略不計(jì)。于是，由式(2-12-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式應(yīng)用舉例這類設(shè)備的主要任務(wù)是傳遞熱量，如鍋爐、燃燒室、太陽能集熱器、空氣加熱器、熱水器、冷卻器及散熱器等各種熱交換器都屬此類，其示意圖如圖2-5所示。它們wsEQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f1)1即系統(tǒng)接受的熱量等于工質(zhì)的焓的增量，反渦輪機(jī)中工質(zhì)膨脹而輸出軸功；壓氣機(jī)中消耗軸功壓縮工質(zhì)，其示意圖如圖2-6所示。它EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f1)，Z21即在渦輪機(jī)中依靠工質(zhì)的焓降而噴管中工質(zhì)降壓膨脹而獲得高速，其示意圖如圖2-7所示。工質(zhì)流過管道中截面突然縮小的部分而發(fā)生壓力降低的現(xiàn)象稱為絕熱節(jié)流，其示意圖如圖2-8所示。這種流動(dòng)的EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(2),f1)其空氣消耗量qm,a＝100kg/s。壓氣機(jī)入口空氣的焓h1＝290kJ/kg，出口的壓縮空=580kJ/kg；在燃燒室中壓縮空氣和燃料混合燃燒，燃燒生成的高溫燃?xì)獾撵蔴3＝1250kJ/kg；高溫燃?xì)馑腿霚u輪機(jī)中膨脹作功，作功后排出廢氣的焓h4＝780kJ/kg。試求：(1)壓氣機(jī)消耗的功率；(2)燃料的發(fā)熱量為43960kJ/kg時(shí)的燃料消耗量；(3)(2)若忽略燃料的質(zhì)量，而按燃?xì)夂涂諝獾牧髁肯嗤?jì)算，則加熱1kg(4)燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率等于渦輪機(jī)發(fā)出的功率及壓氣機(jī)消耗功率之=1.80×104kW例2-4如圖2-10所示，有一儲(chǔ)氣罐，初始時(shí)其內(nèi)部為真空，現(xiàn)連接于輸氣管道進(jìn)行充氣。假設(shè)輸氣管內(nèi)空氣的狀態(tài)始終保持穩(wěn)定，其焓為h。經(jīng)過Δτ時(shí)間的充氣后，儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣的質(zhì)量達(dá)到m0，試求此時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)輸氣管向系統(tǒng)充氣的空氣流量為qm，則按質(zhì)量守恒定律的連續(xù)性方程式，儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣質(zhì)量m和流設(shè)送氣時(shí)間為Δτ=τ2-τ1，則按此時(shí)間段積分上式得為了分析儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣熱力學(xué)能的變化，需要按開口系統(tǒng)能量方程式求解。在送氣過程中，工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能可以忽略不計(jì)，且系統(tǒng).所以，根據(jù)式(2-6a)可把輸氣過程中系統(tǒng)能EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(τ),τ)τEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(τ),τ)qmdτ=m0，及τ=τ1時(shí)U＝0，代入上式可以得到Q=△U＋W設(shè)式中各項(xiàng)可任意改變其正負(fù)號(hào)，試說明相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并舉一二dU+δW，dU＋pdV，dU＋d(pV)2-5何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過程？試分析該過程中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)2-6一個(gè)充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆2-7一個(gè)絕熱材料所制成的小瓶內(nèi)盛有氣體，而小瓶放置在絕熱材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不嚴(yán)，瓶內(nèi)氣體慢慢逸出容器，直至瓶內(nèi)、外氣體壓力相同為止。試分析漏氣停止時(shí)下述三部分在漏氣過程中所2-1一輛汽車在1.1h內(nèi)消耗汽油37.5L，已知通過車輪輸出的功率為2-2一臺(tái)工業(yè)用蒸汽動(dòng)力裝置，每小時(shí)能生產(chǎn)11600kg蒸汽，而蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功輸出的功率為3800kW。如果該裝置每小時(shí)耗煤1450kg，煤的發(fā)熱量為30000kJ/kg，而在鍋爐中水蒸氣吸收的熱量為2550kJ/kg。試求：(1)鍋爐排出廢煙氣帶走的能量；(2)汽輪機(jī)排出乏汽帶2-3夏日室內(nèi)使用電扇納涼，電扇的功率為0.5kW，太陽照射傳入的熱量為0.5kW。當(dāng)房間密閉時(shí)，若不計(jì)人體散出的熱量，試求室內(nèi)空氣每2-4某車間中各種機(jī)床的總功率為100kW，照明用100W電燈50盞。若車間向外散熱可忽略不計(jì)，試求車間內(nèi)物體及空氣每小時(shí)熱力學(xué)能的變2-5人體在靜止情況下，每小時(shí)向環(huán)境散發(fā)的熱量為418.68kJ。某會(huì)場可容納500人，會(huì)場的空間為4000m3。已知空氣的密度1.2kg/m3，空氣的比熱容為1.0kJ/(kg·K)。若會(huì)場空氣溫度允許的最大溫升為15℃,試求會(huì)2-6有一個(gè)熱力循環(huán)，在吸熱過程中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?800J，在放熱過程中工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧?080J，又在壓縮工質(zhì)時(shí)外界消耗700J，2-7一個(gè)熱機(jī)循環(huán)由1-2、2-3及3-1三個(gè)過程組成。已知Q1-2＝10kJ，Q2-3＝30kJ，Q3-1＝－25kJ；ΔU1,2＝20kJ，ΔU3,1＝－20kJ，試求2-8為保持冷藏箱內(nèi)的低溫不變，必須把環(huán)境傳入的熱量取出。若驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)所需的電流為3A，電源電壓為220V(假設(shè)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)已提高到1)，制冷機(jī)每小時(shí)排出的熱量為5024kJ，試求由環(huán)境傳入冷藏箱的熱2-9一熱交換器利用內(nèi)燃機(jī)廢氣加熱水。若熱交換器中氣和水的流動(dòng)可看作穩(wěn)定流動(dòng)，且流動(dòng)動(dòng)能及重力位能的變化可忽略不計(jì)。已知水受熱后每秒鐘焓增加了25kJ，試分析熱交換器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并求廢氣焓值2-10一臺(tái)鍋爐每小時(shí)生產(chǎn)水蒸氣40t，已知供給鍋爐的水的焓為417.4kJ/kg，而鍋爐生產(chǎn)的水蒸氣的焓為2874kJ/kg。煤的發(fā)熱量30000kJ/kg。若水蒸氣和水的流速及離地高度的變化可忽略不計(jì)，試求當(dāng)燃燒產(chǎn)生的熱量用于產(chǎn)生水蒸氣的比率即鍋爐效率為0.85時(shí)，鍋爐每小時(shí)的耗煤2-11有一臺(tái)空氣渦輪機(jī)，它所應(yīng)用的壓縮空氣的焓為310kJ/kg，而排出空氣的焓為220kJ/kg。若空氣的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)過程，且進(jìn)、出口處2-12有一水槽，槽內(nèi)使用一個(gè)泵輪以維持水作循環(huán)流動(dòng)。已知泵輪耗功20W，水槽壁和環(huán)境溫度的溫差為ΔT，而槽壁和環(huán)境間每小時(shí)的熱交換量為{q}kJh=10.5{ΔT}K①。若環(huán)境溫度為20℃,試求水溫保持穩(wěn)定時(shí)2-13設(shè)某定量氣體為一閉口系統(tǒng)，若令該系統(tǒng)分別進(jìn)行一個(gè)定壓過程及一個(gè)定容過程，而兩過程中系統(tǒng)焓的變化相同。已知系統(tǒng)熱力學(xué)能按2-14某壓氣機(jī)所消耗的功率為40kW，壓縮前空氣的壓力為0.1MPa、溫度為27℃,壓縮后空氣的壓力為0.5MPa，溫度為150℃。已知空氣熱力學(xué)能變化的關(guān)系式為{ΔU1,2}kJ/kg=0.716({T2}K-{T1}K)，若壓縮過程中空氣和外界沒有熱交換，且進(jìn)、出口流動(dòng)動(dòng)能和重力位能的變化可忽2-15氣缸中空氣組成的熱力系統(tǒng)如圖2-11所示。氣缸內(nèi)空氣的容積為800cm3，溫度為20℃,壓力和活塞外側(cè)大氣壓力相同，為0.1MPa?，F(xiàn)向空氣加熱使其壓力升高，并推動(dòng)活塞上升而壓縮彈簧。已知活塞面積為80cm2，彈簧系數(shù)為k=400N/cm，實(shí)驗(yàn)得出的空氣熱力學(xué)能隨溫度變重量可忽略不計(jì)，試求使氣缸內(nèi)空氣壓力達(dá)到0.32-16一真空容器，因密封不嚴(yán)外界空氣逐漸滲漏入容器內(nèi)，最終使容器內(nèi)的溫度、壓力和外界環(huán)境相同，并分別為27℃及101325Pa。設(shè)容器的容積為0.1m3，且容器中溫度始終保持不變，2-17有一壓縮空氣儲(chǔ)氣罐，容積為3m3。由于用戶消耗氣壓由3MPa①這是國家標(biāo)準(zhǔn)GB3103-93規(guī)定的數(shù)值方程式的表示方法。降為1.2MPa。假設(shè)氣體的比熱力學(xué)能僅為溫度的函數(shù)，供氣過程中罐內(nèi)氣體的溫度保持和環(huán)境溫度相同，且氣流速度不高可忽略不計(jì)，試求供氣過試證：當(dāng)氣體經(jīng)過一個(gè)無耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)絕

熱力學(xué)第一定律的能量方程式建立了熱力過程中能量平衡的基本關(guān)系。但是，能量轉(zhuǎn)換總是通過工質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，而不同性質(zhì)工質(zhì)的狀態(tài)變化特性是不相同的。因此，工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)的研究乃是熱力學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。從實(shí)際應(yīng)用來說，為了求解工程技術(shù)問題，也必須知道工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓、熵及比熱容等各種計(jì)算公式。本章將討論理想氣體及理想氣體混合物的3-1理想氣體的熱力學(xué)能和焓理想氣體的熱力學(xué)能的性質(zhì)，是1845年焦耳通過著名的焦耳實(shí)驗(yàn)確定的。其實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖3-1所示。兩個(gè)有閥門的相連的金屬容器，放置于一個(gè)有絕熱壁的水槽中，兩容器可以通過其金屬壁和水實(shí)現(xiàn)熱交換。實(shí)驗(yàn)前先在A中充以低壓的空氣，而將B抽成真空。當(dāng)整個(gè)裝置達(dá)到穩(wěn)定時(shí)先測(cè)量水(亦即空氣)的溫度，然后打開閥門，讓空氣自由膨脹充滿兩容器，當(dāng)狀態(tài)又達(dá)到穩(wěn)定時(shí)再測(cè)量一次溫度。測(cè)量結(jié)果表明：空氣自由膨脹 前后的溫度相同。若把空氣取 作一個(gè)閉口系統(tǒng)，則按實(shí)驗(yàn)情 況，兩金屬容器為剛性容器， 則氣體不可能對(duì)外作功，而系 統(tǒng)從作為外界的水所得到的熱 量亦為零。因此，按照熱力學(xué) 第一定律的能量平衡關(guān)系，自由膨脹前后，雖然氣體的容積和壓力都有變化，但系統(tǒng)的熱力學(xué)能不變。從而說明：只要空氣的溫上述實(shí)驗(yàn)只有當(dāng)空氣處于低壓狀態(tài)，而可以認(rèn)為它具有理想氣體的性質(zhì)時(shí)溫度才不變。用其它氣體做實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相同，因而上述結(jié)果可視為理想氣體的共同屬性，即理想氣體的比熱力學(xué)能僅僅和溫度有關(guān)，而和壓力及比體積無關(guān)。理想氣體的這一性u(píng)=f(T)按照氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說關(guān)于理想氣體的假說，其分子間沒有根據(jù)理想氣體比熱力學(xué)能的這個(gè)性質(zhì)，對(duì)于同一種理想氣體，只要有相同的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，任何如圖3-2所示，2、3、4、5各點(diǎn)有相同的溫度，則由點(diǎn)1至各點(diǎn)的過程中，比熱力學(xué)能的變化都和定容過程1-2中比熱力學(xué)能的變化相同。按能量方程式并考慮比熱容的定義，可知(du)V=(δq)V=cVdT若用cV0表示理想氣體的比定容熱容，則對(duì)于理想氣體來只要知道比定容熱容cV0隨溫度變化的關(guān)系，便可利用上述公式于是對(duì)于同一種理想氣體，只要有相同的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，任何過程中其比焓的變化都相同。如圖3-2所示的各過程，其比焓的變化都和定壓過程1-5中比焓的變化相同。按能量方程式并若用cp0表示理想氣體的比定壓熱容，則對(duì)只要知道cp0隨溫度而變化的關(guān)系，便可利用上述公式計(jì)算理想熱力學(xué)計(jì)算中，一般只求比熱力學(xué)能和比焓的變化，而不必確定其絕對(duì)數(shù)值，故可人為地規(guī)定某狀態(tài)下比熱力學(xué)能或比焓的數(shù)值為零。通常規(guī)定熱力學(xué)溫度T為0K時(shí)的熱力學(xué)能u0為零，即理想氣體的比熱力學(xué)能及比焓僅為溫度的函數(shù)，于是可根據(jù)熱容的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及上述公式求得各種氣體在不同溫度下的比熱力學(xué)能及比焓的數(shù)值，制成理想氣體狀態(tài)下各種氣體的熱力性質(zhì)表。利用表中所列數(shù)值便可準(zhǔn)確地求取任意兩溫度間理想氣體比熱力學(xué)能和比焓的變化。本書附錄中附有幾種常用氣體的熱力性質(zhì)表，3-2理想氣體的比熱容物質(zhì)性質(zhì)的重要熱力學(xué)參數(shù)之一，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在熱力學(xué)分析 按照比熱容的定義，在沒有耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程中，可得到比定容熱容(質(zhì)量定容熱容)和比定壓熱容(質(zhì)量定壓熱容)的表根據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量方程式(2-4")及比熱力學(xué)能的全微分即比定容熱容等于單位質(zhì)量的物質(zhì)在定容條件下溫度升高1K時(shí)比熱力學(xué)能增加的數(shù)值。比熱力學(xué)能是物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，而由上式可知，比定容熱容也是僅和物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)。由于原來按熱量定義熱容時(shí)未能直觀地反映這個(gè)性質(zhì)，因而常直接應(yīng)即比定壓熱容等于單位質(zhì)量的物質(zhì)在定壓條件下溫度升高1K時(shí)比焓增加的數(shù)值。比焓是物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，而由上式可知，比定壓熱容也是僅和物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)，因而常直接應(yīng)用式理想氣體的比熱力學(xué)能和比焓僅是溫度的函數(shù)，如前所述其即在任何過程中，單位質(zhì)量的理想氣體的溫度升高1K時(shí)比熱力學(xué)能增加的數(shù)值即等于其比定容熱容的值，而比焓增加的數(shù)值即式。對(duì)于理想氣體，可以得到幾個(gè)簡單又很有用的關(guān)系式。根據(jù) 式中R為常量，等于8.314510J/(mol·K)。上述兩式說明，理想根據(jù)理想氣體的比熱容公式(3-5)及(3-6)，因?yàn)槔硐霘怏w的通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把理想氣體狀態(tài)下各種氣體的熱容表示成EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up1(′),0)對(duì)于不同的氣體，a0、a1、a2、a3各有一定的值。按比定壓和比定容熱容的關(guān)系式(3-7)可知a0－aEQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up1(′),0)＝Rg。書后附表2中列定溫度范圍內(nèi)，按照這些公式計(jì)算得到的任意指定溫度下氣體摩爾熱容的數(shù)值，稱為真實(shí)摩爾熱容值。將該經(jīng)驗(yàn)公式代入式(3-熱工計(jì)算中，為了簡化運(yùn)算過程，常采用平均比熱容值EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)表3-1理想氣體狀態(tài)下氣體的平均定壓熱容cp,mEQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)N220------------------------------------------EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0) EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)0------------------------------------------利用平均比熱容，便可把計(jì)算比熱力學(xué)能變化及比焓的變化時(shí)所表3-1，表3-2列有理想氣體狀態(tài)下各種常用氣體的平均比定壓熱實(shí)用中，在定性地分析或計(jì)算時(shí)，為了簡化運(yùn)算過程比熱容看作定值，并把25℃時(shí)理想氣體狀態(tài)下各種氣體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定為定值比熱容的值。書后附表1中列有常用氣體的定值例3-1水力測(cè)功器用于測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)測(cè)功器轉(zhuǎn)子攪動(dòng)機(jī)殼中的水而消耗功時(shí)，水獲得能量而溫度升高。設(shè)水流過測(cè)功器時(shí)的允許溫升最多不超過40℃。已知所測(cè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為80kW，試求流qm(h1?h2)h2－h(huán)1＝cpdT＝cp(T2－T1)例3-2在空氣加熱器中，空氣的溫度從27℃升高到327℃,而壓力保持不變。試求加熱1kg空氣所需的熱量：(1)按定值比熱容容隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；(3)按平均比熱容表計(jì)算；(4)按空氣熱力 q1-2＝h2－h(huán)1＝cp0dT①由附表1查得空氣的比定壓熱容為1.004kJ/(kg·K)，因而可得加熱1kg=309J/g＝309kJ/kg=1.0212kJ/(kg·K)×327K－1.0045kJ/(kg·K)×27K=306.81kJ/kg由附表3得到：T1＝300K時(shí)h1＝300.19kJ/kg；①若空氣是在穩(wěn)定流動(dòng)情況下流過加熱器，則當(dāng)流動(dòng)動(dòng)能及重力位能的變化可忽略不計(jì)時(shí)，因加熱器無軸功輸出，故按穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式也可得到和該式完全一致的結(jié)果。數(shù)據(jù)及理論計(jì)算制成的，因此按兩者數(shù)據(jù)計(jì)算所得的結(jié)果最精確，且兩種計(jì)算的結(jié)果非常一致。實(shí)際上，由本例的計(jì)算結(jié)果看，即使在取值時(shí)帶入一定誤差，兩者結(jié)果的數(shù)值相差仍在0.1‰的范圍內(nèi)。與這兩種方法的計(jì)算結(jié)果相比，根據(jù)比熱容經(jīng)驗(yàn)公式所得的計(jì)算結(jié)果，其誤差在1%左右；而按定值比熱容計(jì)算，3-3理想氣體的熵在第一章中，根據(jù)熱量和功的類比關(guān)系，說明系統(tǒng)存在一個(gè)可作為狀態(tài)坐標(biāo)的狀態(tài)參數(shù)熵，在閉口可逆的條件下，可計(jì)算系統(tǒng)和外界傳遞的熱量。本節(jié)將利用熵的這一性質(zhì)，來建立在沒有功耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程，即可逆過程中，系統(tǒng)所接受的微量熱量除以系統(tǒng)的溫度所得的商，定義為系統(tǒng)的熵的微式中，下角標(biāo)rev表示可逆過程。如前所述，可逆過程中系統(tǒng)的熵的變化是系統(tǒng)和外界間傳遞熱量的