大的热源(或冷源)和质量为无限大的质源。 闭口系统与开口系统 在热力过程中,系统与外界之间通过边界可以有能量的传递(例如功或热量),也可以 有物质的流入或流出 没有物质穿过边界的系统称为闭口系统,有时又称为控制质量系统。闭口系统的质量 保持恒定,取系统时应把所研究的物质都包括在边界内,如图1-1及图1-2都是闭口系统的 实例 有物质流穿过边界的系统称为开口系统。取系统时只需把所要研究的空间范围用边界 与外界分隔开来,故又称开口系统为控制体积,简称控制体,其界面称为控制界面。热力 工程中遇到的开口系统多数都有确定的空间界面,界面上可以有一股或多股工质流过。如 图1-3便是开口系统的实例 闭口系统与开口系统都可能通过边界与外界发生能量(功和热)的传递 控制界面 热空气 加热器 图1-3开口系统 图1-4孤立系统 三、绝热系统与孤立系统 1.绝热系统:系统与外界之间没有热量传递的系统,称为绝热系统。事实上,自然界 不存在完全隔热的材料,因此,绝热系统只是当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计 时的一种简化模式,热力工程中有许多系统,如汽轮机、喷管等都可当作绝热系统来分析 2.孤立系统:系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统,称为孤立系统。 当然,自然界中各种事物之间或多或少都要发生一定的联系,绝对孤立的东西是不能存在 的。然而,一切热力现象所涉及的空间范围总是有限的,我们把研究对象连同与它直接相 关的外界用一个新的边界包围起来,这个新的、扩大了的边界就是孤立系统的边界,此时, 原系统内部的研究对象及与它相互作用的物体都可以看作孤立系统中的组成部分。由此可 见,一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象为孤立系统。图1-4是闭口系统及其 相互作用外界(热源)构成的孤立系统。 绝热系统与孤立系统虽然都是抽象概念,但它们常能表达事物基本的、主要的一面,反 映客观事物的本质,与实际事物有很大程度的近似性。这种科学的抽象将给热力系统的研 究带来很大的方便。在工程热力学中,我们还会遇到很多从客观事物中抽象出来的基本概 念,如平衡状态、准静态过程和可逆过程等。学中不应该把这些抽象概念绝对化、而应 该把它们看作一种可靠的、科学的研究方法来理解和掌握
还应当指出,系统必须根据实际情况来选择.以能绐解决问题带来方便为猊则。系统 选取方法对研究问题的结果并无影响,仅与解决问题的复杂程度有关,如图1-2是作为边界 可改变的闭口系统提出,但如取气缸为系统,便变成由外界向气缸充气的开讨系统了 四、系统的内部状况 系统内部工质所处的状况通常可有如下不同的形态: .单相系与复柑系:系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的部分称为个相,相 与相之间有明显的界限。由单一物相组成的系统称为单相系,由炳个相以上组成的系统称 为复相系,如固、液、气组成的二相系统 2.单元系与多元素:由…种化学成分组成的系统称为单元系,纯物质就属单元系,例 如,纯水、纯氧、纯氮等,无论它们是单相还是复相都是单元系。由两种以上不同化学成 分组成的系统称为多元,例如,氮气、水和冰组成的混合物属二元系统(即N:和HO)), 化学反应系统及溶液等都属多元系统。但是,对于化学上稳定的混合物,例如,罕气在不 发牛相变时,其化学组成不变,常可当作纯物质对待。 3.均匀系与非均匀系:成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系,否则为非均 匀系。例如:微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器中,那么,水和水蒸气的混合物 为均匀系,如果水在容器底部而水蒸气在其上部,则为非均匀系。 系统性质与其所处的相及成分的数目和系统是否均匀等因素有关。 第二节工质的热力状态及其基本状态参数 一、状态与状态参数 系统与外界之问间能够进行能量交换(传热或作功)的根本原因,在于两者之间的热力 状态存在差异。例如,锅炉中的热量传递足由丁燃料燃烧生成的高温烟气与汽锅内汽水之 间存在着温度差:又如热力发动机中能量的转换是由于热力发动机中的高温高压质与外 界环境的温度、正力有很大的差别。这种温度、压力上的差异标志着工质物理特性数值的 不同。我们把系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况,称为工质的热力状态.简称为 状态。热力状态反映着质大量分子热运动的平均特性。我们把描述工质状态特性的各种 物理量称为工质的状态参数。状态参数是状态的函数,对应一定的状态,状态参数都有唯 确定的数值。工质状态变化时,初、终状态参数的变化值,仅与初、终状态有关,而与 状态变化的途径无关。状态参数的数学特征为点函数,它可表示为 dr 循环积分 式中x·表示质某一状态参数 热力学中常见的状态参数有:温度(')、力(p)、比容(x)或密度()、内能(t),焓(h) 嘀(s)、(ex)、自由能(j)、自由焓(g)等。其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用 仪表测量出来,称为基本状态参数 二、基本状态参数 1.温度
众所周知,两个冷热状况不同的物体相互作用,冷的物体要变热,热的物体要变冷。经 过相当长时间,在没有其他外来影响的情况卜,两物体终将达到相同的冷热状况,即所谓 热平衡状态。实践证明,如两个物体分别和第三个物体处于热平衡,则它们彼此之间也必 然处于热平衡,这一规律称为热力学第零定律。从这一定律可以推论,相互间处于热平衡 的系统必然具有一个在数值上相等的热力学参数来描述这一热平衡的特性,这个参数就是 温度。由此可知,温度是描述平衡热力系统冷热状况的物理量 温度的微观概念表示物质内部大量分子热运动的强烈程度。在物理学中导出了理想气 体热力学温度与分子平移运动平均动能的关系式 (-1) 式中2 分子平移运动的平均动能,其中m是一个分子的质量,是分子平移运动的 均方根速度; B—比例常数; T—气体的热力学温度 工程上常要定量地测定系统的温度,第零定律提供了测温的依据。当被测系统与已标 定过的带有数值标尺的温度计达到热平衡时,温度计指示的温度值就等于被测系统的温度 值 温度的数值标尺,简称温标。任何温标都要规定基本定点和每-·度的数值。國际单位 制(SI)规定热力学温标,符号用T,单位代号为K( Kelvin),中文代号为开。热力学温 标规定纯水三相点温度(即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度)为基本定点,并指定 为273.16K,每1K为水三相点温度的1/273.16。 SI还规定摄氏( Celsius)温标为实用温标,符号用t,单位为摄氏度,代号为℃。摄 氏温标的每1C与热力学温标的每1K相同,它的定义式为: (1-2 式中27315的值是按国际计量会议规定的。可见摄氏温度与热力学温度差值为 273.15K,当t=0C时,T=27315K。两种温标换算,在工程上采用下式已足够准确 T=273+ 2.压力 (1)压力和压力单位:我们取一个充满气体的容器作为系统,其中气体分子总是不停 地作不规则的热运动,这种不耙则的热运动不但使系统中分子之间不断地相互碰撞,同时 也使气体分子不断地和容器壁(即边界面)碰撞,大量分子碰撞器壁的总结果,就形成了 气体对器壁的压力。通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力(也称压强)的大 ,这种压力称为气体的绝对压力。对于理想气体,可以从理论上导出作用于单位面积上 的压力与分子浓度及分子平移运动平均动能之间的关系式 B2 nw_.nBt (1-3) 式中p-单位面积上的绝对压力 分子浓度即单位容积内含有气体的分子数,一÷,其中N为容积包含的气
体分子总数。 式(1-3)把压力的宏观量与微观敏联系起来,阚明了气体压力的本质,并揭小了气体 压力与温度之间的内在联系。 压力的宏观定义式为: 式中F--整个容器壁受到的力,单位为牛顿(N) ∫--容器壁的总面积(m2)。 SI规定压力单位为斯卡(Pa),即1PatN/r 工程上还曾采用其他压力单位,如巴(bar),标准大气压(atm)、工程大气压(a)、毫 米水柱(mmH2O)和毫米汞柱(mnHg)等单位。各种压力单位的换算关系参看附录表5。 (2)相对压力与绝对压力:T程上常用测压仪表测定系统中工质的压力。这些仪表的 结构原理是建立在力的}衡原理上,也就是利用液柱的重力或各种类型弹簧的变形,以及 用活塞上的载重去平衡工质的压力。如图15所示,当用L形压力计测量风机入口段及出 凵段气体的压力时,压力计指示的压力是气体的绝对压力与外界大气压力的差值,称为相 对压力 出冂段 大气压力B 绝对真空 图1-U形压力计测压 图1-6各压力间的关系 由于大气压力随地理位置及气候条件等因素而变化,因此.绝对压力相同的工质,在 不同的大气压力条件下,正力表指示的相对压力并不相同。在本书中如不注明是“相对压 力或表压力”,都应理解为“绝对压力”。绝对压力才是状态参数 图1-5中风机人口段气体的绝对压力小于外界大气压力,相对压力为负压,又称真空 值;风机出口段气体的绝对压力大于外界k气压力,相对压力为止压,又称表压力。如果 气体的绝对压力与大气压力相等,相对压力便为零 绝对压力与相对压力和大气压力之间关系如图1-6所示。 当p>B时 (1-5) <B时 B-H 式中B--当地大气压力; 卢。…高于当地大气压力时的相对压力,称表压力;
-低于当地大气压力时的相对压力,称为真空值 3.比容和密度 丁质所占有的空问称为「质的容积,单位质量I质所占有的容积称为工质的比容、如 工质的容积为V质量为m,那么比容则为 单位容积的工质所具有的质量,称为工质的密度。即 显然,「质的比容与密度互为倒数。即 从式(1-9)可知,比容与密度不是两个独立的状态参数,如者知其-,则另·个也 就确定了。 三、强度性参数与广延性参数 描述系统状态特性的各种参数,按其与物质数量的关系,可分为两类: 1.强度性参数:如温度T,压力p等,系统中单元体的参数值亏整个系统的参数值相 同,与质量多少无关,没有可加性。当强度性参数不相等时,便会发生能量的传递如在温差 作用下发生热量传递,在力差作用下发性功的传递。可见,强度性参数在热力过程中起着推 动力作用,称为义力或势。切实际热力过程都是在某种势差推动下进行的 2.广延性参数:如系统的容积V内能!、焓H和熵S等,整个系统的某广延性参数值等 于系统中各单元体该广延性参数值之和它们与系统中质量多少有关,具有可加性。在热力 过程中,广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用,称为!义位移。如传递热量必然引 起系统熵的变化;系统对外作膨胀功必然引起系统容积的增加 延性参数除以系统的总质量即得单位质量的广延性参数或称比参数,如比容x、比 内能a、比焓h、比熵s等。习惯上除比容外,常将“比”字省略,简称为内能焓、熵等比参数 没有可加性 【例1-1】蒸汽锅炉压力表读值p2=323MPa;凝汽器真空表读值H=95kPa若大 气压力B=101.325kPa。试求锅炉及凝汽器中蒸汽的绝对压力。 【解】锅炉中水蒸气绝对压力 p=B+Pn=1c1.325+3.23×103 =3331.325kPa 在计算高压容器的绝对压力时,如未给出大气压力数值.这时可设B=100kPa,其计 算误差不大,如: P=B+p-100×3.23×10 凝汽器绝对压力: p=B-H101.:25 6.325kPa 如果大气压力取B-100kPa,则凝汽器绝对压力为