工程热力学

第1章 热能转换的基本概念 热力学的建立经历了漫长的过程，在此过程中涌现了诸多基本的概念和术语，掌握这些基本的概念和术语有助于我们更深入地认识热力学的基本规律.热力学在对热现象、热过程进行研究时，首先要对研究对象进行抽象，建立能够描述研究对象特点的必要的基本参数，这些参数不但能在宏观上表达研究对象的特点，还能在定量上描绘研究对象与环境或与其他研究对象之间关系的特点；然后，采用能够反映事物本质特征的研究方法，特别是现代数学方法，建立起这些基本参数之间的简明的相互变化关系.热力学的许多概念或术语正是在这一过程中产生的. 1.1 热力系统环境边界 1.1.1 热力系统 简单来说，热力系统就是我们要研究的对象.它可以是一个简单的自由物体，也可以是一座非常复杂的化学炼油厂，还可以是封闭在刚性罐子里的一定量的物质.总之，它是一定边界范围内的特定物质或是几种物质的组合，是我们想要了解的对象.当然，这个对象是可以变化的，包括它的质量、形状和容积，因此产生了具有各种特点的热力系统. 一般来说，系统总是处在变化发展过程中的，它要通过边界与环境发生作用，产生质能的交换.根据系统与环境交换质能的特点或系统状态变化的特点，可以大致对系统进行分类，方便理解或称呼. 控制质量系统与控制容积系统.如果只针对特定质量的系统进行研究，那么在运动、变化和与外界相互作用过程中，这个系统的质量始终保持不变，则称为控制质量系统.另外，如果只针对特定区域内的物质进行研究，划定某区域作为研究对象，那么这个区域就叫做控制容积，质量可以通过边界进出这个控制容积，此类系统叫控制容积系统. 闭口系统.与环境没有物质交换的系统称为闭口系统.此时，系统的边界是封闭的，没有物质量穿越边界与环境交换，因此系统的内部始终保持相同的物质量.闭口系统虽然不与环境交换物质，但可以交换其他能量，比如功和热.由于系统内部质量不变，所以封闭系统是典型的控制质量系统，通常用控制质量的方法研究.如图1.1所示是一段被气缸和活塞封闭在其中的气体，如果以这段气体作为我们的研究对象，由于它的质量始终没有变化，所以它是典型的闭口系统. 开口系统.与环境有物质交换的系统称为开口系统.与闭口系统对应，此时系统的边界是开放的，物质可以穿越边界与环境交换，系统内部的物质量不能保持恒定.为了研究方便，这时一般选择对某一区域内的物质进行研究，这样的开口系统可看作控制容积系统，可用控制容积方法进行研究.开口系统除了可以与环境交换物质外，还可以交换能量，比如功和热.如图1.2所示，一个汽轮机系统，由于始终有工质进出，所以它是典型的开口系统.还有水泵、压气机、换热器和管道等，也都属于开口系统. 图1.1 一个典型的封闭系统 图1.2 一个典型的开口系统 孤立系统.不与环境交换任何物质和能量的系统.它是一种特殊的封闭系统，不与环境发生任何相互作用. 绝热系统.不与环境交换热量的系统.绝热系统可以是闭口系统或者开口系统，它只是不允许热量越过边界与环境交换. 宏观系统与微观系统.热力学研究的对象是多种多样的，大到宏观宇宙，小到分子原子，都可能是热力学研究的对象，所以热力学系统也分宏观系统与微观系统.从宏观上研究系统，关心的是系统的总行为，比如总交换功和总传热等，这一般被认为是经典热力学范畴.尽管分子结构等微观参数会对系统的行为产生影响，但经典热力学主要还是通过考察系统宏观特征来评价系统的行为.从微观上考察热力学体系，比如统计热力学，是直接与物质的结构有关的，目的是探索组成系统粒子的平均行为.近年来，激光、等离子体、高速气流、化学动力学、极低温等领域的发展极大地促进了统计热力学的发展.特别是量子热力学系统的提出，极大地丰富了热力学的研究内涵.但本书的主要内容仍然归于经典热力学体现，主要关心的是系统的宏观性质. 工质.简单地说，工质是用来实现能量相互转换的媒介物质.任何系统中都包含工质，它是系统能量的载体，由它来体现系统的宏观性质.一般来说，物质在不同温度下会呈现出三种不同的状态：气态、液态和固态，也称气相、液相和固相.随着温度发生变化，相与相之间是会发生变化的，即产生相变.当多种相共存时可能会出现相边界，会对热力学系统的性能产生影响.注意，物质的相与物质的纯度不是一回事，比如氧气和氮气混合可以形成单一的气相，又比如水和酒精混合形成单一的液相.但是，水和油不易混合，就可以形成两种液相. 纯物质.由单一化学成分组成并且内部均匀的物质，称为纯物质.纯物质可以呈现多种相的状态，但在每一种相态内部，它的化学组成是相同的.比如液态水和水蒸气组成的两相系统，由于化学组成单一，仍然可以被当作纯物质系统.有时为了简单化处理问题，将由均匀气体混合组成的系统也当作纯物质系统，因为它们之间没有化学反应，在一定的温度范围内也不会发生相的变化.值得指出的是，温度对物质特性的影响是非常显著的，有的物质随着温度升高体积膨胀，有的随着温度升高体积反而收缩.这在研究不同温区的系统时是尤其需要注意的.在基础热力学中，如无特别申明，都当作纯物质系统处理. 热源或冷源.仅与外界发生热量交换，而且与外界交换有限热量时不引起内部温度变化.热源或冷源可以认为是一个热容无限大的热力系统，根据温度的高低不同分为高温热源或低温热源.低温热源有时也称为冷源. 上述热力系统的归类与划分，特别是对闭口系统和开口系统的划分是*有意义的，整个基础热力学研究都是围绕这两类系统展开的.在基础热力学中，系统中用来实现能量相互转化的物质称为工质.一般的工质有空气、水蒸气和水等.比如在内燃机中，空气接受燃料燃烧释放的热能，通过膨胀将热转化为功，受热空气就是工质.根据系统发生变化的过程特点，还可以将系统分为定容系统、定压系统和定温系统①等，这些都是为了描述方便.对于由多种工质组成的系统，也可以称为多元系. 1.1.2 环境 任何系统都不可能孤立存在于世界上，它总是处于某个环境中的，因此把系统以外的空间或物质统称为环境，有时也称为外界. 在热力学研究过程中，为了简化研究过程，一般把环境当成一个巨大的冷源或热源，它的温度、压力和比容等参数都不随时间变化，也不因为与系统发生了热功交换而产生变化.总之，可以把环境参数假定为常数. 1.1.3 边界 系统与环境的交界面即为系统的边界.一般来说，边界以方便研究的原则进行划定，它是包围热力系的控制面. 由于实际系统千差万别，也随时间或位置的变化而变化，所以边界的划分也是随着系统的变化而变化的.边界可以是固定的，也可以是移动的，甚至可以是假设的，图1.3给出了几种典型的边界示意图.根据是否有质量或能量穿越边界，还可以将边界分为闭口边界、开口边界和绝热边界等.如果系统在运动变化过程中始终没有质量越过边界，则称为闭口边界；如果有质量越过边界，则称为开口边界；如果不允许热量越过边界，则称为绝热边界. 图1.3 几种典型边界的示意图 1.2 状态状态参数状态方程 1.2.1 状态 热力系统在某一瞬间表现出来的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称为状态.构成系统的物质，一般有气态、液态和固态等形式，在某一瞬间，系统内部的力、热和流动状况等就表现为系统的状态. 热力系可能呈现各种不同的状态，其中特别有意义的是平衡状态.因为处于平衡状态的系统有均匀完整的特性，可以用一些可以测量的指标对它进行描述.所谓平衡状态是指系统在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态.严格来说，这种平衡状态必须是系统内部各部分之间、系统与外界之间的平衡，也称稳定平衡，其特点是系统的各项指标处处相同而且长时间维持不变.一般来说，系统整体处于稳定平衡状态必须满足四个条件：系统内部各处、系统与外界之间都处于力平衡、热平衡、相平衡和化学平衡. 处于平衡状态的热力系，各处应该有均匀一致的温度和压力等参数，对于有相变或化学反应的系统，还必须处处具有相同的化学浓度和化学势.如果系统内部存在温差，则必然有热量从高温物体流向低温物体，系统不可能维持状态不变，因此它不可能处于平衡状态.只有当温差消失，这种驱动热量传递的热不平衡势消除时，系统才能达到热平衡.同样，如果系统内部存在力差，则必然存在引起物体产生宏观位移的趋势，系统内部也不可能实现平衡，只有消除这种力差，系统才能达到力平衡.对于化学反应系统，内部还必须消除相差和化学势差，系统才能完全实现平衡状态. 1.2.2 状态参数 如果一个系统处于平衡态，那么它的宏观状况将在长时间内不发生变化，此时就可以用一些物理指标对它进行描述，而这些用于描述热力系宏观物理状况的量就称为状态参数.不同的状态参数描述热力系在特定方面的性质，因此不同的状态参数有不同的功能和性质，总的来说，可以分为强度量和尺度量(又称广延量)两大类.凡与物质量多少无关的物理量称为强度量，如压力p、温度T和化学势等.与物质量大小成正比的物理量称为尺度量，如体积V、热力学能U、焓H和熵S等.单位质量的尺度量也可以看成强度量，这类强度量在尺度量前面冠以“比”字，代表1kg物质对应的参数值，并用小写字母表示，如比容(有时也叫比体积)v、比热力学能u、比焓h和比熵s等.值得指出的是，在系统处于平衡态时，系统各部分的强度量是相等的. 在基础热力学中，常用的热力学状态参数有六个，即压力、温度、比容、热力学能、焓和熵.对于特殊的热力学系统，它的状态参数可能还包括速率、位置、形状和颜色等，总之，凡是能够描述热力学系统某种特定状态的参数，都叫状态参数.状态参数都是只与状态有关的单值函数，它们的大小只决定于给定的状态，而与到达这一状态的路径和过程无关.亦即是说，状态参数的变化只决定于系统的起始和终了状态，变化量的大小等于终态的数值减去初态的数值，而与系统变化过程中所经历的一切中间过程无关.比如，熵是一个状态参数，当系统从1状态变化到2状态，并已知1状态时的熵为S1，2状态时的熵为S2，那么熵变即为：. 虽然常用的热力学状态参数有六个，但只有比容v、压力p和温度T是可以直接或容易用仪表测量到的，因此把它们当作基本的热力学参数.其他三个，即热力学能U、焓H和熵S，由于需要确定参考点，不容易直接测量到，只能利用可测参数计算得到. 1.比容 单位质量的物质所占有的体积称为比体积，也称为比容，用符号v表示，单位为m3/kg.比容越大，表明物质的分子密度越低，分子之间的距离越大.在热力过程中，如果比容增加，表明工质在膨胀，特别是对气体工质，在热力过程中，比容将有较大变化. 值得指出，描述单位物质量的多少还有一个重要参数：密度，常用表示，单位为kg/m3.事实上，比容与密度互为倒数关系，即.但两者所关注的重点是不同的，比容的关注点在容积，密度的关注点在质量大小. 2.压力 单位面积上承受的垂直作用力称为压力，用符号p表示，单位为N/m2，国际单位制中也把这个单位称为帕斯卡，简称帕(Pa)，即1Pa=1N/m2.由于帕(Pa)这个单位过小，工程上常用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力单位，1kPa=103Pa，1MPa=106Pa.压力是热力系的内部属性，是与功交换有关的强度状态参数.微观上，气体的压力是组成气体的大量分子对热力系边界碰撞的统计平均效果，见图1.4. 图1.4 气体分子碰撞器壁的平均效果 特别值得指出的是，热力学中涉及的所有压力均指物质承受的真正压力，即俗称的绝对压力.在工程中常用压力表或真空表来测定系统压力，但压力表或真空表的读数并不是系统的真正压力，它需要考虑环境的压力.系统的真正压力应该是 (对系统是正压)(1.1) (对系统是负压)(1.2) 这里，是压力表的读数，是真空表的读数，是环境