绪论 能源及热能利用 用来产生各种所需能量的自然资源称为能源。能源是人类赖以生存和发展所必需的燃 料和动力来源,是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础。由于人类不断地开发和 利用各种能源:风力、水力、燃料的化学能、太阳能、地热能和原子核能等,人类社会才 得到发展。从20世纪50年代以来世界各国的国民经济发展来看,各工业发达匡家能源消 费量的增加与国民生产总值的增加成止比关系。听以能源消费水平在一定程度上能够反映 社会生产力的发展水平 我国经济的发展,在很大程度上取决于能源的供应和有效利用,因此能源是国民经济 中的首要问题之一。我国能源资源较为丰富,煤炭的总地质储量约为1.4万亿吨,原煤产 量居世界第一位。已探明的石油地质储量为371亿吨,原油产量已保持在1.3亿吨的水平 居世界第四位。近年来已发现陆上新疆塔里木盆地、青海柴达木盆地、东北松辽盆地、内 蒙二连盆地、河南汉阳以及海上水深200米之内的大陆架的渤海盆地、南黄海盆地、东海 盆地、台湾浅滩、南海珠江口盆地、北部湾盆地和莺歌海盆地等含油气盆地,开发前景良 好。水力资源极为丰富,理论蕴藏量达6.8亿千瓦,居世界首位。其中已探明可供开发利 用的水力能源达3.78亿千瓦,年发电能力达1.9万亿度,但目前只开发利用5%左右,因 而水力资源开发潜力很大。原子核能是一种重要能源,有着广阔的发展前途,我国已探明 的核燃料资源比较丰富,核工业体系已基本建成,为发展核电事业提供了有利条件。已建 成投入运行的有上海秦山核电站、广东大亚湾核电站,台湾省有原子反应堆7座。争200 年我国要建成10套核电机组,装机容量计1000多万千瓦。太阳能、海洋能、风能和地热 能等能源的蕴藏量也很丰富,目前还处于试验开发阶段。必须指出,我国是一个人口众多 的发展中的国家,目前已拥有12亿人口,虽然国土辽阔,资源储量丰富,近年能源产量迅 速提髙,已进入世界前列,但人均能耗水平很低,我国人均商品能耗仅为世界人均能耗平 均值的1/4,而我国还面临仅靠占世界7%的耕地要解决占世界1/4人口的吃饭问题,为实 现跨世纪所规划的经济目标,能源消耗必须与此相适应。因此,能源已成为国民经济发展 的突出的制约因素,必须从我国的国情出发,依靠科学技术,开发与节约并重,这是解决 我国能源问题的根本途径 就目前国际国内技术水平而言,在今后相当长的时期内,主要能源仍将以煤炭、石油 及天然气等矿物燃料为主,也就是利用燃料燃烧所释放的化学能为主,这种燃料的化学能 将转变为燃烧产物的热能,为人类所利用 利用燃料热能的方式有两种。一种是将燃料热能通过各种类型的发动机(热机)及发 电机,使热能转变为机械能或电能。例如桀汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内 燃机等都能实现热能的转换并获得机械能或电能。这是热能利用的重要方式,这种热能的 间接利用方式是极其重要的,是人类文明及生产发展的物质基础。人类自从发明」蒸汽机
之后,就引起了第一次工业革命,使手工作坊式生产走向大规模的工业生产,对人类改造 自然,发挥生产起了重大作用 然而热能的间接利用,还存在着热能转为机械能或电能过程中的有效程度的问题。如 在热力发电厂中,最简单的装置,热能有效利用率只有25%左右,最先进的大型装置也只 能达到40%左右。将有60%~75%的热能无法利用,而排放到大气或江河湖海中去,这部 分无法利用的热能称为废热。再如交通运输中的汽钅、火车、飞机及轮船,热能的有效利 用率更低。这些装置排放到大气中的废气,还带有大量有害物质,它污染了人类赖以生存 的环境。因此,如何在动力装置中提高热能的有效利用率并消除污染,是热能科技工作者 的首要任务。目前正在研究中的大型热能动力装置,如能按理想工况进行运转,有可能将 热能的有效利用率提高到55%。提高热能动力装置的热效率是节约能源的主要目标之 热能利用的另一种方式是热能的直接利用,如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥 及分馏等,又如日常生活中的热水供应及采暖等。工业中的热能直接利用的设备很多,如 各种工业炉窑、工业锅炉、各种加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。在这些热能直接利 用的设备中也存在着换热效率问题。如何提高换热设备的换热效率也是当今的重要研究课 题,因为热能的直接利用所消耗的燃料也占有较大的比重,在这方面节约燃料的消耗也是 十分重要的。 国民经济的发展,离不开燃料热能的间接利用和直接利用,然而地球上的矿物燃料资 源毕竞有限,如何提高热能的有效利用率,减少燃料的消耗量,不仅是我国科技界的重大 课題,也是一个世界性的学术问题。因此,对物质热力性质、热能转换及热量传递规律的 研究,具有十分重要的意义 工程热力学的研究对象及主要内容 自从18世纪工业革命大量使用蒸汽机后,人们就不断地探索研究热能的本质以及如何 提高蒸汽机的热效率等一系列有关热现象的问题,并在19世纪中叶先后建立了热力学第 定律及热力学第二定律。当时热力学的研究范围仅局限于热能与机械能之间的转换关系,随 着工业的发展与科学技术的进步,热力学研究的范围已涉及到化工、冶金、冷冻、空调以 及近代的低温、超导、电磁及生物等各个领域。由于热力学的应用范围随着科学技术的发 展日益扩大,因而如何来定义热力学的研究对象是一个比较复杂的问题。但我们可以概括 地认为;热力学是研究物质的热力性质,能量和能量之间相互转换的一门基础理论学 科 工程热力学属于应用科学(工程科学)的范畴,是工程科学的重要领域之一。工程热 力学是从工程的观点出发,研究物质的热力性质、能量转换以及热能的直接利用等问题。它 是设计计算和分析各种动力装置、制冷机、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理论基 础 工程热力学中有关能量守恒及转换的基本规律是热力学第一定律,它研究热能与其他 各种能量之间的转换关系及热平衡关系。熵是工程热力学中又一重要概念,它提供了分析 研究热力过程方向性与不可逆性的基础,提供了种过程能否进行以及能进行到何种程度 的判据。熵的概念还是分析热能产生最大有用功的理论依据。孤立系统中熵增加的过程可 以进行,而熵减少的过程不能进行,这一结论概括了热力学第二定律的实质
根据以上分析,丁程热力学主要内容大致可分为两个方面:基本理论部分及基本理论 的应用部分 基本理论部分包括工质的性质、热力学第一定律及热力学第二定律等内容。 能量转换具有方向性与不可逆性的基本原因是微观物质运动的形态由有序运动向无序 运动的不可逆转性。热能是分子无序运动的能量是一种低级能.其品质较低。其他形式 的能量,如宏观动能、位能、机械能及电能都属于有序运动形式的能量,是一种高级能,其 品质较高。无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是有区别的。无序运动的热能不能 无条件地转变为有序运动的能量,但有序运动能量的转换不存在条件的问题。热力学基本 理论将研究无序运动的热能与有序运动能量之间的转换条件及转换限度等问题。 能量除数量外还有转换能力的大小或质的差别,即能量具有量与质的双重属性。能量 在转换时在量与质两个方面遵循不同的客观规律。热力学第一定律从能量的数量出发,指 出在能量转换过程中能量的总量守恒。热力学第二定律从能量的质的属性出发.指出在能 量转换过程中,能量的质要贬降,即能量的品质要降低要贬值。在孤立系统中,随着过程 的进展,能量的总和虽然守恒,但能量的品质却不断下降,可用能贬值为无用能。这两个 定律从量与质两个方面揭示了能量在转换及传递过程中的客观规律,是热力学研究的理论 基础。参数畑的概念将可用能损失与熵联系起来,奠定了热力学第一定律与第二定律结合 研究的基础。为热能有效利用与节能技术指出了正确的方向。 基本理论的应用部分主要是将热力学基本理论应用于各种热力装置的工作过程,并对 气体和蒸汽循环、致冷循环、热泵循环、喷管及扩压管等进行热力分析及计算,探讨影响 能量转换效果的因素以及提高转换效率的途径与方法等。 热力学的研究方法 热力学有两种研究方法:一种是宏观方法,即经典热力学方法;另一种是微观方法,即 统计热力学方法。宏观方法的特点,是把物质看作是连续的整体,从宏观现象出发,对热 现象进行直接观察和实验,从而总结出自然界的一些普遍的基本规律,这些规律就是热力 学第一定律和热力学第二定律。然后再以这些定律为基础演绎推论而得到具有高度普遍性 的结论。因此,宏观方法所得的结论是人类通过长期观察自然界的经验总结,它的正确性 为无数经验所证明。宏观方法所得的规律是可靠的和具有普遍意义的,工程热力学主要采 用宏观方法。但宏观方法也有不足之处,宏观方法无法解释热现象的本质,不能解释微观 物质结构中个别分子的个别行为,也不能预测物质的具体特性 微观方法的特点,是从物质内部微观结构出发,借助物质的原子模型及描述物质微观 行为的量子力学,利用统计方法去研究大量随机运动的粒子,从而得到物质的统计平均性 质,并得出热现象的基本规律。微观方法从物质内部分子运动的微观机理方面更深刻地解 释热现象的本质,从而进一步解释物质的宏观特性。统计热力学还能解释经典热力学不能 解释的比热理论,嫡的物理意义及熵增原理等物理本质。但微观方法也有其局限性,由于 微观理论所采用的物质结构的物理模型只是物质实际结构的近似,所得结果往往与实际并 不完全一致。微观方法要以繁杂的数学为工具,它的结论又不及宏观方法的可靠,因而在 应用上受到一定的限制。 四、本书采用的单位 国务院已于1984年2月27日发布《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》。我国
法定计量单位基本上采用同际单位制,其国际代号为SI。要求在1990年前过渡完毕,从 1991年开始在全国实行。有关《中华人民共和国法定计量单位》可参阅国务院公布的文件 本书一律采用国务院公布的法定计量单位,但考虑到目前国内某些使用的仪表、手册及书 籍等实际情况,在本书附录中将列出各种单位制之间的换算附表5及附表6以备查用
第一章基本概念 本章固绕能量转换过程、工质状态及状态变化、热力学研究方法等内容,讨论热力系 统、状态特性、热力过程、循环以及功和热等基本概念,为后续内容奠定基础 第一节热力系统 选取热力系统是热力学分析方法中的首要步骤,选定了热力系统就明确了研究对象所 包含的范围和内容,同时也清楚地显示出它与周围事物的相互关系,便于针对热力系统建 立定性和定量的关系 系统、边界与外界 系统:为了便于研究与分析问题,将所要研究的对象与周图环境分隔开来,这种人 为分隔出来的研究对象,称为热力系统,简称系统。如图1-1所示,气缸中虚线包围的气体 就是我们的研究对象,则气体便是热力系统。 2.边界:分隔系统与外界的分界面,称为边界,其作用是确定研究对象,将系统与外 界分隔开来 真空气紅 系统 假想边界 图1-1热力系统 图1-2边界可变形系统 系统的边界可以是实际存在的,也可以是假想的;可以是固定不变的,也可以是运动 的或可变形的。如图1-1中的边界就是气缸壁及活塞端部表面等实物界面相一致的实际边 界。又如图1-2,一个真空的容器,当与外界连接的门打开时,外界空气在大气压力作用 下将流入容器,直至它们的压力与外界大气压力平衡为止。我们可以把大气中流入容器的 那部分空气用一个假想的边界从大气中划分出来,那么,容器内壁以及假想的边界所包围 的空气便是我们研究的热力系统。当阀门打开后,随着空气流入容器,假想的边界受外界 空气压缩,这时边界及整个系统都发生收缩 3.外界:边界以外与系统相互作用的物体,称为外界或环境。系统与外界相互作用通 常有3种形式,即功、热和物质的交换,于是可以设想外界存在能够分别接受或给予系统 热量、功量和质量的热力源或物体。如系统的外界是大气环境,则可看作是热容量为无限
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