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能量转换的基本概念
发布时间:2010/6/8  阅读次数:1771  字体大小: 【】 【】【
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能量转换的基本概念
1.1 基本概念
     1.1.1 热力学系统
把某种边界所包围的特定物质或空间称为热力学系统(thermo system),简称热力系统系统。由此可以建立热量、功以及系统本身间能量在数量上相互转化的关系。
上述的边界就是系统的边界,简称边界(boundary)。边界可以是实际的边界,也可以是假象的,可以是有形的,也可是无形的;可以是固定的,也可是运动和变形的。
系统以外的一切均称外界(surrounding)。
根据热力系统与外界交换能量和质量的情况,热力系统可分为各种不同的类型。
1)一个热力系统如果与外界只有能量交换而无物质交换,则此系统称闭口系统
2)如果热力系统与外界不仅有能量交换,还有物质交换,这样的系统就叫开口系统
3)当一个热力系统与外界之间无热量交换时,这个系统称为绝热系统
4)如果热力系统与外界之间既无能量交换,又无物质交换,这样的系统就是孤立系统
  
1.1.2 工质
系统内的物质称工质。外界传递给工质热量或功,可以使工质所含的能量增加;反之则减少。
从热功转换的角度,可以将工质称为完成热功转换的物质。这是工程热力学上的定义。
  
1.1.3平衡状态
热力系统某一瞬时的宏观物理状态称热力状态,简称状态。系统的状态可以随时间变化,也可以不随时间变化。在没有外界作用的条件下,不随时间变化的状态称平衡状态。即,系统实现平衡状态是有条件的,只有在无外界影响的条件下,系统才能经过一定的时间后出现平衡状态。
各点宏观性质都相同的系统称均匀系统。对非均匀系统,在一定的条件下同样可以出现平衡状态。
平衡系统和均匀系统是两种不同的系统,一个系统可以是平衡系统,但它不一定就是均匀系统。
组成系统的各部分之间没有热量的传递,系统就处于热的平衡;若系统的各部分之间没有相对位移,系统处于力的平衡。同时处于热的平衡和力的平衡,系统就处于热力平衡状态。如果系统内还存在化学反应,则应考虑化学平衡。处于热力平衡的系统,只要不受外界的影响,它的状态就不会随时间变化,平衡也不会自发地破坏。处于不平衡状态的系统,由于各部分之间的传热和位移,其状态将随时间而改变,改变的结果一定是使传热和位移逐渐减弱,直至完全停止,形成一个新的平衡状态。
若系统受到外界的影响,则不能保持平衡状态,保持外界对系统的影响,系统最终将在这种持续影响下,与外界达到平衡。
工程热力学中,只研究平衡状态。但是在热与功之间的相互转换的过程中,系统必须要有变化,对于这种现状,在热力学分析过程中有一个非常重要的假设,当然这样的假设是与实际接近的,这个假设就是准平衡过程。关于这一点,在下面我们将要讨论。
  
1.1.4状态参数
描写系统宏观状态的物理量称为状态参数。状态参数有广延量和强度量之分,与物质的量无关的状态量称强度量。
基本状态参数:所谓基本状态参数是指可以直接或用仪表测定的状态参数。有三个,分别为比体积、温度和压力。其它的状态参数可以以一定的规则由基本状态参数来确定。
状态参数的一个重要特征是由系统的热力状态确定的,至于该状态是如何达到的,并不会对状态参数起影响。
1)比体积
比体积的定义为:单位物量的物质所占有的体积,当用质量来确定物质的数量时
                                                                                                           (1.1a)
式中 v—比体积(m3/kg);
V—体积(m3);
         m—质量(kg)。
当物量采用摩尔单位时
                                                                                                       (1.1b)
式中 Vmol—摩尔体积(m3/mol);
         n—物质的摩尔量(mol)。
2)温度
温度是表示冷热程度的指标,其数值称温标,它的单位是K和℃,这两种单位间的换算关系为
T(K)=t(℃)+273.15                                                                                         (1.2)
摄氏温标和华氏温标的关系为
                                                                                   (1.3)
式中 T—热力学温标(K),是国际单位制所规定的温度单位;
         t—摄氏温标(度)(℃),与热力学温标并列使用的温度单位;
         tF—华氏温标(度)(ºF)。
热力学温标,也叫开尔文温标或绝对温标,它是1954年由国际计量大会确定的:以纯水的三相平衡点为基准点,定义值为273.16K,每1K为水的三相点值的1/273.16。
摄氏温标定义的基准点:瑞典天文学家摄尔修斯(A.Celsius)于1742年建立,规定水在1标准大气压下的冰点为0度,沸点100度,单位符号记为℃。
华氏温标由德国迁居荷兰的华伦海特(G.D.Fahrenheit)于1714年建立,规定无盐的冰水混合物的温度为32度,大气压下水的沸点为212度,单位符号记作
3)压力
压强定义为:垂直于单位面积所受到的作用力,在工程热力学中,压强常被简称为压力。
                                                                                                             (1.4)
式中 p—压力(N/m2);
         F—作用力(N);
         A—面积(m2)。
压力的单位也称“帕”,符号“Pa”。一标准大气压的数值为101325Pa(N/m2),故Pa是一个很小的单位,工程上常用千帕(kPa)、兆帕(MPa)表示。
1MPa=103kPa=106MPa
测量压力的仪表是压力计,常用压力表和真空表。由于测压时在一定的环境下,因此测出的数据为被测对象与测量环境之间的压差,故
ppgpb                     p>pb                                                                         (1.5a)
ppbpv                     p<pb                                                                         (1.5b)
式中 pg—压力表读数(Pa,表压力);
         pv—真空表读数(Pa,真空度);
pb—大气压力(Pa)。
  
1.1.5 热力过程、功和热量
1)热力过程
热力系统的状态变化过程称热力过程,简称过程。产生状态变化,可以说是我们所预期的,这样才能实现热与功之间的相互转化。系统的状态变化过程可以通过外界对系统施加影响而得以实现;另外若系统本身处于非平衡状态,那么它也会产生一个热力过程,使之向平衡状态过渡。
宏观热力学只能描述平衡状态。热力过程中除初终两态外,均为非平衡状态。
2)准平衡过程
观察状态参数Tp,分子运动平均速度为每秒数百米,而气缸内活塞的移动速度仅有每秒几十米,可以近似看出,气缸内的温度和压力基本上偏离平衡状态并不远,这样将气缸内气体的状态看成是准平衡的,又叫准静态,过程中每个状态点都近似为平衡状态。由一系列准平衡(静态)状态组成的过程称为“准平衡过程”。
3)可逆过程
耗散效应,是自然界普遍客观存在的现象,这是一种不可逆的现象过程。如果系统完成某一热力过程后,再沿原来路径逆向进行时,能使系统和外部都返回原来状态而不留下任何变化,则这一过程称为可逆过程。若一个准平衡过程进行时,系统内部无耗散效应,则称此过程是可逆过程。
实际过程既非准平衡过程,更非可逆过程,不过有些问题是通过近似而简化为准平衡或可逆过程的。
1.1 假设图1.1气缸内为气体,气缸和活塞绝热,两者间无摩擦。若将a中的重物突然移去,b中的小球依次移去,试分析气缸内气体所经历的状态是准平衡过程?可逆过程?
                            
  
  
  
  
  
  
  
分析:以气缸内的气体为系统。
a:因重物突然移去,过程变化很快,系统膨胀过程中的每一个状态点只能接近于平衡状态,而不是平衡状态;考察外部情况,可逆过程的条件之中有外部返回原状态而不留下任何变化,因此要使系统回到原状态,外界要有一定的变化(如将重物放回活塞需要功),故该过程不能作为可逆,可以近似看成准平衡过程。
b:系统状态处于缓慢变化,保留所移每一小球的位能,该系统处于可逆过程,当然也是准平衡过程。
4)功
a.功的基本定义:功是在力的推动下,通过宏观有序(有规则)运动的方式所传递的能量,其效果以举起重物为标志。在力学中,功被定义为力与力作用方向上的位移的乘积。若系统在力F的作用下沿力的方向产生位移dx,则该力所作的功为
δW=Fdx                                                                                                             (1.6)
若系统位移为有限距离,则
                                                                                                     (1.7)
功是系统与外界间传递的能量,注意只有在传递过程中才有意义,一旦功越过系统的边界,便转化为系统或外界的能量。功的大小与过程的初终状态、过程的性质有关,所以功是过程量。以后用δW表示微元功。
b.热力学中规定:系统对外作功时功取正值,而外界对系统作功时功取负值。功的单位是焦耳(J)。单位时间内完成的功称为功率,单位瓦(W,J/s)。一般地,工程热力学中,热与功之间的转换常常通过气体的容积变化来实现的,称为膨胀功或压缩功。当热力过程为可逆或准平衡时,系统与外界之间的膨胀功可以由系统内容积变化的规律求出。
c.热力学中膨胀功的计算:设气缸内气体的压力为p,活塞面积为A,当活塞移动dx时,系统对外作功
δW=Fdx =pAdx=pdV                                 (1.8)
系统从状态1到状态2时,所作功
                                                                                   (1.9)
对系统内每kg工质,系统作功
                                                                                                   (1.10)
c.注意点:只有对可逆过程(准平衡过程),系统对外作功才可以由系统的状态参数确定,但同时应注意到该值的大小还与过程的路径有关。上式所表示的功可以在pv图上表示,见图1.3。可见膨胀功在图上可以表示为过程12曲线下的面积。尽管可以具有相同的初态和终态,但从图上可以看出过程不同,则功的数量不同,如过程1—a—2和过程1—b—2。
除上述膨胀功外,在热力学中有关的功量有:轴功、技术功、流动功、有用功和无用功等。
轴功:所谓轴功是指热力系统通过轴和外界之间交换的功量或机械功。
流动功:在开口系统中工质流入和离开要有一定的外加条件,见图1.4。设在面积为A的截面上,状态参数是均匀的,则pAdxpdV,当此处工质的状态不发生改变时,对1kg工质而言,则由此进入系统的pv项被形象地称为推动功。同样原因,当工质离开系统时,需要有推动功。从前述对功的正负号规定,进入系统的为正值,离开的为负值,习惯上将它们分别记为p1v1和-p2v2。我们将维持工质流动所必须支付的功称为流动功,它是开口系统流入和流出工质推动功的代数和。
技术功:技术功是指在工程上可资利用的功,它包扩工质的膨胀功、工质流入和流出系统时的流动功以及动能差和位能差,这里要注意的是,技术功中只有膨胀功是热能通过热力过程中转化的,其它部分均是原来的机械功,既能量的形态在过程中未发生变化。
有用功:工质在膨胀过程中所作的功,有时其数量中会有一部分作用于环境而不能得以利用,如图1.2中,当环境的大气压力为pb时,可以看出pbdv这部分是作用于环境的,无法加以利用,膨胀功中将这一部分除去之后的功称为有用功。
无用功:有了上述有用功的概念后,无用功的概念亦已明了。
5)热量
热量是指系统与外界之间因温差的原因而传递的能量。热量是热力过程中的过程量,不是系统的状态,我们不能用“某系统有热量若干”描述系统。
功和热量都是过程量,但它们之间又有不同点,功是有规则的宏观运动能量传递,热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量传递,因此同等数量的功和热量具有不可比较性。
6)状态方程
对于简单可压缩系统,当它处于平衡状态时,压力、温度和比体积之间有一定的关系,这样的关系式称为状态方程。简单可压缩系统是指系统与外界之间只交换体积功(膨胀功)的系统。
状态方程一般表示为:
T=T(pv),p=p(Tv),v=v(Tp)
或用隐式表示为
F=F(Tpv) 。
比较简单的状态方程如理想气体的状态方程为:pv=RT,稍复杂的如M—H55方程:
,可以计算多种物质的热力性质。
1.1.6热力循环
所谓循环是指工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后又回到原来初态的热力过程。在图1.5所示的pv图上,循环是这样一个特殊的热力过程,即过程是封闭的。
系统经历一个热力循环后,作功量是封闭过程所包围的面积。判断某循环是对外作功还是消耗功,可以在图上明确表示,如果状态点1为初始点,循环为1—a—2—b—1,则该循环作功量为正,称对外作功;反之,经历的循环为1—b—2—a—1,那么是外界对系统作功,称耗功。
a)正向循环:对外作功的循环称为正向循环。
b)逆向循环:消耗功的循环称为逆向循环。
c)循环经济性:循环经济性代表能量利用的经济性,指通过循环收到的效益和所付代价的比值。
正向循环,经济性用循环效率表示:
                                                                                       (1.11)
逆向循环,当应用于制冷循环时,采用制冷系数表示:
                                                                             (1.12)
当应用于热泵取暖时,采用供暖系数表示:
                                                                     (1.13)
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