热力系统中的蒸汽动力装置及其构成元件

一、系统、边界与外界

分析任何问题时，首先应该明确研究的对象，分析热力现象也不例外。在热力学中，为了便于研究和分析问题，人为地将研究对象与周围环境分隔开来。这种被划分出来的研究对象称为热力系统，简称系统。系统之外的一切物体统称为外界。系统与外界的分界面称为边界。边界在图上通常用虚线标出，它可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。

二、系统的类型

1.按系统与外界交换的形式分类

热力学中系统与外界有三种相互作用：物质交换、功的交换和热的交换。按照系统与外界相互作用的特点，可把系统分为下述几类。

（1）开口系统

系统与外界有物质的交换。开口系统与外界可以有热和功的交换，也可以没有。通常，开口系统总是一种相对固定的空间，故又称为控制体积系统，大多数热力设备都是开口系统。如果开口系统内工质的质量与参数随时间变化，则称为不稳定流动开口系统，设备的启动、停车过程都属于这种情况。如果开口系统内工质的质量与参数均不随时间变化，则称为稳定流动开口系统。

（2）闭口系统

系统与外界没有物质的交换。闭口系统由于与外界没有物质交换，系统内包含的物质质量为一不变的常量，所以又叫做控制质量系统。但应注意：闭口系统具有恒定的质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统。例如，在一个稳定流动的系统中，进入与离开系统的质量是恒定的，因而系统内的质量也将不变，但这样的系统显然不是闭口系统，而是开口系统。

（3）绝热系统

系统与外界没有热量交换。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。

（4）孤立系统

系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。如果把所有发生相互作用的各种设备作为一个整体，并把这个整体选定为所研究的系统，虽然这个系统内部的各部分可以有物质交换，热和功的交换，但这个系统作为一个整体与外界没有任何相互作用，那么这个系统就是孤立系统。实际上，与外界绝对不发生任何相互作用的孤立系统是不存在的。当实际存在的系统与外界的能量交换和物质交换减弱到可以略而不计时，可近似地当做孤立系统来处理，所以孤立系统只是一种理想的极限情况。但是，孤立系统的概念对于分析问题是很有用的。例如在图2-1中，物体A和B的温度分别为T1和T2，若要计算两物体进行热传递最后达到的平衡方程便可求出平衡温度。衡温是多少，可取A和B为孤立系统，则A放出的热量应等于B吸收的热量，由此列出热平衡方程便可求出平衡温度。(www.xing528.com)

图2-1 孤立系统内两物体间的热传递

如图2-2所示，以蒸汽轮机动力装置为例，其中的锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵等，从热力学的观点来看，都是相互作用的、实现能量转换或传递的热力设备。为了进行热力学分析，首先要在相互作用的各种热力设备中划分一个（或几个）热力设备作为研究对象。如把汽轮机的汽缸选作系统，它有工质的流入和流出，这就是开口系统，如图2-3所示。图2-3所示的汽轮机如包以绝热材料，当工质流经汽轮机时，其散热量比传输给外界的功量小到可略而不计时，则此开口系统可认为是绝热系统。

图2-2 蒸汽动力装置

1-预热器；2-汽包；3-沸水管；4-过热器；5- 汽轮机；6-冷凝器；7-水泵；8-发电机；9-蓄电池

又如取流动中的一定质量工质作为系统，虽然它在流动，但想像人们一直跟随它运动，由于它的质量始终不变，与外界没有物质交换，也是封闭系统，如图2-4所示。该系统的边界即是假想的、运动的、变形的。

2.按系统内部状况分类

系统按其内部状况的不同可分为以下几种：

（1）单相系和复相系 系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的部分称为一个相，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。由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的系统称为三相系统。

（2）单元系与多元系 由一种化学成分组成的系统称为单元系，纯物质就属单元系，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系，如化学反应系统、溶液等都属多元系。但是，对于化学上稳定的混合物，如空气在不发生相变时，其化学组成不变，常可当作纯物质对待。

图2-3 开口系统

图2-4 流动中的工质

（3）均匀系统与非均匀系统 内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统称为均匀系统，它是由单相组成的。由两个或两个以上的相组成的系统为非均匀系统。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。