工程熱力學(xué)第一章基概念PPT課件

1、第一章第一章 基本概念基本概念n熱力系統(tǒng)n熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)n平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程n準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程n熱力循環(huán)第一節(jié)第一節(jié) 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)n系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）n閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)n絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)n系統(tǒng)的內(nèi)部狀況系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）n系統(tǒng)：為了便于研究與分析問題，將所要研究的對象與周圍環(huán)境分隔開來，這種出來的，稱為熱力系統(tǒng)（thermodynamics system），簡稱系統(tǒng)(system)。a quantity of matter or a region in space chosen for study系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）系統(tǒng)、邊

2、界與外界（環(huán)境）n外界（surroundings） ：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，成為外界或環(huán)境。n邊界（boundary） ：分隔系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）n熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器只交換功只交換功只交換熱只交換熱既交換功既交換功也交換熱也交換熱系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）系統(tǒng)、邊界與外界（環(huán)境）n邊界特性固定、活動固定、活動fixed 、 movablereal 、 imaginary閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)n閉口系統(tǒng)（closed system）：沒

3、有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)，又稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)（control mass）。閉口系統(tǒng)的質(zhì)量保持恒定n開口系統(tǒng)（open system）：有物質(zhì)流穿過邊界的系統(tǒng)，又稱為控制體積或控制體(control volume)。開口系統(tǒng)的界面稱為控制界面。開口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)都可能與外界發(fā)生能量（功和熱）傳遞。絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)n絕熱系統(tǒng)（adiabatic system）：系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞的系統(tǒng)。n孤立系統(tǒng)（isolated system）：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換的系統(tǒng)熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì)

4、 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mqw1 開口系開口系 非孤立系相關(guān)外界非孤立系相關(guān)外界孤立系孤立系1+2 閉口系閉口系1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系孤立系最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)只交換只交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功膨壓縮功膨脹功脹功系統(tǒng)的內(nèi)部狀況系統(tǒng)的內(nèi)部狀況 其它分類方式其它分類方式物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 均勻系均勻

5、系非均勻系非均勻系工質(zhì)種類工質(zhì)種類單元系單元系多元系多元系相態(tài)相態(tài)單相系單相系復(fù)相系（多相系）復(fù)相系（多相系）第二節(jié)第二節(jié) 熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)n狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)n基本狀態(tài)參數(shù)n強(qiáng)度性參數(shù)與廣延性參數(shù)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)（state）：某瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)（state properties）：描述熱力狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1.狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的函數(shù)，狀態(tài)確定時，狀態(tài)參數(shù)有唯一確定的值。2.工質(zhì)狀態(tài)變化時，狀態(tài)參數(shù)的變化值僅與初、終狀態(tài)相關(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。 狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)的積分特征 0dz狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特征是點

6、函數(shù)。熱力系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2， z 為狀態(tài)參數(shù)，則有：常見狀態(tài)參數(shù)：溫度（t），壓力（p），比容（v），內(nèi)能（u），焓（h），熵（s）等設(shè)設(shè) z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要條件：充要條件：22zzx yy x 可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù) 如如壓力壓力 p、溫度溫度t廣延參數(shù)：廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性可加性 如如 質(zhì)量質(zhì)量m、容積容積 v、內(nèi)能內(nèi)能 u、焓焓 h、熵熵s比參數(shù)：比參數(shù)：比容比容vvmuum比比內(nèi)能內(nèi)能hhm比比焓焓s

7、sm比比熵熵單位：單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)（basic state properties）基本狀態(tài)參數(shù)：可以直接或間接地用儀表測量的狀態(tài)參數(shù)（方便測量）。溫度（t）壓力（p）比容（v）或密度（）基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)溫度溫度（temperature）溫度的一般解釋：冷熱程度的度量。溫度的微觀概念：大量分子熱運動的強(qiáng)烈程度。22mbt平均平動動能溫度比例常數(shù)處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量即為溫度。溫度的熱力學(xué)定義：是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)

8、第零定律熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律（the zeroth law of thermodynamics）如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡熱平衡，則，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)溫度測量的理論基礎(chǔ)熱平衡熱平衡（thermal equilibrium）在沒有外來影響沒有外來影響的情況下，兩物體相互作用最終達(dá)到相相同的冷熱狀況同的冷熱狀況。熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律 1931年年 t熱力學(xué)第熱力學(xué)第一一定律定律 1840 1850年年 e熱力學(xué)第熱力學(xué)第二二定律定律 1854 1855年年 s熱力學(xué)第熱力學(xué)第三三定

9、律定律 1906年年 s基準(zhǔn)基準(zhǔn)溫標(biāo)溫標(biāo)（temperature scale）溫標(biāo)：溫度的數(shù)值標(biāo)尺。需規(guī)定基本定點和每一度的數(shù)值。熱力學(xué)溫標(biāo)（kelvin scale）：純水三相點溫度為273.16k，每1k為水三相點溫度的1/273.16。攝氏溫標(biāo)（celsius scale）： 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰熔點溫度為0，沸點溫度為100。華氏溫標(biāo)（fahrenheit scale）：將冰與鹽混和后，所能達(dá)到的最低溫度定為0 ，而概略的將人體溫度定為100 。朗肯溫標(biāo)（rankine scale）：以絕對零度為起點的華氏溫標(biāo)溫標(biāo)之間的換算溫標(biāo)之間的換算o 273.15t kt co5( 32)9t ct

10、 f 459.67t ft r基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力（pressure）222323mpnnbt微觀概念：大量分子碰撞器壁的結(jié)果。單位面積上的壓力分子濃度平均平動動能熱力學(xué)溫度比例常數(shù)闡明了氣體壓力的本質(zhì)，揭示了氣體壓力與溫度之間的內(nèi)在聯(lián)系。宏觀定義：fpf整個容器壁受到的力容器壁的總面積氣體的壓力：通常用垂直作用于器壁單位面積上的力來表示壓力的大小，也叫氣體的絕對壓力。溫度溫度計計物質(zhì)物質(zhì) （水銀，鉑電阻水銀，鉑電阻）特性特性 （體積膨脹，阻值體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點基準(zhǔn)點刻度刻度溫標(biāo)溫標(biāo)熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律：如兩個物體分別和第三個物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平

11、衡。 常用壓力常用壓力單位單位（units）1 kpa = 103 pa 1bar = 105 pa1 mpa = 106 pa1 atm = 760 mmhg = 1.013 105 pa1 mmhg = 133.3 pa1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 pasi規(guī)定壓力單位為帕斯卡（pa），1pa1n/m2常用壓力單位有：巴（bar），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm），工程大氣壓（at），毫米汞柱（mmhg），毫米水柱（mmh2o）換算關(guān)系相對壓力與絕對壓力相對壓力與絕對壓力測壓原理：測壓儀表利用力平衡原理測量氣體的壓力。壓力計指示的壓力是氣體絕對壓力absolute pr

12、essure）與外界大氣壓力的差值，稱為相對壓力relative pressure表壓力與真空度表壓力與真空度pbpeppvp表壓力（gage pressure）：氣體絕對壓力大于外界大氣壓力時，相對壓力為正壓，又稱表壓力。真空度（vacuum pressure）：氣體絕對壓力小于外界大氣壓力時，相對壓力為負(fù)壓，又稱真空度。ppb時，p=pbpep有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程relaxation time準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：例：活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分曲柄分曲柄 2沖程沖程/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.15米米/沖程沖程活塞運動速度活

13、塞運動速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程可逆可逆（ 定義：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。a process that can reversed without leaving any trace on the surroundings. that is, both

14、the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.可逆過程只是指可能性，并不是可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程的實現(xiàn)可逆過程的實現(xiàn)通過摩擦使功變熱通過摩擦使功變熱的效應(yīng)的效應(yīng)(摩阻，電阻，摩阻，電阻，非彈性變形，磁阻非彈性變形，磁阻等）等）準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)無耗散效應(yīng) = 可逆過程可逆過程無不平衡勢差無不平衡勢差 不平衡勢差不平衡勢差不可逆不可逆根源根源 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng)

15、 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng)irreversibilitydissipative effect常見不可逆過程常見不可逆過程不等溫傳熱heat transfer節(jié)流過程(閥門）常見不可逆過程常見不可逆過程混合過程混合過程mixing process自由膨脹自由膨脹unrestrained expansion引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的理想化理想化過程，但并非過程，但并非最優(yōu)最優(yōu)過過程，可逆過程是程，可逆過程是最優(yōu)最優(yōu)過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系

16、，易分析。達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以考慮不可逆因素加以修正。修正。可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系可逆過程可逆過程一定是一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是不一定是可逆過程可逆過程可逆過程可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程無耗散無耗散可逆過程可逆過程完全理想，熱力過程分析時經(jīng)常使用完全理想，熱力過程分析時經(jīng)常使用可可逆過程逆過程的概念。的概念。準(zhǔn)

17、靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程很少用。很少用。平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)無法簡單描述無法簡單描述熱力學(xué)引入熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡準(zhǔn)平衡）過程過程可逆過程的膨脹功可逆過程的膨脹功物理學(xué)中的功：物理學(xué)中的功：功力功力 在力方向上的位移在力方向上的位移 功功 廣義廣義力力 廣義廣義位移位移wfdxfpf可逆過程可逆過程wpfdxpdv功的定義功的定義wpdv21wpdv可逆過程的膨脹功可逆過程的膨脹功是過程量，是過程量，不是狀態(tài)量不是狀態(tài)量符號規(guī)定：系統(tǒng)對外做功，符號規(guī)定：系統(tǒng)對外做功，w w0,0,外界對系統(tǒng)做功，外界對系統(tǒng)做功，w w0 0圖1-

18、12可逆過程的熱量可逆過程的熱量熱量：熱量：熱量熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在在溫度溫度的推動下，以微觀的推動下，以微觀無序無序運動方式傳遞的運動方式傳遞的能量。能量。 熱量熱量 廣義廣義力力 廣義廣義位移位移qtds可逆過程傳遞的熱量可逆過程傳遞的熱量是過程量，是過程量，不是狀態(tài)量不是狀態(tài)量21qtds符號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱，符號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱，q q0,ds0,ds0；系統(tǒng)放熱，系統(tǒng)放熱，q q0,ds0,ds0圖1-13熱量與容積功的對比熱量與容積功的對比能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量 性質(zhì)性質(zhì) 過程量過程量 過程

19、量過程量 推動力推動力 壓力壓力 p 溫度溫度 t 標(biāo)志標(biāo)志 dv , dv ds , ds 公式公式pdvw tdsq pdvw tdsq 條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆p-v圖與圖與t-s圖圖pdvwtdsqp-v圖也叫示功圖，t-s圖也叫示熱圖第五節(jié)第五節(jié) 熱力熱力循環(huán)循環(huán)（cycle）要實現(xiàn)要實現(xiàn)連續(xù)連續(xù)作功，必須構(gòu)成作功，必須構(gòu)成循環(huán)循環(huán)定義：定義： 熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為系列變化過程稱為熱力循環(huán)，熱力循環(huán)，簡稱簡稱循環(huán)循環(huán)。a system is said to have undergone a cycle if it returns to its initial state at the end of the process循環(huán)和過程循環(huán)和過程循環(huán)由循環(huán)由過程過程構(gòu)成構(gòu)成不可逆循環(huán)不可逆循環(huán)可逆可逆過程過程不可逆不可逆循環(huán)循環(huán)可逆循環(huán)可逆循環(huán)正循環(huán)正循環(huán)（動力循環(huán)（動力循環(huán)power cycle）凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：對外作