西安交通大學(xué)工程熱力學(xué)基本概念及定義

1、西安交通大學(xué)工程熱力學(xué)基本概念及定義目錄 1-1 熱力系統(tǒng) 1-2 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù) 1-3 平衡狀態(tài)、平衡方程、坐標(biāo)圖 1-4 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 1-5 過程功和熱量 1-6 熱力循環(huán)第1-1節(jié) 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)）人為劃定的一定范圍內(nèi)的研究對象一、熱力系統(tǒng)定義 外界 熱力系統(tǒng)以外的部分 邊界 系統(tǒng)與外界之間的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界一、熱力系統(tǒng)定義鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱熱力系統(tǒng)選取的人為性二、熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況（1）閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有能量、無物質(zhì)交換 閉口系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量保持恒

2、定不變，所以閉口系統(tǒng)又叫做控制質(zhì)量。二、熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況（2）開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有能量、有物質(zhì)交換 開口系統(tǒng)中的能量和質(zhì)量都可以變化，但這種變化通常是在某一劃定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以開口系統(tǒng)又叫做控制容積，或控制體。二、熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況（3）絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱量交換 冷源QW把冷源包括在內(nèi)的絕熱系統(tǒng)二、熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況（4）孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質(zhì)、無能量交換 孤立系統(tǒng)的一切相互作用都發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)部。二、熱力系統(tǒng)分類閉口系：與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng) CM 開口系：與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)

3、 CV 按物質(zhì)交換簡單可壓縮系：熱力系與外界只有熱量和可逆體積變化 功的交換。孤立系：與外界無任何能量和物質(zhì)交換的熱力系。 絕熱系：與外界無熱量交換的系統(tǒng)。 熱 源：與外界僅有熱量的交換，且有限熱量的交換 不引起系統(tǒng)溫度變化的熱力系統(tǒng)。 按能量交換二、熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有 無是否傳質(zhì) 開口系 閉口系是否傳熱 非絕熱系 絕熱系是否傳功 非絕功系 絕功系是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系三、工質(zhì)用來實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。工質(zhì)理想氣體 實(shí)際氣體 蒸 氣 第1-2節(jié) 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)一、熱力學(xué)狀態(tài)熱力系在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。(簡稱狀態(tài)) 二、狀

4、態(tài)參數(shù) 定義：描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量。 2、積分特征：狀參變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān) 3、微分特征：全微分?jǐn)?shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、狀態(tài)函數(shù)例：溫度變化，高度變化設(shè) z =z (x , y)充要條件：1ab2狀態(tài)參數(shù)的特征： 1、單值性：狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然 按與所含工質(zhì)的量有關(guān)否分類：二、狀態(tài)參數(shù) 廣延量參數(shù)：有關(guān)，如 H、U、S 等，廣延量參數(shù) 具有可加性 強(qiáng)度量參數(shù)：無關(guān)，如 p、T、v，u，h 等 注意：廣延量的比參數(shù)（單位質(zhì)量工質(zhì)的體積、熱力學(xué)能等）具有強(qiáng)度量的性質(zhì)，不具有可加性。 按是否直接或易測基本狀態(tài)參數(shù)：可以直接或易測的狀態(tài)參數(shù)。如p、v 和T 。非基本狀態(tài)參數(shù)

5、：不能直接或易測的狀態(tài)參數(shù)。如H，S，U 等 三、溫度溫度計三、溫度溫度T 的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度 T 0.5 m w 21) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固體和碳蒸氣0.5mw 2總0, T 0, 1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)的開爾文溫度3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切運(yùn)動停止，零點(diǎn)能三、溫度1.溫度的科學(xué)定義 溫度是決定系統(tǒng)間是否存在熱平衡的宏觀物理量。 熱力學(xué)第零定律 溫度測量的基礎(chǔ)處于熱平衡的兩物體，如果分別和第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體之間必然處于熱平衡。2.溫度的數(shù)值表示法溫標(biāo) 熱力學(xué)溫

6、標(biāo)：理論溫標(biāo)，符號T ，單位K。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)（）、華氏溫標(biāo)（OF） 。 國際實(shí)用溫標(biāo)：（ITS90） 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)建立的三要素： t（）=T（K）-273.15 常用溫標(biāo)之間關(guān)系對比絕對K攝氏 華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.8-273.15212671.6737.8100032459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水沸點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.673.溫度測量方法日常：水銀溫度計，酒精溫度計，水溫度計工業(yè)：熱電偶，熱敏電阻計量：鉑電阻溫度計按用途分類：按測溫原理分類：3.溫度測量方法膨脹式溫度計：水銀溫度計、雙金屬溫度計電阻溫度計：鉑電阻溫度計、熱敏電阻

7、溫度計熱電溫度計：熱電偶溫度計輻射溫度計：光電高溫計、輻射高溫計聲學(xué)溫度計 。四、壓力四、壓力定義單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力（即壓強(qiáng))分子運(yùn)動學(xué)說認(rèn)為壓力是大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果。四、壓力壓力的單位國際標(biāo)準(zhǔn)單位：帕斯卡(簡稱帕) 符號：Pa 1Pa=1N/m2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm , 也稱物理大氣壓）巴（bar）工程大氣壓（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O) 工程單位：四、壓力絕對壓力、表壓力、真空度及大氣壓力之間的關(guān)系五、比體積及密度單位質(zhì)量的工質(zhì)所占的體積，單位是m3/kg。1、比體積2、密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg/m3。第1-4節(jié) 平衡狀態(tài)、平衡方程、

8、坐標(biāo)圖一、平衡狀態(tài)1、定義：一個熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下, 系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，則系統(tǒng)的這種狀 態(tài)稱為平衡狀態(tài)。2、實(shí)現(xiàn)條件（充要條件）：p=0 T=0 (=0)。 溫差 熱不平衡勢壓差 力不平衡勢相變或化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢為什么引入平衡概念？如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，

9、單相平衡態(tài)則一定是均勻的描述平衡態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系表達(dá)式稱為狀態(tài)方程式。 二、狀態(tài)方程式 隱函數(shù)形式：理想氣體狀態(tài)方程范德瓦爾斯方程RK方程（2）狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖：常用的狀態(tài)坐標(biāo)圖有壓容圖和溫熵圖等 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（1）獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)：簡單可壓縮系統(tǒng) 三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖由熱力系統(tǒng)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖稱為熱力狀態(tài)坐標(biāo)圖。 第1-5節(jié) 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程一、熱力過程 定義：熱力系從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時所經(jīng)歷 的全部狀態(tài)的總和。“過程”意味著變化，意味著平衡被破壞平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程一般過程p1 = p0+重物p，Tp0T1 = T0

10、突然去掉重物最終p2 = p0T2 = T0p12.準(zhǔn)靜態(tài)過程p1 = p0+重物p，Tp0T1 = T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層p12.系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)二、準(zhǔn)平衡(準(zhǔn)靜態(tài))過程 定義：由一系列平衡態(tài)組成的熱力過程。實(shí)現(xiàn)條件：破壞平衡態(tài)存在的不平衡勢差(溫差、力差、化學(xué)勢差) 應(yīng)為無限小。即p0 T0 (0) 準(zhǔn)平衡過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程有實(shí)際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）有足夠時間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程

11、應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)/分 曲柄 2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動速度=20002 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA = p外A +fA如果 p外微小可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W = pA dl =pdV1kg工質(zhì)w =pdvdl 很小，近似認(rèn)為 p 不變準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W =pdV1kg工質(zhì)：w

12、=pdv1注意： 上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W =pdV1kg工質(zhì)：w =pdvW三、可逆過程和不可逆過程定義：當(dāng)系統(tǒng)完成某一熱力過程后，如果有可能使系統(tǒng) 再沿相同的路徑逆行而回復(fù)到原來狀態(tài)，并使相 互中所涉及到的外界亦回復(fù)到原來狀態(tài)，而不留 下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。不滿足 上述條件的過程為不可逆過程。 過程：準(zhǔn)平衡的膨脹過程，同時自熱源T吸熱T1456372Pv0mn可逆過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng) = 可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等） 不平衡勢差不可逆根源 耗散效應(yīng) 耗散效應(yīng)典型的不可逆過程

13、節(jié)流過程 (閥門）p1p2p1p2混合過程引入可逆過程的意義準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過 程，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù) 表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想 情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后 考慮不可逆因素加以修正。第1-6節(jié) 過程功和熱量一、功的定義熱力學(xué)定義：熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。力學(xué)定義:力在力方向上的位移第1-6節(jié) 過程功和熱量符號規(guī)定 系統(tǒng)對外作功：+ 外界對系統(tǒng)作功：-一、功的熱力學(xué)定義功：熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，其

14、全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。比功：單位質(zhì)量的物質(zhì)所做的功。二、可逆過程的功示功圖如右：則有，可逆過程功可用示功圖上過程線下的面積表示。符號規(guī)定 吸熱：+ 放熱：- 三、過程熱量熱量的定義：熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。示功圖與示熱圖pVWTSQ 示功圖溫熵(示熱)圖四、功和熱量的異同相同：功和熱量都是能量傳遞的度量，都是過程量。不同： 功是有規(guī)則的宏觀運(yùn)動能量的傳遞，在做功過程中 往往伴隨著能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化；熱量則是大量微觀粒 子雜亂熱運(yùn)動的能量的傳遞，傳熱過程中不出現(xiàn)能 量形態(tài)的轉(zhuǎn)化。功轉(zhuǎn)變成熱量是無條件的，而熱轉(zhuǎn) 變成功是有條件的。熱量與容積變化功能量傳遞方式 容積變化功 傳熱量性質(zhì) 過程量 過程量推動力 壓力 p 溫度 T標(biāo)志 dV , dv dS , ds公式條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆第1-7節(jié) 熱力循環(huán)1、定義：工質(zhì)從某一初態(tài) 出發(fā)經(jīng)歷一系列 熱力狀態(tài)變化后 又回到原來初態(tài) 的熱力過程即 封閉的熱力過 程，簡稱循環(huán)。 一、循環(huán)概說能量利用經(jīng)濟(jì)性 3、能量利用經(jīng)濟(jì)性 按目的 正循環(huán)(即動力循環(huán))：對外輸出動力。 逆循環(huán)(即制冷循環(huán)或熱泵循環(huán)）：制冷或制熱。 2、分類 按性質(zhì) 可逆