工程熱力學(xué)第一章

工程熱力學(xué)第一章第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日1-1熱力系統(tǒng)

一、系統(tǒng)、邊界與外界熱力系統(tǒng)的定義：將所要研究的對象與周圍分隔開來，這種人為分隔出來的研究對象，稱為熱力系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）

。系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)統(tǒng)稱為外界。系統(tǒng)與外界的界面稱為邊界。系統(tǒng)與外界之間，通過邊界進行能量的傳遞與物質(zhì)的遷移。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日界面的特性:可以是真實的，也可以是虛擬的；可以是固定的，也可以是運動的。第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日界面熱源外界外界熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)、界面、外界例Ⅰ第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日系統(tǒng)系統(tǒng)界面熱力系統(tǒng)、界面、外界例Ⅱ研究氣缸中的氣體(打開閥門)。是什么熱力系？第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日系統(tǒng)界面外界外界熱力系、界面、外界例Ⅲ第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日熱力系、界面、外例Ⅳ系統(tǒng)界面第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、熱力系統(tǒng)的分類(一)按系統(tǒng)與外界之間的相互聯(lián)系劃分：1.閉口系統(tǒng)—系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)。2.開口系統(tǒng)—系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)。3.絕熱系統(tǒng)—系統(tǒng)與外界無熱量交換的熱力系統(tǒng)。4.孤立系統(tǒng)—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)。第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日閉口系統(tǒng)第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日開口熱力系第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日1234mQW1

開口系

熱力系統(tǒng)非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、按照系統(tǒng)內(nèi)部的情況可劃分1.單相系—系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的稱為一個相，由單一物相組成的系統(tǒng)稱為單相系。2.復(fù)相系—有兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成稱三相系。3.單元系—由一種化學(xué)成分組成的系統(tǒng)稱為單元系。4.多元系—由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)稱為多元系。5.均勻系—成分和相在整個系統(tǒng)空間呈均勻分布稱為均勻系6.非均勻系—在整個系統(tǒng)空間非均勻分布稱為非均勻系熱力系統(tǒng)的分類Ⅱ第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日1-2工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)熱力狀態(tài)定義:工質(zhì)在熱力變化過程中某一瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況，稱為熱力狀態(tài)（簡稱為狀態(tài)）

。狀態(tài)參數(shù)定義:描述工質(zhì)宏觀特性的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性：或熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)：溫度、壓力、比容、熱力學(xué)能（內(nèi)能）、焓、熵。第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：能夠用儀器儀表直接或間接測量的參數(shù)稱為┄。如：溫度、壓力、比容1.溫度１）熱力學(xué)第零定律如果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衡，這一規(guī)律稱為熱力學(xué)第零定律。第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日２）溫度將描述熱平衡的這一宏觀特性的物理量，稱為溫度。３）溫標(biāo)為進行溫度測量，需要有溫度的數(shù)值表示方法，測量溫度的標(biāo)尺稱為溫標(biāo)。建立任何一種溫標(biāo)都要選擇測溫物質(zhì)及其物質(zhì)的特性、規(guī)定溫標(biāo)的基準(zhǔn)點及分度方法。狀態(tài)參數(shù)溫度第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日②熱力學(xué)溫標(biāo)ＴＫ常用的溫標(biāo)①攝氏溫標(biāo)

t℃基準(zhǔn)點：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下純水的冰點和沸點溫度為基準(zhǔn)點，規(guī)定冰點溫度為0℃。沸點溫度為100℃。分度方法：認(rèn)定測溫物質(zhì)的測溫屬性隨溫度的變化是線性的。0℃與100℃這兩個基準(zhǔn)點之間分成100等分,

每一等分為1度。基準(zhǔn)點：純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點(三相點)為基準(zhǔn)點，并規(guī)定它的溫度為273.16K。

t=T—273.15熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之間的關(guān)系：常用的溫標(biāo)第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日２.壓力單位面積上所受到的垂直作用力。表達式或上式計算出的是熱力系的真實壓力稱為絕對壓力

p。由壓力表測量出來的壓力稱為表壓力

pg。由氣壓計測量出來的壓力稱為大氣壓力

B。表壓力pg、大氣壓力B和絕對壓力p之間的關(guān)系如下：常用的壓力單位間的關(guān)系第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日U形管式壓力計示意圖真空度U形管式壓力計示意圖BBp>BP<BP=B+pgP=B-HH第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日3.比容、密度和重度①比容單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積，稱為比容。表達式②密度單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量，稱為密度。表達式表達式③重度單位容積內(nèi)所含有物質(zhì)的重量，稱為重度。第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、強度性參數(shù)與廣延性參數(shù)①強度參數(shù)——與系統(tǒng)內(nèi)包含物質(zhì)的多少無關(guān)。②廣延參數(shù)——與系統(tǒng)內(nèi)包含物質(zhì)的多少有關(guān)。如：溫度、壓力、比容、比內(nèi)能、比焓、比熵等。如：總內(nèi)能、總焓、總熵等。第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日1-3平衡狀態(tài)、狀態(tài)公里及狀態(tài)方程一、平衡狀態(tài)

定義:一個熱力系,在不受外界影響（重力場除外）的條件下，如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時間變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時建立了熱和力的平衡，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱為平衡狀態(tài)。

問題：如何定量描述工質(zhì)的狀態(tài)？實現(xiàn)平衡的充要條件：無內(nèi)部、外部勢差。

溫差

—

熱不平衡勢

壓差

—

力不平衡勢

化學(xué)反應(yīng)

—

化學(xué)不平衡勢第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、狀態(tài)公里閉口系：不平衡勢差狀態(tài)變化

能量傳遞消除一種不平衡勢差

達到某一方面平衡

消除一種能量傳遞方式而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、狀態(tài)方程對于簡單可壓縮系統(tǒng),狀態(tài)方程:或狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1定義：反映工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式，稱為狀態(tài)方程。第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日1-4準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程平衡狀態(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）過程第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日一、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pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日

準(zhǔn)靜態(tài)過程:若過程進行得很緩慢,工質(zhì)在平衡被破壞后自動回復(fù)平衡所需要的時間及短,工質(zhì)有足夠的時間來恢復(fù)平衡,隨時都不致于顯著偏離平衡狀態(tài),這樣的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

準(zhǔn)靜態(tài)過程又稱為準(zhǔn)平衡過程。只有準(zhǔn)靜態(tài)過程才能在坐標(biāo)圖中用連續(xù)曲線表示。

實際過程都是不平衡的。第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程有實際意義嗎？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？第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日準(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)過程第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/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钡谌豁?，共五十四頁，2022年，8月28日可逆過程的定義：當(dāng)系統(tǒng)進行正反兩個過程后，系統(tǒng)與外界均能完全回復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程?？赡孢^程的描述注意：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。二、可逆過程第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日可逆過程的實現(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)第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日典型的不可逆過程不等溫傳熱節(jié)流過程

(閥門）自由膨脹混合過程第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日可逆過程與準(zhǔn)平衡過程的區(qū)別：1.可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程；2.準(zhǔn)平衡過程不一定是可逆過程。實際過程都是不可逆過程！第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日引入可逆過程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過程是實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，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。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、可逆過程的膨脹功（體積功）1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移

2、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。功的一般表達式功的單位:J,kJ第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日可逆過程功的推導(dǎo)

第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日注意：微元功不是全微分，表示微小量，而不是微小增量所以功可正可負(fù)也可以為零即：功是過程量,不是狀態(tài)量，其大小與初、終狀態(tài)有關(guān),也與路徑有關(guān)第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日四、可逆過程的熱量1、熱量定義：

熱力系通過邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分。另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日熱量計算公式:熱量單位:J,kJ第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日微小熱量：

>0表示系統(tǒng)從外界吸熱；<0表示系統(tǒng)向外界放熱。總熱量：

積分與過程有關(guān)。

熱量是過程量第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日熱量與容積變化功的對比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,dvdS,ds公式條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日循環(huán)過程——工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回到初始狀態(tài)的全過程為循環(huán)過程（簡稱為循環(huán)）。如圖：循環(huán)1-2-3-4-11-5熱力循環(huán)PV01243循環(huán)概念

第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日循環(huán)過程的特點——經(jīng)一個循環(huán)后系統(tǒng)的內(nèi)能不變。

凈功

A

=循環(huán)過程曲線所包圍的面積

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