第01章 基本概念

第一章

基本概念及定義

本章基本要求1.深刻理解熱力系統(tǒng)、外界、熱力平衡狀態(tài)、準靜態(tài)過程、可逆過程、功、體積變化功、過程熱量、熱力循環(huán)等概念。2.掌握溫度、壓力、比容的物理意義。3.掌握狀態(tài)參數(shù)的特點。4.掌握可逆過程體積變化功的計算方法。5.掌握循環(huán)經(jīng)濟性指標。本章重點熱力系統(tǒng)的選取，平衡狀態(tài)，可逆過程，體積變化功?！?.1熱能在熱機中轉(zhuǎn)變成機械能的過程高溫?zé)嵩矗合蚱渌到y(tǒng)供熱的熱源（熱源）；低溫?zé)嵩矗何掌渌到y(tǒng)放出熱量的熱源（冷源）。鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器

工質(zhì)：工作介質(zhì)，即能量的載體。熱源：與工質(zhì)進行熱交換的物質(zhì)系統(tǒng)。吸熱、膨脹、排熱燃氣輪機裝置空氣能量轉(zhuǎn)換：

熱能→機械能→電能壓氣機燃氣輪機燃燒室廢氣吸熱、膨脹、排熱制冷空調(diào)裝置能量轉(zhuǎn)換：電能→機械能→熱能吸熱、壓縮、排熱、膨脹、§1.2

熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：把物體中相互聯(lián)系的一部分或全部人為地分割開來，作為熱力學(xué)研究對象。外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)1、系統(tǒng)與邊界邊界(界面)：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)外界邊界熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機發(fā)電機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邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動熱力系統(tǒng)分類絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng)：既無能量（W、Q）交換，又無質(zhì)量交換一般系統(tǒng)：既有能量交換，又有質(zhì)量交換1、按系統(tǒng)與外界是否有質(zhì)量交換分為：閉口系統(tǒng)：無質(zhì)量交換開口系統(tǒng)：有質(zhì)量交換2、按系統(tǒng)與外界是否有能量交換分為：簡單可壓縮系統(tǒng)：只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功（膨脹功、壓縮功）-----最常見、最重要的系統(tǒng)1234mQW1

開口系幾種常見熱力系統(tǒng)的關(guān)系非孤立系＋外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口1+2+3+4孤立系系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便選取不同系統(tǒng)，只影響分析問題的難、易，不影響結(jié)果。熱力系統(tǒng)其它分類方式

其它分類方式

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相可壓縮系統(tǒng)和簡單可壓縮系統(tǒng)可壓縮系統(tǒng)：在熱力工程中，能量轉(zhuǎn)換是通過工作物質(zhì)的狀態(tài)變化來實現(xiàn)的，最常用的工質(zhì)是一些可壓縮流體(如蒸汽動力裝置中的水蒸氣，燃氣動力裝置中的燃氣等)。由可壓縮流體構(gòu)成的熱力系稱為可壓縮系統(tǒng)。簡單可壓縮系統(tǒng)：可壓縮系統(tǒng)若與外界可逆功交換只有體積變化功（膨脹功或壓縮功）一種形式，則該系統(tǒng)稱為簡單可壓縮系統(tǒng)。工程熱力學(xué)討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系統(tǒng)。思考題系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎？開口系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)與能量又不可分割，所以開口系統(tǒng)一定不是絕熱系統(tǒng)，這種觀點對否，為什么？§1-3熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特性：(1)狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然(2)積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。(3)微分特征：全微分。設(shè)z=z(x,y)基本狀態(tài)參數(shù)（可直接測量得到）：導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)（由基本狀態(tài)參數(shù)計算得到）p,v,Tu,h,s強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性

如

質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度量的性質(zhì)基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）一、壓力

p

物理中壓強，單位:Pa

,N/m21、常用單位：

(表1-1)

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg=9.80665104

Pa絕對壓力p：氣體的真實壓力2、絕對壓力、表壓、真空度相對壓力：壓力計顯示的壓力表壓力pe真空度pv若大氣壓用pb表示，則：p=pb+pg

；p=pb-pv問:一密閉絕熱的儲氣罐，其上壓力表的讀數(shù)可能變化嗎？注意：只有絕對壓力才能代表工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)！問:容器上真空表讀數(shù)20kPa,大氣壓100kPa,容器的真空度=？壓力測量----壓力表精密壓力表二、溫度T宏觀：表征物體冷熱程度的物理量

微觀：物質(zhì)分子熱運動強烈程度的量度T0.5

mw21、一般定義：2、溫度的測量溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標3、常用溫標絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔點水三相點鹽水沸點發(fā)燒水沸點671.67459.67491.67559.67經(jīng)驗溫標，與測溫介質(zhì)有關(guān)→誤差與測溫介質(zhì)無關(guān)4、溫標的換算選擇題：－40℃與－40°F的關(guān)系為：

A.＜

B.＝C.＞D.不確定溫度測量方法日常：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：鉑電阻溫度計依據(jù)：兩個不同溫度的物體接觸最終會達到熱平衡（熱力學(xué)第零定律）原理：測溫介質(zhì)受熱膨脹比容v［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]1.4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖1、平衡狀態(tài)定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。溫差

—熱不平衡勢壓差

—力不平衡勢化學(xué)反應(yīng)

—化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢差勢平衡與穩(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，單相平衡態(tài)則一定是均勻的均勻一定平衡。為什么引入平衡概念？如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度）描述系統(tǒng)所處的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不平衡，則不能！工程熱力學(xué)研究的正是這種平衡狀態(tài)。2、狀態(tài)方程狀態(tài)方程：基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系如：理想氣體的狀態(tài)方程：實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)例：R134a的維里型狀態(tài)方程3、狀態(tài)參數(shù)坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖211.一剛性絕熱容器內(nèi)充有水和水蒸氣混合物，它們的溫度與壓力分別相等，不隨時間變化。試問汽水混合物是否已處于平衡態(tài)？汽水混合物的各種參數(shù)量是否到處均勻？2．鐵棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，經(jīng)過一段時間，鐵棒各點溫度保持恒定，試問，鐵棒是否處于平衡狀態(tài)？§1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程（熱力過程）熱力過程：在不平衡勢差的作用下，系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的歷程。問題：熱力學(xué)研究：平衡狀態(tài)無勢差狀態(tài)不變熱力過程不能實現(xiàn)熱力學(xué)研究：能量轉(zhuǎn)換途徑：狀態(tài)變化條件：有勢差平衡被破壞可見：“平衡”和“過程”是一對矛盾體，如何解決？一、準平衡過程（準靜態(tài)過程）p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..（1）一般過程（2）準靜態(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)實現(xiàn)準靜態(tài)過程的條件：不平衡勢差為無限小→過程進行得無限緩慢準靜態(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：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上有意義嗎？準靜態(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

準靜態(tài)過程準靜態(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為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛倍⒖赡孢^程、不可逆過程可逆過程：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，若能使系統(tǒng)按原來路徑逆行回到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡（包括系統(tǒng)和外界）。不可逆過程：不滿足上述條件的過程系統(tǒng)不能恢復(fù)到初態(tài)；或：能恢復(fù)，但外界留下痕跡包括：實現(xiàn)可逆過程的條件準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程通過摩擦使功變熱的效應(yīng)（摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）不可逆因素不平衡勢差耗散效應(yīng)∴只有系統(tǒng)和外界均不存在不可逆因素的過程才是可逆過程典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q自由膨脹真空?????????????????典型的不可逆過程節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★引入可逆過程的意義

準靜態(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，為評價實際過程的完善程度提供了一個比較基準?？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。實際過程都是不可逆過程，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。1.不可逆過程，就是工質(zhì)不能恢復(fù)到原狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？2.任何可逆過程都是準靜態(tài)過程，這種說法對嗎？3．判斷下列過程是否為可逆過程：（1）對剛性容器中的空氣緩慢加熱使其從50℃升溫到100℃。（2）高壓氣體突然膨脹至低壓。（3）摩托車發(fā)動機氣缸中的熱燃氣隨活塞迅速移動而膨脹。4.溫度為100℃的熱源，非常緩慢地把熱量加給處于平衡狀態(tài)下的0℃的冰水混合物，試問：冰水混合物經(jīng)歷的是準靜態(tài)過程嗎？加熱過程是否可逆？§1-6過程功和熱量一、功的熱力學(xué)定義熱力學(xué)中對功的定義：功是熱力系統(tǒng)通過邊界與外界傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。熱力學(xué)最常見的功：容積變化功

定義：因系統(tǒng)容積變化與外界交換的功（包括：膨脹功和壓縮功）。拉伸功，表面張力功，電極化功、磁化功力學(xué)中的功：W＝Fx

其他功：廣義功：二、可逆過程的功以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng):活塞向右移動微元距離dx，dx

很小，近似認為

p不變，可視為準靜態(tài)過程.pp0Adx系統(tǒng)對外界作的膨脹功為：W=pAdxmkg：W=pdVw=pdv1

kg：()=pdV示功圖----p-V圖pV.12.pp021W說明:1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]2）是過程量，與路徑有關(guān)3）正負號規(guī)定：4）適于準靜態(tài)下任何工質(zhì)對外為正對內(nèi)為負5）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)6）公式只適用可逆過程四、過程熱量2、符號：Q（q）3、單位：J（J/kg）4、正、負號：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負1、定義：熱量是系統(tǒng)與外界在溫差的推動

下傳遞的能量。五、Q與W類比能量傳遞方式

W

Q性質(zhì)推動力標志參數(shù)公式公式適用條件圖示pVWTSQP-V(示功圖)T-s（示熱圖）過程量過程量ΔTΔpdS

,dsdV,dv準靜態(tài)或可逆可逆§1-7熱力循環(huán)要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：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熱力循環(huán)。分類：（1）按是否可逆分不可逆循環(huán)可逆循環(huán)（所有過程均可逆）（2）按能量轉(zhuǎn)換目的分逆循環(huán)（制冷）正循環(huán)（動力）正循環(huán)凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)（Q→W）：順時針方向pV21TS12逆循環(huán)凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)（W→Q

）：逆時針方向pV21TS12熱力循環(huán)的評價指標正循