工程熱力學(xué)第1章-工程熱力學(xué)(沈維道-童鈞耕主編)第四版課件

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程1-2熱力系統(tǒng)1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4平衡狀態(tài)1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)1第一章基本概念BasicConceptsandDe一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)

定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。分類共同本質(zhì)：由媒介物通過(guò)吸熱—膨脹作功—排熱

氣體動(dòng)力裝置(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(jī)(internalcombustiongasengine)

燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jetpowerplant)……

蒸氣動(dòng)力裝置(steampowerplant)1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程2一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對(duì)工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動(dòng)性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對(duì)環(huán)境友善

6）價(jià)廉，易大量獲取3二、工質(zhì)(workingsubstance;workin三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。?高溫?zé)嵩础獰嵩?/p>

（

heatsource）低溫?zé)嵩础湓矗╤eatsink）?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)變溫?zé)嵩?三、熱源(heatsource;heatreservo1-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）外界和邊界?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?外界(surrounding)：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義51-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）?系統(tǒng)(thermo二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)6二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)6?汽缸-活塞裝置（閉口系例）7?汽缸-活塞裝置（閉口系例）7?移動(dòng)和虛構(gòu)邊界8?移動(dòng)和虛構(gòu)邊界81）系統(tǒng)與外界的人為性2）外界與環(huán)境介質(zhì)3）邊界可以是：a）剛性的或可變形的或有彈性的b）固定的或可移動(dòng)的c）實(shí)際的或虛擬的注意：91）系統(tǒng)與外界的人為性注意：9三、熱力系分類

按組元數(shù)

單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem)按相數(shù)單相系(homogeneoussystem)復(fù)相系(heterogeneoussystem)注意：1）不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；2）復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)。

1.按組元和相10三、熱力系分類按組元數(shù)按相數(shù)注意：1）不計(jì)

閉口系（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）—沒(méi)有質(zhì)量越過(guò)邊界

開口系（opensystem）

（控制體積CV）—通過(guò)邊界與外界有質(zhì)量交換2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換11閉口系（closedsystem）開口系（opens

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；2）開口系與絕熱系的關(guān)系；3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：3.按能量交換121）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；注意：四、熱力系示例1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲

紅線內(nèi)——閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系蘭線內(nèi)——孤立系13四、熱力系示例1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲閉口系2．剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)—取噴管為系統(tǒng)—開口系絕熱系?14閉口系2．剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)—取噴管為系統(tǒng)—開口系絕熱３．A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來(lái)”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)—孤立系—閉口系15３．A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，ABA部落為系統(tǒng)A+B部1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合

狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

1．狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類161-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)狀態(tài)（st2．狀態(tài)的單值函數(shù)。物理上—與過(guò)程無(wú)關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分。3．狀態(tài)參數(shù)分類

廣延量（extensiveproperty）

強(qiáng)度量（intensiveproperty

）

又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性，如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。172．狀態(tài)的單值函數(shù)。3．狀態(tài)參數(shù)分類又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件

系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀態(tài)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)相等簡(jiǎn)單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：

兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等18三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemperaturescale）

溫度的定義：測(cè)溫的基礎(chǔ)—熱力學(xué)零定律(zerothlawofthermodynamics)熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale)19四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemper華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+3220華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}°R={t}五、壓力(pressure)絕對(duì)壓力p(absolutepressure)表壓力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)21五、壓力(pressure)絕對(duì)壓力p(absolute常用壓力單位：例A4001441例A400277122常用壓力單位：例A4001441例A400277122六、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量?jī)烧哧P(guān)系:23六、比體積和密度比體積(specificvolume)單1-4平衡狀態(tài)1．定義：無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)?熱平衡（thermalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡（mechanicalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）241-4平衡狀態(tài)1．定義：無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定—平衡可不均勻—穩(wěn)定未必平衡25討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定—平衡可*二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）n—系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)；f—系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。簡(jiǎn)單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式26*二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）n—系統(tǒng)三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程（puresubstancestateequation）狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）Rg—?dú)怏w常數(shù)（gasconstant）R—通用氣體常數(shù)（universal(molargasconstant)摩爾質(zhì)量27三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程Rg—?dú)怏w２．實(shí)際氣體(realgas;imperfectgas)的狀態(tài)方程范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）R-K方程（a,b為物性常數(shù)）28２．實(shí)際氣體(realgas;imperfectgasBWR方程維里型方程29BWR方程維里型方程29四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordinates）

一簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO30四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordina附：純物質(zhì)的p-v-T圖31附：純物質(zhì)的p-v-T圖31水p-v-T圖32水p-v-T圖32一、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

定義：偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過(guò)程。進(jìn)行條件：

破壞平衡的勢(shì)—

過(guò)程進(jìn)行無(wú)限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無(wú)窮小1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程33一、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(quasi-staticprocess;二、可逆過(guò)程(reversibleprocess)定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來(lái)狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過(guò)程?？赡孢^(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆●單純傳熱過(guò)程34二、可逆過(guò)程(reversibleprocess)定義非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(nonequilibriumprocess)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆●作功過(guò)程pFfpb35非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆●作功過(guò)程pF1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果3.一切實(shí)際過(guò)程不可逆4.內(nèi)部可逆過(guò)程的概念5.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示

討論：361.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)討論：36一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功

1．功的力學(xué)定義

2．功的熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過(guò)程功的計(jì)算▲功是過(guò)程量▲功可以用p-v圖上過(guò)程線與v軸包圍的面積表示1-6功和熱量37一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功1．功的

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”

外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號(hào)約定：38系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”5．功和功率的單位：附：4．功的符6．討論有用功(usefulwork)概念其中:W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf例A7001331396．討論有用功(usefulwork)概念其中:W—膨脹用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功?40用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功?40二、廣義功(generalizedwork)簡(jiǎn)介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等41二、廣義功(generalizedwork)簡(jiǎn)介彈性力功表三、熱量（heat）1．定義：僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。2．符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過(guò)程量（T-s圖上）表示42三、熱量（heat）1．定義：僅僅由于溫差而2．符號(hào)約定：系四、熱量與功的異同：

1.均為通過(guò)邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；

4.功是物系間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。功2.均為過(guò)程量；熱是無(wú)條件的；熱功是有條件、限度的。43四、熱量與功的異同：1.均為通過(guò)邊界傳遞的能量；3.思考題：容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過(guò)程性質(zhì)。逐個(gè)抽去隔板，又如何？44思考題：容器為剛性絕熱，抽去隔板，逐個(gè)抽去