《工程熱力學》教案（第一章） 基本概念及定義

《工程熱力學》：第一章基本概念及定義PAGEPAGE4教案首頁課程名稱《工程熱力學》任課教師吳建第一章基本概念及定義計劃學時4教學目的和要求：了解熱力系統(tǒng)的定義、平衡狀態(tài)的概念和應滿足的平衡條件；掌握基本狀態(tài)參數p、v、T的定義、計量及不同單位間的換算；了解準靜態(tài)過程的定義及提出準靜態(tài)過程的意義和作用；對不同的熱力循環(huán)極其作用建立起初步的概念。重點：平衡狀態(tài)的概念和應滿足的平衡條件狀態(tài)參數的特點狀態(tài)方程式、狀態(tài)參數坐標圖準靜態(tài)過程的定義及提出準靜態(tài)過程的意義功和熱量難點：平衡狀態(tài)的概念狀態(tài)參數的特點準靜態(tài)過程思考題：狀態(tài)參數有什么特點？狀態(tài)參數坐標圖有什么用途？引入準靜態(tài)過程的意義何在？實施準靜態(tài)過程需要什么條件？P33：1-1、1-2、1-3、1-4、1-6、1-7、1-8第一章基本概念及定義§1－1熱力學系統(tǒng)一熱力學系統(tǒng)（系統(tǒng)）以氣缸內氣體受熱膨脹推動活塞移動、在管道內氣體的流動為例說明：在分析能量能量轉換過程時，需要確定分析研究的對象，也就是通過觀察所研究的對象的變化來討論能量轉化的情況。定義：在熱力學分析中，需選取的某些確定的物質或某個確定空間中的物質作為熱力學研究的對象，稱其為熱力學系統(tǒng)。簡稱為系統(tǒng)。外界（或環(huán)境）：熱力系統(tǒng)之外的、在能量轉換過程中與熱力系統(tǒng)發(fā)生相互作用的一切其它物質，成為外界或環(huán)境。在熱力學分析中，對于外界與系統(tǒng)之間的相互作用主要是能量和物質的交換。邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。固定邊界、移動邊界、真實邊界、假象邊界二工質和熱源工質：在能量轉換裝置中，實現能量轉換的工作物質，稱為工質。由于能量轉換是在工質狀態(tài)變化的過程中實現的，所以在熱力學分析中通常選取裝置中的工質作為熱力系統(tǒng)。熱源：在熱力學分析中，常遇到這樣一類物質，它們具有無限大的熱容量。當它們吸入或對外放出有限熱量時，其溫度保持不變。稱這類物質為熱源。根據熱源的溫度可以分為高溫熱源和低溫熱源。在熱力學分析中，熱源通常是外界的物質，在能量轉換中，工質和熱源之間會發(fā)生熱量的交換。三系統(tǒng)的分類系統(tǒng)與外界相互作用，主要表現為能量和質量的交換，因此，系統(tǒng)的分類也是根據系統(tǒng)與外界之間的能量和質量的交換情況劃分的：閉口系統(tǒng)：熱力系統(tǒng)與外界之間沒有物質的交換，也就是沒有物質穿過邊界。此類系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)。取一定的物質為研究對象?？刂瀑|量。系統(tǒng)內部質量不變；存在能量交換。例：在一個封閉的氣缸中的流體。開口系統(tǒng)：熱力系統(tǒng)與外界之間有物質的交換，也就是有物質穿過邊界。此類系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)。把對象規(guī)劃在一定的空間范圍內?？刂迫莘e。系統(tǒng)內部質量可以變化；存在能量交換。例：在一個發(fā)動機氣缸中的進排氣過程。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有熱量的交換?？梢杂匈|量交換和功量交換。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界即沒有質量的交換也沒有能量的交換。系統(tǒng)與外界不發(fā)生任何聯系。例：把進行能量交換的一切有關物質如工質、熱源、耗功設備等取為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)的選取，取決與分析問題的需要和方法；正確選擇系統(tǒng)，是進行正確的熱力學分析的前提?！?－2系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數能量轉換是通過系統(tǒng)工質狀態(tài)的變化實現的，所以首先要了解狀態(tài)及狀態(tài)參數的概念。一系統(tǒng)的狀態(tài)定義：系統(tǒng)在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況。因為一般都是把設備中的工質作為研究對象，所以系統(tǒng)的狀態(tài)就是工質所呈現的物理狀況。二狀態(tài)參數定義：用來描述系統(tǒng)所呈現的物理狀況的物理量。狀態(tài)參數的特點：1）狀態(tài)一定，狀態(tài)參數一定；反之，狀態(tài)參數一定，所描述的狀態(tài)一定；2）狀態(tài)參數的變化，僅與狀態(tài)變化過程的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關，與變化過程無關；其變化量等于起始狀態(tài)和終了狀態(tài)狀態(tài)參數的差值；只要不同狀態(tài)變化過程的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)分別相同，則狀態(tài)參數的變化量相同。3）工質完成一個循環(huán)（封閉過程）時，狀態(tài)參數變化量為零。三基本狀態(tài)參數壓力p、溫度T、比容v是最基本的狀態(tài)參數，稱為基本狀態(tài)參數。它們是可以測量的物理量。壓力p：定義：單位面積上所受到的垂直作用力。根據分子運動學，氣體的壓力是氣體分子運動撞擊表面，而在單位面積上所呈現的平均作用力。對理想氣體：n0：單位體積內的分子數：分子的平均移動動能1）壓力的測量、表壓力、絕對壓力壓力測量：壓力計，工程上有彈簧管壓力計和U型管，實際上是測量壓差的。壓力計的讀數為系統(tǒng)真實壓力與大氣壓力的壓力差。當真實壓力大于大氣壓力時，壓力計讀數稱為表壓力pe。當真實壓力大于小氣壓力時，壓力計讀數稱為真空度pv。系統(tǒng)的真實壓力稱為絕對壓力p。絕對壓力、表壓力、真空度的關系：當時：當時：2）壓力的單位采用國際單位制，基本單位為帕斯卡，Pa常用單位為：兆帕MPa巴bar溫度T：1)熱平衡及熱力學第零定律熱平衡：冷熱不同的兩個系統(tǒng)發(fā)生熱接觸，兩系統(tǒng)的狀態(tài)都會發(fā)生變化，直到兩系統(tǒng)達到冷熱程度相同時，它們所達到的新狀態(tài)不再發(fā)生變化，這種新的狀態(tài)就是熱平衡狀態(tài)。熱力學第零定律：實驗結果表明，如果A、B兩個系統(tǒng)分別與C系統(tǒng)處于熱平衡，則A、B兩系統(tǒng)也必然處于熱平衡。2)溫度對于所有處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)而言，必然有一個數值相等的狀態(tài)參數來描述所處的熱平衡狀態(tài)，這個參數就稱為溫度。溫度是描述系統(tǒng)熱平衡特性的狀態(tài)參數，溫差是驅動熱流的不平衡勢。3)溫度的標尺用來表示溫度高低的尺度，簡稱溫標。測溫原理：根據熱平衡的概念，只要溫度計與被測系統(tǒng)處于熱平衡，就可以按溫度計中測溫物質的溫度來表示被測系統(tǒng)的溫度。溫標的建立：除選擇一定的測溫手段外，還需確定溫標的基準點以及分度方法。1）攝氏溫標t：取水在一個大氣壓下的冰點為0度，汽點為100度，其間分成100個分度。單位符號記為℃2）華氏溫標：取水在一個大氣壓下的冰點為55度，汽點為215度，其間分成160個分度。單位符號記為3）熱力學溫標T：水的三相點作為固定點，規(guī)定該點的熱力學溫度為273.16K，熱力學溫度單位K為1/273.16。熱力學溫度與攝氏溫度之間的關系：t=T－273.15K根據分子運動學理論，比體積v：定義：單位質量的物質所占有的體積。m3/kg單位體積物質所具有的質量為密度。kg/m3從微觀意義上講，對一定氣體而言，密度和比體積均為描述分子聚集疏密程度的物理量?！?－3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數坐標圖舉例說明：狀態(tài)參數無法描述非平衡狀態(tài)，引出平衡狀態(tài)概念一平衡狀態(tài)舉例說明：力平衡、熱平衡定義：在沒有外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而變化，則系統(tǒng)所處的狀態(tài)為平衡狀態(tài)。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件：系統(tǒng)內部存在熱平衡、力平衡。二獨立狀態(tài)參數的個數1）系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)變化到另一個平衡狀態(tài)，取決于系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞。能量傳遞方式是相互獨立的。2）確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數的個數決于系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞方式的數目。對于常見的氣體物質組成的系統(tǒng)，在沒有化學反應時，能量傳遞方式主要有傳熱和容積變化作功2種，所以，確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數的個數就是2。只要確定了2個狀態(tài)參數，就可以確定一個平衡狀態(tài)，其它的狀態(tài)參數也就相應確定了。如：當p、T已知時，系統(tǒng)的狀態(tài)也就相應確定了，其它狀態(tài)參數可以表示為p、T的函數。三狀態(tài)參數坐標圖定義：以2個獨立狀態(tài)參數為縱橫坐標所得到的坐標圖。常用的有壓容圖（p–v圖）、溫熵圖（T–s圖）圖上的任意一點都代表了一個平衡狀態(tài)?！?－4狀態(tài)方程式上節(jié)講到：對于氣體系統(tǒng)，只要確定了2個狀態(tài)參數，就可以確定一個平衡狀態(tài)，其它的狀態(tài)參數也就相應確定了。就是說：對于平衡狀態(tài)而言，狀態(tài)參數之間存在著某種確定的函數關系，這種函數關系成為熱力學函數（或熱力學關系式）。狀態(tài)方程式：基本狀態(tài)參數之間的函數關系式?；颍豪硐霘怏w模型的概念：兩個條件高壓、低溫時分子體積和分子引力的影響小，基本上滿足理想氣體條件。在工程上，常見的氣體工質在常溫常壓下均可視為理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程式：1mol理想氣體：R：摩爾氣體常數8.3145J/mol.K1kg理想氣體：Rg：氣體常數J/kg.KM：理想氣體的摩爾質量nmol理想氣體：mkg理想氣體：§1－5熱力過程準靜態(tài)過程一熱力過程定義：系統(tǒng)從一個狀態(tài)出發(fā)，經歷一系列中間狀態(tài)變化到另一狀態(tài)，系統(tǒng)所經歷的所有中間狀態(tài)的綜合，稱為熱力過程。系統(tǒng)狀態(tài)變化，都是由于系統(tǒng)的平衡被破壞的結果，是系統(tǒng)向新的平衡過度的歷程二準靜態(tài)過程以傳熱、作功過程為例說明實際過程的中間狀態(tài)都是非平衡狀態(tài)，無法用狀態(tài)參數的變化來描述過程。引出準靜態(tài)過程概念。舉例：沙子、微小溫差定義：過程中系統(tǒng)所經歷的是一系列平衡狀態(tài)并在每次狀態(tài)變化時僅無限小地偏離平衡狀態(tài)，這樣的過程稱為準靜態(tài)過程。說明：1）變化微小，有足夠的時間恢復平衡，過程的進行相對于恢復平衡的速度是緩慢的。2）實際過程：分子熱運動速度、壓力傳播速度快，恢復所需時間極短，而設備運行速度相對慢，所以可以視為準靜態(tài)過程。準靜態(tài)過程可以在狀態(tài)參數坐標圖上用實線表示?！?－6準靜態(tài)過程的功一功的定義在力學中，定義功為：力與物體在力作用方向上的位移的乘積，即在熱機中，1）氣體膨脹推動活塞運動，氣體對活塞作功；2）氣流作用在葉輪使葉輪旋轉，氣體對葉輪作功。均為機械功。還有一些功雖不表現為力和位移，但通過轉換可以全部轉變?yōu)闄C械功，如電池輸出電能，而電能可以全部轉變?yōu)闄C械功，所以也說電池輸出電功。因此，在熱力學中，根據能量轉換觀點，對功有如下定義：功是熱力學系統(tǒng)和外界之間通過邊界而轉移的能量，且其全部效果可以表現為舉起重物。注意：動能和位能是系統(tǒng)本身具有的機械能，不是功。二容積變化功定義：由于系統(tǒng)容積變化和外界發(fā)生作用而傳遞的功，稱為容積變化功。有壓縮功、膨脹功。三容積變化功的計算微元過程：F：氣體對活塞的作用力；Wf：摩擦擾動等引起的功的損失在無功耗散的準靜態(tài)過程中，容積變化功為：A：活塞截面積過程1-2：單位質量氣體：式中：過程方程式舉例說明：等溫過程功的單位：J、J/kg氣體膨脹時：dv>0，w1-2>0，對外界做功，正功；氣體受壓縮時：dv<0，w1-2<0，外界對氣體做功，負功。四容積變化功在p-v圖上的表示1）容積變化功的大小可以用過程曲線下的面積來表示；2）相同的起點和終點，若過程不同，則容積變化功也不同。本節(jié)所推出的公式只適用于沒有功耗散的準靜態(tài)過程（即可逆過程），在熱力學分析時，可以把實際過程先按照沒有功耗散的準靜態(tài)過程進行分析，再根據功耗散的具體情況進行修正?！?－7熱量一熱量的定義定義：熱量是系統(tǒng)與外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。用氣體分子運動學說明。二功和熱量的類比共同點：都是系統(tǒng)與外界之間通過邊界傳遞的能量。不同點：發(fā)生能量傳遞的原因不同。傳熱：紊亂的分子運動相互作用作功：有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動相互作用三熱能定義：物體內部分子紊亂熱運動所具有的能量。是可以儲存在物體內部的能量。四準靜態(tài)過程熱量的計算系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞，都可以看成是在某種作用的推動下使系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)坐標的改變而進行能量傳遞的。推動作用的大小代表了能量傳遞的強度，反映推動作用的參數稱為勢參數。狀態(tài)坐標是能量傳遞作用的標志。作功：p是勢參數，v是狀態(tài)坐標參數。傳熱：T是勢參數，s是狀態(tài)坐標參數。類比容積功的計算，在無功耗散的準靜態(tài)過程中，有：式中：五熱量在T-s圖上的表示1）熱量的大小可以用過程曲線下的面積來表示；2）相同的起點和終點，若過程不同，則熱量也不同。3）吸熱時：ds>0，q1-2>0。放熱時：ds<0，q1-2<0。六利用比熱計算熱量比熱容的定義：1kg物質溫度升高1K所需的熱量稱為物質的比熱容。記為c。即：定容比熱：定壓比熱：摩爾比熱：1mol物質溫度升高1K所需的熱量稱為物質的比熱容。有定壓摩爾比熱Cp,m和定容摩爾比熱CV,m。容積比熱：1Nm3物質溫度升高1K所需的熱