工程熱力學1Chapter基本概念

《工程熱力學》

徐建良編授課教師：徐建良

E-mail：xjl361@163.com9/26/20241本學期授課安排

緒論(1)1.基本概念

(2)2.氣體的p-V-T性質(3)3.能量與熱力學第一定律(6)

4.氣體的主要熱力過程與氣體的壓縮(4)5.能質與熱力學第二定律(4)6.水蒸氣(2)

7.氣體與蒸汽的流動(2)

8.動力循環(huán)

(4)9.制冷(4)10.機動(2)復習考查(2)2主要參考書國內(nèi)

1.各高校的《工程熱力學》教材；

2.各類《化工熱力學》教材

3.國外教材的翻譯版國外：

(1)H·D貝爾（西德）著，工程熱力學

(2)Dodge（1944年第1版）編著《化工熱力學》教材；

(3)SmithandVanNess編著《化工熱力學導論》教材；

（第六版）

3學習方法與幾點要求

溫故知新，復習高數(shù)、物理等，及時預、復習，善于提問、總結

充分利用課堂時間提高學習效率作業(yè)按時獨立完成多看一些參考書，擴大知識面平時(40%)考查(60%)總評作業(yè)(50%)出勤(30%)提問(20%)(60%)4緒論熱力學發(fā)展簡述工程熱力學的研究對象和基本任務工程熱力學的主要內(nèi)容工程熱力學的研究方法工程熱力學的學習方法5緒論一、熱力學發(fā)展簡介

起源：熱現(xiàn)象熱力學（Thermodynamics）1.熱力學定義關于能量的普遍學說，或是一門研究能量及其相互轉換的科學，它能預言物質狀態(tài)變化的趨勢并研究伴有熱效應體系的平衡。2.熱力學核心內(nèi)容

4個定律、3個E（Energy、Equilibrium、Entropy）3.發(fā)展過程及主要貢獻人物

18世紀之前：熱質論

Bacon認為“熱是一種運動”

1744年Lomonosov

熱是分子運動的表現(xiàn)

1824年Carnot(1796-1832)1842年Mayer1843~1848年Joule1850年Clausius(1822~1888),德國物理學家,數(shù)學,熱力學…1851年Thomson即Kelvin,物理,熱力學,電工,測量儀表…

Rankine,Gibbs,Planck,Boltzmann,Maxwell……4.熱力學內(nèi)容三要素：原理、模型、應用6緒論二、工程熱力學的研究對象和基本任務（一）工程熱力學的研究對象物質、狀態(tài)、現(xiàn)象和過程凡是涉及熱現(xiàn)象的過程、裝置以及系統(tǒng)都是工程熱力學的研究對象。而熱機中進行的過程和循環(huán)則是工程熱力學的傳統(tǒng)研究對象。（二）工程熱力學的基本任務就是通過對各種用能設備及系統(tǒng)中的能量轉換過程及影響因素的研究，探求有效用能的技術途徑和基本方法。7緒論三、工程熱力學的主要內(nèi)容1．研究熱力學的基本定律——熱力學第一、二定律2．研究工質的熱物理性質3．研究各種熱力設備中的能量轉換過程4．研究與熱力設備的工作過程直接有關的一些化學和物理化學問題。工程熱力學的應用范圍已擴展到許多工程技術領域中,如制冷、熱泵、空氣分離、空氣調節(jié)、海水淡化、化學精煉、生物工程等,都需要應用工程熱力學的基本理論和基本知識。因此,工程熱力學已成為制冷與空調及許多相關專業(yè)所必修的一門技術基礎課。00:278緒論四、工程熱力學的研究方法

1.宏觀研究法(黑箱法)2.微觀法(白箱法)3.綜合法(灰箱法)(半理論半經(jīng)驗法)五、工程熱力學的學習方法

1.明確本課程的研究對象和任務。

2.掌握本課程的基本理論，掌握分析問題解決問題的科學方法。

3.重視平時的解題訓練。00:279第一章基本概念§1.1工質、熱力系

一、工質為完成熱能與機械能之間的相互轉換必須借助的某種工作物質或工作介質——工質

00:27二、熱力系、邊界與外界1.熱力系:被人為地劃分出來作為熱力學研究的對象。2.邊界:包圍熱力系的邊緣3.外界:熱力系邊界以外的空間10第一章基本概念外界的構成

(1)單一環(huán)境(Surrounding)

如研究換熱器時，若以整個換熱器為體系，則其外界為單一的大自然環(huán)境，因其不可避免地會與大自然環(huán)境發(fā)生熱交換。

(2)另一或一個以上體系+環(huán)境如研究換熱器時，若以其中的熱流體為體系，則其外界為兩個部分，即大自然環(huán)境和冷流體。三、熱力系的分類

1.封閉熱力系(閉系)

體系與外界只有能量交換而無物質交換的體系；

2.敞開熱力系(開系)

體系與外界既有能量交換又有物質交換的體系；

3.孤立熱力系(孤立系、隔離熱力系)

體系與外界既無能量交換又無物質交換的體系。00:2711第一章基本概念§1.2工質的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)一、熱力狀態(tài)

熱力系中的工質在某一瞬間所具有的全部宏觀物理狀況稱為工質的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

二、平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)是指熱力系在無外界影響下，其宏觀物理狀況不隨時間而變化的狀態(tài)。

熱力學一般只對平衡狀態(tài)進行分析研究。三、基本狀態(tài)函數(shù)(一)狀態(tài)參數(shù)

1.狀態(tài)函數(shù)的概念:指用來描述體系所處狀態(tài)的宏觀物理量。

2.狀態(tài)函數(shù)的特點:

唯一性,點函數(shù),有全微分，如：00:27

3.熱力學狀態(tài)函數(shù)的分類

(1)強度性質(IntensiveProperties)

凡與質量無關的稱為強度量,如p、T等,強度量不具有加和性

(2)容量性質（廣延性質）(ExtensiveProperties)

凡與質量成比例的量稱之為容量性質,如V等,具有加和性12第一章基本概念§1.2工質的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)三、基本狀態(tài)函數(shù)(二)溫度(Temperature)

1.溫度的概念

(1)

宏觀的定義:衡量物體冷、熱程度的參數(shù)。

(2)

微觀的定義:衡量物體內(nèi)部分子熱運動強弱的參數(shù)。

(3)

熱力學第零定律(溫度計測溫的依據(jù))

若A與B處于熱平衡狀態(tài)，A與C也處于熱平衡狀態(tài)，則B與C必處于熱平衡狀態(tài)。描述處于同一熱平衡狀態(tài)的宏觀物理量稱為溫度。

2.溫度的表示

(1)開氏溫標(Kelvin,1848年Thomson提出)1954年國際第十屆計量會議規(guī)定，以水的三相點為基準，定為273.16K。

(2)攝氏溫標（Celsius，1742年）

(3)華氏溫標（Fahrenheit，1714年）

(4)蘭氏溫標（Rankine）

00:2713第一章基本概念§1.2工質的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)三、基本狀態(tài)函數(shù)(二)溫度(Temperature)

3.各種溫標之間的關系(用軟件演示)00:27溫標種類開氏溫標（K）0273.15255.3722攝氏溫標（℃）－273.150－17.778華氏溫標（℉）－459.67320蘭氏溫標（R）0491.67459.67T(K)=t(℃)+273.15T(oR)=1.8T(K)t(℉)=1.8t(℃)+32t(℉)=T(R)－459.6714第一章基本概念(三)壓力

1.壓力的概念單位面積上所受的垂直力稱之為壓力，以符號p表示。

2.壓力表與真空表00:27

3.壓力的表示

(1)當絕對壓力大于大氣壓力（p0）時，壓力表上的讀數(shù)ps稱為表壓力。此時有： p=ps+p0

（1-2）

(2)當絕對壓力低于大氣壓力時，表示容器內(nèi)工質具有真空度（pv），此時有： p=p0

pv

（1-3）

思考:壓力的基本單位?換算?ps

、pv是不是狀態(tài)參數(shù)?15第一章基本概念§1.2工質的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)(四)密度與比體積

1.密度(1)密度的概念

單位容積的工質所具有的質量，稱為工質的密度。(2)密度的計算

=m/V(kg/m3)2.比體積(又稱比容)(1)比體積的概念單位質量工質占有的容積稱之為工質的比體積。

(2)比體積的計算v=V/m(m3/kg)密度與比體積互為倒數(shù)！00:2716第一章基本概念§1.3狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖

一、狀態(tài)參數(shù)之間關系的描述方法

(1)

公式、表達式、關系式等;(2)圖形、曲線等;(3)表格思考:上述三種方式中哪一種方法對體系所處狀態(tài)的描述最為正確?00:27pV=p1V1=p2V2二、狀態(tài)方程表示狀態(tài)參數(shù)之間函數(shù)關系的數(shù)學表達式。

三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖

描述熱力系狀態(tài)參數(shù)之間關系的圖形。思考:(1)描述純物質的性質要用幾個狀態(tài)參數(shù)?

(2)描述理想氣體等溫過程的狀態(tài)方程?狀態(tài)參數(shù)坐標圖?17第一章基本概念§1.4熱力過程及其描述

一、熱力過程熱力系與外界相互作用而引起的熱力系由一個平衡狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)的中間狀態(tài)變化到一個新的平衡狀態(tài)的全過程，稱為熱力過程，簡稱過程，它實質上是一系列狀態(tài)點組成的軌跡。二、實際熱力過程——非平衡過程00:27思考：實際過程容積計算？功=力×位移W=p2S×(v2－v1)/S=p2(v2－v1)Nm→J三、平衡過程與準靜態(tài)過程(一)平衡過程

熱力系的變化是經(jīng)歷一系列平衡狀態(tài)的平衡過程。18第一章基本概念00:27三、平衡過程與準靜態(tài)過程(一)平衡過程

熱力系的變化是經(jīng)歷一系列平衡狀態(tài)的平衡過程。

平衡過程中任何一個狀態(tài)的特征都可用狀態(tài)方程來描述,其過程在坐標圖上可表示為一條曲線,稱為過程線,如圖1-9中的曲線1-2。準靜態(tài)過程的特征是：（1）在過程中，熱力系內(nèi)部不斷存在力平衡和熱平衡，或平衡被破壞的程度無限??；（2）過程進行得無限慢；（3）在坐標圖上可用連續(xù)的曲線來描述，如圖1-9中的曲線1-2。

(二)準靜態(tài)過程(準平衡過程)

由一系列中間平衡狀態(tài)所組成的熱力過程稱為準靜態(tài)過程。19第一章基本概念00:27四、可逆過程與不可逆過程(一)不可逆過程一切實際熱力過程都是不可逆過程。

(二)可逆過程是指一個過程進行之后，可以循原途徑逆向進行，并使熱力系與外界完全恢復到原來狀態(tài)的過程。思考:準靜態(tài)過程與可逆過程的區(qū)別?

簡單熱力系進行可逆過程必須滿足以下二個條件：（1）無推動力，即傳熱無溫差——傳熱時熱力系內(nèi)部、熱力系與外界均不存在溫差；做功（或耗功）無壓差——即膨脹時（或壓縮時）熱力系內(nèi)部、熱力系與外界不存在壓差；（2）過程中熱力系與外界、熱力系內(nèi)部均不存在任何摩擦。

可逆過程的基本特征是:過程進行的結果不給熱力系及外界留下任何影響（或痕跡）。20第一章基本概念§1.5熱力系的狀態(tài)能

一、靜態(tài)工質的貯存能

(一)內(nèi)貯存能——內(nèi)能(熱力學能)

1.內(nèi)能的定義熱力系內(nèi)所有粒子除整體勢能及整體動能外全部能量的總和，它是與物質內(nèi)部分子結構以及分子運動有關的微觀能量。

2.內(nèi)能的構成

(1)內(nèi)動能;(2)內(nèi)位能;(3)化學能;(4)原子能。(二)外部貯能——重力位能由于重力的作用而具有的重力位能Ep為：Ep=mgZ

靜態(tài)工質的總貯存能是其內(nèi)能與重力位能之和。即:E=U+Ep

（1-4）

00:2721第一章基本概念二、流動工質的能量及焓（一）宏觀動能

00:27（二）流動功(擠壓功,推動功,推進功,壓強能)1.定義:流體在流動過程中,由于前后流體之間的相互擠壓而交換的功。

2.計算式

注意:流動功是一種特殊的功，其數(shù)值僅取決于工質進、出界面時的熱力狀態(tài)。故流動功是狀態(tài)參數(shù)!

22第一章基本概念(三)焓及其物理意義某一流動熱力系具有的總能量為:E=U+pV+Ek+Ep令: H=U+pV

（1-7a）或: h=u+pv

（1-7b）故: E=H+Ek+Ep

（1-8a）或 e=h+ek+ep

（1-8b）對于流動工質,其進、出口總能量變化為:

E=E2

E1=

H+

E

k+

Ep

（1-9）00:27注意:焓只是一個復合狀態(tài)參數(shù)!

23第一章基本概念§1.6熱力學的傳遞能——功與熱

一、功（Work）

1.功的定義

(1)經(jīng)典的力學中的定義:力×位移

(2)熱力學中的定義:功是熱力系通過邊界而傳遞的能量,且其全部效果可表現(xiàn)為“舉起重物”。功是個過程量，且屬于“有序能量”、“高級能量”。

2.功的“+”、“－”號規(guī)定體系得功或耗功為“+”、對外作功為“－”。

3.功的種類如：容積功、軸功、理想功、損失功等各類功的計算

4.體積功(容積功)計算舉例00:2724第一章基本概念00:27

W=Fsur

dl (1-12)

Fsur=

Fsys=

psys

A (1-13) dl=dv/A例題1-1、1-2、1-325第一章基本概念二、熱(Heat),熱量(quantityofheat),熱能