《工程熱力學(xué)》課件-3 熱力過程、功(與熱量)

熱力過程、功與熱量010203了解熱力過程的定義理解準靜態(tài)過程與可逆過程掌握功、熱量與熵的定義課程要求平衡狀態(tài)熱能

機械能任何熱力系，如果它原來已經(jīng)處于平衡狀態(tài)，而又沒有外界的作用，那么它將一直保持這種平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)的熱力系，若與外界發(fā)生功或熱的相互作用，則平衡將遭到破壞，狀態(tài)將發(fā)生變化。12熱力過程熱能

機械能定義：熱力系統(tǒng)從某一初始狀態(tài)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)變化到某一最終狀態(tài)12不平衡狀態(tài)不能用確定的狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程表示和分析，所以提出理想的熱力過程:準平衡過程，可逆過程。若熱力過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都是是平衡狀態(tài)或無限接近于平衡狀態(tài)，由這樣一系列可以看作平衡狀態(tài)（準確地說是無限接近平衡的狀態(tài)）所組成的熱力過程稱為準平衡過程，也稱為準靜態(tài)過程。準平衡過程121pv2若熱力過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都是是平衡狀態(tài)或無限接近于平衡狀態(tài)，由這樣一系列可以看作平衡狀態(tài)（準確地說是無限接近平衡的狀態(tài)）所組成的熱力過程稱為準平衡過程，也稱為準靜態(tài)過程。準平衡過程1pv212準平衡過程可以把系統(tǒng)想象成一個非?！奥宰印钡娜嗽谂郎?。這個人每邁出一步，都要等自己的呼吸、心跳等身體狀態(tài)調(diào)整到好像在平地上休息一樣（接近平衡態(tài)），然后再邁出下一步。在這個爬山的過程中，他所經(jīng)歷的每一個位置（類比系統(tǒng)的中間狀態(tài)），身體狀態(tài)都幾乎和在平地上一樣穩(wěn)定，這就是準平衡過程的一種通俗理解。再比如，往一個杯子里非常緩慢地倒水。如果倒水的速度足夠慢，杯子里的水面每次上升一點后，水在杯子里都有足夠的時間讓壓強、溫度等狀態(tài)參數(shù)在局部達到平衡，就好像杯子里的水一直處于平靜的狀態(tài)，沒有因為倒水而產(chǎn)生劇烈的波動或者不均勻的情況。這個緩慢倒水的過程就類似于準平衡過程。過程特點狀態(tài)變化的連續(xù)性：在準平衡過程中，系統(tǒng)的狀態(tài)是連續(xù)變化的。就像前面提到的緩慢倒水的例子，水的高度、壓強等狀態(tài)參數(shù)是一點一點連續(xù)變化的，不會出現(xiàn)突然的跳躍。這是因為系統(tǒng)在每一個中間狀態(tài)都接近平衡，沒有突然的失衡導(dǎo)致狀態(tài)突變。可以用狀態(tài)參數(shù)來描述：由于系統(tǒng)在過程中的每一個狀態(tài)都接近平衡態(tài)，所以可以用我們熟悉的狀態(tài)參數(shù)（如壓強、溫度、體積等）來準確地描述這個過程。這就好比在緩慢爬山的人，我們可以在他爬山的每一個階段（接近平衡態(tài)）用他的海拔高度、心跳頻率等參數(shù)來描述他的狀態(tài)。準平衡過程草長高羊長大功練成實際的過程可以近似地當(dāng)作準平衡過程，準平衡過程在坐標圖上可表示為連續(xù)曲線。準平衡過程思考如何判斷一個過程是否是準平衡過程？破壞平衡的速度遠小于恢復(fù)平衡的速度。熱力系內(nèi)部要保持力的平衡和熱的平衡?？赡孢^程系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程后，如令過程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時恢復(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。氣缸活塞飛輪熱源21pv摩擦損失的影響若無摩擦、傳熱系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’=W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。氣缸活塞飛輪熱源21pv摩擦損失的影響若有摩擦、傳熱存在，就存在損失系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W"<W'氣缸活塞飛輪熱源21pv可逆過程的實現(xiàn)壓力差溫度差化學(xué)勢差相勢差思考如何判斷一個過程是否可逆過程？（1）在過程進行時，熱力系和外界恒處于平衡狀態(tài)，即隨時保持力的平衡、熱的平衡和化學(xué)平衡與電磁平衡；（2）在過程變化期間，無任何能量的不可逆耗散存在?？赡孢^程和準平衡過程的關(guān)系？可逆過程必然是準平衡過程，而準平衡過程不一定是可逆過程。典型的不可逆過程不等溫傳熱自由（無阻）膨脹典型的不可逆過程節(jié)流過程混合過程課堂練習(xí)【單選題】不考慮化學(xué)反應(yīng)與電磁效應(yīng)的熱力系統(tǒng),過程的不可逆因素就是（

）。A

耗散效應(yīng)B

有限溫差下的熱傳遞C

自由膨脹D

以上都是D功與熱量對于簡單可壓縮系統(tǒng)，熱力系與外界進行能量交換有兩種方式:作功——與物體的宏觀位移有關(guān)(傳遞機械能的多少用功來度量)傳熱——不需要物體的宏觀移動（傳遞熱能的多少用熱量來度量)功與熱量1）功的熱力學(xué)定義dx當(dāng)熱力系通過邊界與外界發(fā)生能量傳遞時，對外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，則熱力系對外界做了功只要存在不平衡勢差的推動作用，系統(tǒng)和外界就會發(fā)生能量的交換-作功或傳熱。功的物理學(xué)定義:功是力和力方向上位移的乘積。功的熱力學(xué)定義:由于系統(tǒng)體積變化（膨脹或壓縮）與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為體積變化功。(分膨脹功和壓縮功)dx功與熱量2）功的單位1.國際單位：焦耳(J)1J=1N·m比功與功率比功:1kg物質(zhì)（氣體）所作的功w=W/m，單位:J/kg功率:1s時間內(nèi)完成的功，單位:W(瓦)1W=1J/s

2.電力工程中常用kWh作為功的單位;1kWh=3600kJ一度電功與熱量3）體積功在p－v圖上的表示（可逆過程）

可逆過程的體積變化功w的大小可以在p-v圖上用過程曲線下面的面積表示。1-12功及示功圖演示dv是判斷熱力系統(tǒng)對外界做功的標志。功與熱量3）體積功在p－v圖上的表示（可逆過程）12pv①在p－v圖上，過程曲線和橫坐標包圍的面積表示體積功的大??；②dv是做功的標志：

dv>0，

w>0，體積功為“＋”，系統(tǒng)向外界作功，稱為膨脹功

dv<0，

w<0，體積功為“-”，外界向系統(tǒng)作功，稱為壓縮功例題分析【例1-3】2kg溫度為100℃的水，在壓力為0.1MPa下完全汽化為水蒸氣。若水和水蒸氣的比體積分別為0.001m3/kg和1.673m3/kg，汽化過程為可逆過程，求此2kg水因汽化膨脹對外所做的功。

12pv=0.1X106X(1.673-0.001)X10-3=167.2(kJ/kg)

解：取2kg水及水蒸氣為熱力系統(tǒng)，過程可逆且壓力不變課堂練習(xí)【單選題】在P-V圖上,某比容減少的理想氣體可逆過程線下的面積表示該過程中系統(tǒng)（

）。A

所作的膨脹功的大小B

消耗外界功的大小C

所作技術(shù)功的大小D

消耗的熱量B12pv功與熱量2熱量與T－s圖1）熱量的熱力學(xué)定義工程熱力學(xué)中把依靠溫差而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。熱量和熱能不同，熱量不是狀態(tài)參數(shù)，它不僅與過程初、終態(tài)有關(guān)，而且與過程如何進行密切相關(guān);熱能則是物質(zhì)熱運動形態(tài)的反映，僅取決于狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)?？梢?熱量是過程量;熱量是傳遞的能量功與熱量2熱量與T－s圖1）熱量的符號和單位熱量:用Q表示，國際單位制中，熱量的單位是焦(耳)，用J表示。工程上常用千焦(kJ)表示，1kJ=1000J比熱量:1kg氣體與外界交換的熱量，用q表示，單位為J/kg。熱量正負:工程熱力學(xué)中規(guī)定，工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正;工質(zhì)向外界放熱，熱量為負。功與熱量2熱量與T－s圖1）熱量的熱力學(xué)定義注意熱量是存在溫差條件下能量傳遞的一種形式。熱量的數(shù)值不僅取決于過程的初終態(tài)，而且還和過程經(jīng)過的路徑有關(guān)。功與熱量2熱量與T－s圖1）熱量的熱力學(xué)定義當(dāng)熱力系與外界之間或熱力系統(tǒng)內(nèi)各部分之間由于溫差而交換的能量形式。只要有溫差存在，必然會伴隨有熱量的傳遞過程，它是與功不同的另一種能量傳遞方式。功與熱量2熱量與T－s圖2）熵－s熵的定義：1kg工質(zhì)在溫度T下進行了一個可逆的微元傳熱過程，在此過程中工質(zhì)與外界交換了

q的熱量，則

q/T為某一狀態(tài)參數(shù)的微元變化量，此狀態(tài)參數(shù)為熵，J/(kg·K)熵的意義：在可逆過程中標志熱量傳遞的方向，在不可逆過程中熵的變化往往與過程的不可逆程度有關(guān)功與熱量2熱量與T－s圖3）熱量在T－s圖上的表示（可逆過程）①在T－s圖上，過程曲線和橫坐標包圍的面積表示熱量的大??；②ds是傳熱的標志：

ds>0，

q>0，熱量為“＋”，系統(tǒng)從外界吸熱

ds<0，

q<0，熱量為“-”，系統(tǒng)向外界放熱12Ts課堂練習(xí)【單選題】熱力學(xué)一般規(guī)定,系統(tǒng)從外界吸熱為（）,外界對系統(tǒng)做功為（）。A正/負B負/負C正/正D負/正A功與熱量2熱量與T－s圖功與熱量3示功圖（p-v）與示熱圖（T-s）課堂練習(xí)【單選題】在T-s圖上,某熵增加的理想氣體可逆過程線下的面積表示該過程中系統(tǒng)所（

）。A

吸收的熱量B

對外作的功量C

放出的熱量D

消耗的外界功量A12Ts課堂練習(xí)例題:如圖所示工質(zhì)經(jīng)歷了AB、BC、CD、DA四個可逆過程，試根據(jù)T-S圖的意義求出每個過程的傳熱量及整個過程的總熱量。解：qA