上海海事大學(xué)工程熱力學(xué)課件第1章 基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition11.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)動(dòng)力裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣動(dòng)力裝置(jetpowerplant)……

蒸汽動(dòng)力裝置(steampowerplant)圖\噴氣發(fā)動(dòng)機(jī).ppt圖\燃?xì)廨啓C(jī)裝置.ppt圖\設(shè)備圖\內(nèi)燃機(jī).doc圖\設(shè)備圖\電廠鳥覽圖.doc22.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33.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)嵩矗嵩?-heatsource

）

低溫?zé)嵩矗ɡ湓础猦eatsink）?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)

變溫?zé)嵩?4.1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，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）。5汽缸-活塞裝置（閉口系例）6

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)幻燈片117?注意：1）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84.2邊界示意圖94.3熱力系分類（1）

?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)；

104.4熱力系分類（2）

按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換分：

閉口系—closedsystem

（控制質(zhì)量CM）

—沒有質(zhì)量越過邊界

開口系—opensystem

（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質(zhì)量交換11

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：

簡(jiǎn)單可壓縮系—simplecompressiblesystem

—由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。絕熱系—adiabaticsystem—

與外界無熱量交換;

孤立系—isolatedsystem—

與外界無任何形式的質(zhì)能交換。124.5熱力系示例圖剛性絕熱氣缸-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134.6熱力系示例圖閉口系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?144.7熱力系示例圖熱力系示例A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)—孤立系—閉口系155.1熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(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

a）狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如等。16b）狀態(tài)參數(shù)的特性—狀態(tài)的單值函數(shù)物理上—與過程無關(guān)數(shù)學(xué)上—其微量是全微分，C）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)，如比體積具有強(qiáng)度量特性。175.2熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)

系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀參一一對(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186.1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)附：華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)197.1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—localatmosphericpressure207.2壓力常用壓力單位：例題\第一章\A4001441.ppt例題\第一章\A4002771.ppt218.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229.平衡狀態(tài)

--thermodynamicequilibriumstate定義：若無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)值不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)。?熱平衡—thermalequilibrium：

在無外界作用的條件下，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。23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2410.狀態(tài)公設(shè)*—statepostulaten—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，所以2511.1純物質(zhì)的狀態(tài)方程

—puresubstancestateequation狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程

—ideal-gasequation;Clapeyron’sequation

Rg—gasconstantR—universal(molar)gasconstant2611.2純物質(zhì)的狀態(tài)方程實(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)）27BWR方程維里型方程2812.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：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T329純物質(zhì)的p—v—T圖一般物質(zhì)的p-v-T圖30水p-v-T圖3113準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

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

破壞平衡的勢(shì)—過程進(jìn)行無限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無窮小3214.可逆過程--

reversibleprocess定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過程?？赡孢^程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆●單純轉(zhuǎn)熱過程33非準(zhǔn)靜態(tài)過程

—nonequilibriumprocess準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆●作功過程pFf34

可逆過程

1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒有耗散效應(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)際過程不可逆

4.內(nèi)部可逆過程

5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示

討論：3515.功、可逆過程的功--work功的力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物?？赡孢^程功的計(jì)算36功是過程量功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示37

功、可逆過程的功

功的符號(hào)約定：

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”；

外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”功的單位：功率的單位：附：38

功、可逆過程的功幾點(diǎn)討論有用功(usefulwork)概念其中 W—膨脹功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wp=排斥大氣功例題\第一章\A7001331.pptpbf39用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過程的功?4016.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4117.熱量--heat定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”單位：計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-s圖上）表示42熱量與功的異同：

1.通過邊界傳遞的能量；

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；熱是物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。功2.過程量；熱是