工程熱力學(xué)第一章

1、工程熱力學(xué)第一章第1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三1-1 熱力系統(tǒng) 一、系統(tǒng)、邊界與外界熱力系統(tǒng)的定義：將所要研究的對(duì)象與周?chē)指糸_(kāi)來(lái)，這種人為分隔出來(lái)的研究對(duì)象，稱(chēng)為熱力系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)） 。 系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為外界。系統(tǒng)與外界的界面稱(chēng)為邊界。 系統(tǒng)與外界之間，通過(guò)邊界進(jìn)行能量的傳遞與物質(zhì)的遷移。第2頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三界面的特性:可以是真實(shí)的， 也可以是虛擬的；可以是固定的， 也可以是運(yùn)動(dòng)的。第3頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三界面熱源外界外界熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)、界面、外界例第4頁(yè)，共54頁(yè)，2022年

2、，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三系 統(tǒng)系 統(tǒng)界面熱力系統(tǒng)、界面、外界例研究氣缸中的氣體(打開(kāi)閥門(mén))。是什么熱力系？第5頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三系 統(tǒng)界面外界外界熱力系、界面、外界例第6頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三熱力系、界面、外例系 統(tǒng)界面第7頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三二、熱力系統(tǒng)的分類(lèi)(一)按系統(tǒng)與外界之間的相互聯(lián)系劃分：1.閉口系統(tǒng)系統(tǒng)與外界無(wú)物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)。2.開(kāi)口系統(tǒng)系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)。3.絕熱系統(tǒng)系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換的熱力系統(tǒng)。4.孤立系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交

3、換的系統(tǒng)。第8頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三閉口系統(tǒng)第9頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三開(kāi)口熱力系第10頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三1234mQW1 開(kāi)口系 熱力系統(tǒng)非孤立系相關(guān)外界孤立系1+2 閉口系1+2+3 絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系第11頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三三、按照系統(tǒng)內(nèi)部的情況可劃分1.單相系系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的稱(chēng)為一個(gè)相，由單一物相組成的系統(tǒng)稱(chēng)為單相系。2.復(fù)相系有兩個(gè)相以上組成的系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)相系，如固、液、氣組成稱(chēng)三相系。3.單元系由一種化學(xué)成分

4、組成的系統(tǒng)稱(chēng)為單元系。4.多元系由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)稱(chēng)為多元系。5.均勻系成分和相在整個(gè)系統(tǒng)空間呈均勻分布稱(chēng)為均勻系6.非均勻系在整個(gè)系統(tǒng)空間非均勻分布稱(chēng)為非均勻系熱力系統(tǒng)的分類(lèi)第12頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三1-2工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)熱力狀態(tài)定義:工質(zhì)在熱力變化過(guò)程中某一瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況，稱(chēng)為熱力狀態(tài)（簡(jiǎn)稱(chēng)為狀態(tài)） 。狀態(tài)參數(shù)定義:描述工質(zhì)宏觀(guān)特性的物理量稱(chēng)為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性：或熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)：溫度、壓力、比容、熱力學(xué)能（內(nèi)能）、焓、熵。第13頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分

5、，星期三二、基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)： 能夠用儀器儀表直接或間接測(cè)量的參數(shù)稱(chēng)為。如 ：溫度、壓力、比容1.溫度）熱力學(xué)第零定律 如果兩個(gè)物體分別和第三個(gè)物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平衡，這一規(guī)律稱(chēng)為熱力學(xué)第零定律。第14頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三）溫度 將描述熱平衡的這一宏觀(guān)特性的物理量，稱(chēng)為溫度。）溫標(biāo) 為進(jìn)行溫度測(cè)量，需要有溫度的數(shù)值表示方法，測(cè)量溫 度的標(biāo)尺稱(chēng)為溫標(biāo)。建立任何一種溫標(biāo)都要選擇測(cè)溫物質(zhì)及其物質(zhì)的特性、規(guī)定溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)及分度方法。狀態(tài)參數(shù)溫度第15頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三熱力學(xué)溫標(biāo) 常用的溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)

6、 t 基 準(zhǔn) 點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下純水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)溫度為基準(zhǔn) 點(diǎn)，規(guī)定冰點(diǎn)溫度為0。沸點(diǎn)溫度為100。分度方法：認(rèn)定測(cè)溫物質(zhì)的測(cè)溫屬性隨溫度的變化是線(xiàn)性 的。0與100這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間分成100等分, 每一等分為1度?；?準(zhǔn) 點(diǎn)：純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)(三相 點(diǎn))為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定它的溫度為273.16K。 t = T273.15熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之間的關(guān)系：常用的溫標(biāo)第16頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三.壓力 單位面積上所受到的垂直作用力。表達(dá)式或上式計(jì)算出的是熱力系的真實(shí)壓力稱(chēng)為絕對(duì)壓力 p。由壓力表測(cè)量出來(lái)的壓力稱(chēng)為表壓力 pg。由氣壓計(jì)測(cè)量出來(lái)的壓

7、力稱(chēng)為大氣壓力 B。表壓力pg、大氣壓力B和絕對(duì)壓力p之間的關(guān)系如下：常用的壓力單位間的關(guān)系第17頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三U形管式壓力計(jì)示意圖真空度U形管式壓力計(jì)示意圖BBpBP有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程第30頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)/分 曲柄 2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=20002 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程具體工程問(wèn)題具體分析

8、?！巴蝗弧薄熬徛钡?1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三可逆過(guò)程的定義： 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正反兩個(gè)過(guò)程后，系統(tǒng)與外界均能完全回復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡，則此過(guò)程稱(chēng)為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程的描述注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。二、可逆過(guò)程第32頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 + 無(wú)耗散效應(yīng) = 可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等） 不平衡勢(shì)差不可逆根源 耗散效應(yīng) 耗散效應(yīng)第33頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三典型的不可逆過(guò)程不等溫傳熱節(jié)流

9、過(guò)程 (閥門(mén)）自由膨脹混合過(guò)程第34頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三可逆過(guò)程與準(zhǔn)平衡過(guò)程的區(qū)別：1.可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)平衡過(guò)程；2.準(zhǔn)平衡過(guò)程不一定是可逆過(guò)程。實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程！第35頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三引入可逆過(guò)程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。 可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆，因素加以修正。第36頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，

10、5月20日，4點(diǎn)24分，星期三三、可逆過(guò)程的膨脹功（體積功）1、力學(xué)定義: 力 在力方向上的位移 2、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。功的一般表達(dá)式功的單位:J,kJ第37頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三可逆過(guò)程功的推導(dǎo) 第38頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W =pdV1kg工質(zhì)：w =pdvW第39頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三注意：微元功 不是全微分， 表示微小量，而不是微小增量所以功可正可負(fù)也可以為零即：功是過(guò)程量,不是狀態(tài)量，其

11、大小與初、終狀態(tài)有關(guān), 也與路徑有關(guān)第40頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三四、可逆過(guò)程的熱量1、熱量定義： 熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分。 另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以微觀(guān)無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。第41頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三熱量計(jì)算公式:熱量單位:J,kJ第42頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三微小熱量 ： 0 表示系統(tǒng)從外界吸熱； 0 表示系統(tǒng)向外界放熱?？偀崃浚?積分與過(guò)程有關(guān) 。 熱量是過(guò)程量第43頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星

12、期三熱量與容積變化功的對(duì)比能量傳遞方式 容積變化功 傳熱量性質(zhì) 過(guò)程量 過(guò)程量 推動(dòng)力 壓力 p 溫度 T 標(biāo)志 dV , dv dS , ds公式條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆第44頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三循環(huán)過(guò)程工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回到初始狀態(tài)的全過(guò)程為循環(huán)過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)為循環(huán)）。 如圖：循環(huán)1-2-3-4-11-5 熱力循環(huán)PV01243循環(huán)概念 第45頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三循環(huán)過(guò)程的特點(diǎn)經(jīng)一個(gè)循環(huán)后系統(tǒng)的內(nèi)能不變。 凈功 A = 循環(huán)過(guò)程曲線(xiàn)所包圍的面積 V0Aa21QQP第46頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，

13、5月20日，4點(diǎn)24分，星期三循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)全部由可逆過(guò)程組成的循環(huán)為可逆循環(huán)；循環(huán)中有一個(gè)過(guò)程不可逆，即為不可逆循環(huán)?？赡嫜h(huán)在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上為一封閉的曲線(xiàn)。第47頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三一、正循環(huán)定義把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的循環(huán)叫正向循環(huán)，也叫動(dòng)力循環(huán)，它使外界得到功熱源冷源熱機(jī)Q2Q1第48頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三正循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時(shí)針?lè)较?112第49頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三正循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）WnetT1Q1Q2T2動(dòng)力循環(huán)：熱效率第50頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)24分，星期三二、逆循環(huán)定義把熱量從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩吹难h(huán)叫逆向循環(huán)，也叫制冷循環(huán)或熱泵循環(huán)，它消耗外界的功熱源冷源熱機(jī)Q2Q1第51頁(yè)，共5