西工大工程熱力學(xué)課件01基本概念VIP

第一章

基本概念

§1-1

熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對象外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)1、系統(tǒng)與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無是否傳質(zhì)開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系1234mQW1

開口系§1-1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

孤立系熱力系統(tǒng)其它分類方式

其它分類方式物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

簡單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)1

2ab例：溫度變化山高度變化狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)

可加性

如

質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度量的性質(zhì)強度量與廣延量速度動能高度位能內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p

物理中壓強，單位:Pa,N/m2常用單位：

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013

105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg

=9.80665

104

Pa壓力p測量示意圖一般是工質(zhì)絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)絕對壓力與相對壓力示意圖當

p

>pb表壓力

pe當

p

<pb真空度

pvpbpeppvp環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。

見習(xí)題1－7大氣壓隨時間、地點變化。物理大氣壓

1atm=760mmHg當h變化不大，ρ

常數(shù)1mmHg=

ρgh=133.322Pa當h變化大，ρ

ρ(h)

見習(xí)題1－4其它壓力測量方法高精度測量：活塞式壓力計工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度

T

0.5

mw21)

同T

,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣2)

0.5mw2總

0,T

0,1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實驗發(fā)現(xiàn)負的開爾文溫度3)

T=0

0.5mw

2=0

分子一切運動停止，零點能熱力學(xué)第零定律溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)B溫度計熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量

溫度。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量溫度的測量溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標常用溫標絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.67溫標的換算溫度測量方法日常：水銀溫度計，酒精溫度計，水溫度計工業(yè)：熱電偶，熱敏電阻計量：鉑電阻溫度計比容v［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

溫差

—熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

化學(xué)反應(yīng)

—化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的為什么引入平衡概念？如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述§1-5狀態(tài)方程、坐標圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理閉口系：而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種

達到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)

N=?狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系2狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)座標圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21§1-6準靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程一般過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準靜態(tài)過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復(fù)新平衡

準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=2000

2

0.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖熟o態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果

p外微小

可視為準靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功

W

=p

A

dl=pdV1kg工質(zhì)

w

=pdvdl很小，近似認為p不變準靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdv1注意：

上式僅適用于準靜態(tài)過程示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdvW準靜態(tài)容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功是過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負）5）適于準靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦損失的影響若有f存在，就存在損失pp外21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’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失的影響若f＝0pp外21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)。可逆過程的定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2典型的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????引入可逆過程的意義

準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。

可逆過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，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。

實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）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。完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆

外部可逆，內(nèi)部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆§1-7功量1、力學(xué)定義:力

在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義(外文參考書）

a、當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對外作功。

b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。功的表達式功的一般表達式熱力學(xué)最常見的功

容積變化功

其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-8熱量與熵1、熱量定義：

熱力系通過邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志

dV,dv

dS

,ds公式條件準靜態(tài)或可逆可逆熵（Entropy）的定義reversible熵的簡單引入比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵”廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

Q>0dS

>0系統(tǒng)放熱時為負

Q<0dS

<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環(huán)要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：

熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)正循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時針方向2112逆循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)：逆時針方向2112熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)：凈效應(yīng)（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環(huán)：熱效率熱力循環(huán)的評價指標逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)制熱循環(huán)：制熱系數(shù)第一章小結(jié)基本概念：

熱力系

平衡、穩(wěn)定、均勻

準靜態(tài)、可逆

過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)

功、熱量、熵

p-V圖、T-S圖

循環(huán)、平均指標第一章討論課

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱量：氣體通過活塞從外界吸熱Q(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對放逸氣體作功W’W’Q’熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q’(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W

+W’熱量：Q+Q’WQW’Q’(4)以容器為系統(tǒng)開口系功量：W’熱量：Q’W’Q’(5)以氣缸活塞為系統(tǒng)開口系功量：W+W’’熱量：Q+Q’’W’’Q’’WQ思考題7有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？不對。關(guān)鍵看是否引起外界變化?？赡孢^程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復(fù)到初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。可逆過程與準靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過程一定是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程＝準靜態(tài)過程＋無耗散可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準靜態(tài)過程很少用。判斷是否準靜態(tài)與可逆（1）以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱外部溫差傳熱準靜態(tài)過程系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無耗散內(nèi)可逆外不可逆判斷是否準靜態(tài)