工程热力学课件第1章基本概念.ppt

第一章第一章 基本概念基本概念1.1 热力系统热力系统热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：把物体中相互联系的一部分或把物体中相互联系的一部分或全部人为地分割开来，作为热力学研究对象。全部人为地分割开来，作为热力学研究对象。外界：外界：系统以外的所有物质系统以外的所有物质1、热力系统、热力系统边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界系统系统外外界界边界边界热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器注：选择不同的系统，只影响问题分析的难易，不会影响分析结果注：选择不同的系统，只影响问题分析的难易，不会影响分析结果。只交换功只交换功既交换功既交换功也交换热也交换热只交换热只交换热边界特性边界特性2、可以是真实的，、可以是真实的，也可以是虚构的也可以是虚构的1、可以是固定的，、可以是固定的，也可以是活动也可以是活动汽缸活塞系统汽缸活塞系统管道中的流体流动管道中的流体流动热力系统分类热力系统分类（1）按系统与外界的质量）按系统与外界的质量m交换分交换分（2）按能量交换情况，分为：）按能量交换情况，分为：开口系：开口系：有有m交换交换闭口系：闭口系：无无m交换交换绝热系：绝热系：无热量交换无热量交换孤立系：孤立系：无任何质量、能量交换无任何质量、能量交换简单可压缩系：简单可压缩系：只交换热量和一种形式的功只交换热量和一种形式的功1、孤立系统一定是绝热系统，对吗？、孤立系统一定是绝热系统，对吗？Why?2、闭口绝热系统一定是孤立系统。、闭口绝热系统一定是孤立系统。热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类其它分类按物理化学性质分：按物理化学性质分：均匀系均匀系 非均匀系非均匀系按工质种类分：按工质种类分：多元系多元系单元系单元系按按相态相态分：分：多相多相单相单相1.2 热力热力状态状态状态：状态：某一瞬间系统所呈现的宏观状况某一瞬间系统所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量描述系统所处状态的宏观物理量基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的参数，如：可直接测量的参数，如：P,v,T导出状态参数：导出状态参数：不易测量，但可用公式计算得到不易测量，但可用公式计算得到的参数，如的参数，如u,h,s1.2.1 状态及状态参数状态及状态参数基本状态参数基本状态参数（压力压力 p、温度、温度 T、比容、比容 v）1 1、压力、压力 p 物理中物理中压强压强，单位单位:Pa,N/m2常用单位：常用单位：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绝对压力绝对压力P P：气体的真实压力气体的真实压力绝对压力、表压、真空度绝对压力、表压、真空度相对压力（表压力相对压力（表压力P Pg g、真空度、真空度P Pv v）：）：压力计显示的压力压力计显示的压力问：一个密闭、绝热的气体储罐，其上压力表的读数问：一个密闭、绝热的气体储罐，其上压力表的读数可能变化吗？可能变化吗？注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数！若大气压用若大气压用Pb表示，则：表示，则：P=Pb+Pg ；P=Pb-Pv例题：例题：例例1：环境压力为环境压力为 0.1 MPa，表，表B的读数为的读数为0.2 MPa，表表C的读数为的读数为 0.05 MPa，问：表，问：表A的读数为多少？的读数为多少？例例2：当地大气压为当地大气压为100kPa，容器，容器A上压力表读数为上压力表读数为0.8MPa，容器，容器B上真空表读数为上真空表读数为30kPa，则容器，则容器A内内的绝压为的绝压为 MPa，容器，容器B的真空度为的真空度为 kPa。2、温度、温度T宏观：宏观：系统热力平衡状况时冷热程度的物理量系统热力平衡状况时冷热程度的物理量 微观：微观：是大量分子热运动强烈程度的量度是大量分子热运动强烈程度的量度 T 0.5 m w 2（1）T 的一般定义的一般定义（2）温度的热力学定义）温度的热力学定义热力学第零定律热力学第零定律（R.W.Fowler）：）：如两个物体分别和第三个物体处于热平如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。温度测量的温度测量的理论基础理论基础温度的热力学定义温度的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量此宏观特征的物理量 温度温度。温度温度是确定一个系统是否与其它系是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量统处于热平衡的物理量温度的测量温度的测量温度温度计计物质物质（水银，酒精，铂电阻水银，酒精，铂电阻）特性特性（体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度温标温标常用温标常用温标绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水沸点盐水沸点发烧发烧水沸点水沸点559.67温标的换算温标的换算选择题：选择题：40与与 40 F 的关系为的关系为：A.B.C.D.不确定不确定比容比容vm3/kg工质聚集的疏密程度工质聚集的疏密程度物理上常用密度物理上常用密度 kg/m31.2.2 1.2.2 状态参数的特性状态参数的特性（1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然状态确定，则状态参数也确定；反之亦然（2）积分特征积分特征：状态参数在数学上为：状态参数在数学上为点函数、态函数点函数、态函数系统经历一个循环后，系统经历一个循环后，状态参数的状态参数的变化量变化量为零。为零。从一个状态到另一个状态从一个状态到另一个状态:状态参数的状态参数的变化量只与初终变化量只与初终态有关，而与路径无关；态有关，而与路径无关；1 2ab（3 3）状态参数的微分特征）状态参数的微分特征Z存在存在全微分：全微分：设设 z z=z z(x,y)Z为状态参数的充要条件：为状态参数的充要条件：强度参数与广延参数强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数，如与物质的量无关的参数，如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比容比容比内能比内能比焓比焓比熵比熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质1.2.3 平衡状态平衡状态1 1、定义：、定义：在在不受外界影响不受外界影响的条件下（重力场除的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。该系统处于平衡状态。温差温差 热不平衡势差热不平衡势差 压差、力差压差、力差 力不平衡势差力不平衡势差 化学位化学位 化学不平衡势差化学不平衡势差实现热力平衡的条件实现热力平衡的条件：不存在不平衡势差：不存在不平衡势差即：热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡即：热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡平衡与稳定平衡与稳定稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定，但存在不平衡势差稳定，但存在不平衡势差(温差温差)若去掉外界影响若去掉外界影响（两恒温（两恒温热源）热源），则状态变化，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡与均匀平衡：平衡：时间上时间上均匀：均匀：空间上空间上平衡不一定均匀，但均匀一定平衡平衡不一定均匀，但均匀一定平衡对于单相，平衡态则一定是均匀的对于单相，平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？为什么引入平衡概念？如果系统平衡，则可用一组确切的状态如果系统平衡，则可用一组确切的状态参数描述系统所处的状态。参数描述系统所处的状态。如果系统不平衡，则不能！如果系统不平衡，则不能！工程热力学研究的正是这种平衡状态。工程热力学研究的正是这种平衡状态。1.2.4 状态方程、坐标图状态方程、坐标图平衡状态平衡状态可用一组状态参数描述其状态可用一组状态参数描述其状态No!想确切描述某个热力系，是想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？否需要所有状态参数？相律：相律：描述一个系统所需独立变量描述一个系统所需独立变量(自由度自由度)的个数的个数:2 2 -独立变量个数独立变量个数 -系统所含组分数系统所含组分数 -相态数（气、液、固）相态数（气、液、固）问题：问题：1 1、确定空气储罐中空气的状态，需要几个参数？、确定空气储罐中空气的状态，需要几个参数？2 2、汽、水共存的系统呢？、汽、水共存的系统呢？理想气体的状态方程：理想气体的状态方程：实际工质的状态方程？实际工质的状态方程？一个系统只有一个系统只有个独立状态参数作为自变量，其个独立状态参数作为自变量，其余状态参数可视为因变量。将任意余状态参数可视为因变量。将任意因变量表示为自因变量表示为自变量的函数关系式变量的函数关系式，称为，称为状态方程状态方程。因因p,v,Tp,v,T为基本状态参数（可测量），常被选作为基本状态参数（可测量），常被选作自变量。自变量。状态方程状态方程例：例：R134a的维里型状态方程的维里型状态方程状态参数坐标图状态参数坐标图简单可压缩系简单可压缩系 =2，常用的常用的:p-v图和图和T-s图：图：说明：说明：系统任何系统任何平衡态平衡态都都可表示在坐标图上。可表示在坐标图上。不平衡态无法表示在图上。不平衡态无法表示在图上。pv21p1p2v1v2Ts21T1T2s1s21.3 热力过程热力过程1、热力过程：、热力过程：在不平衡势差的作用下，系统从在不平衡势差的作用下，系统从一个状态变化到另一个状态所经历的历程。一个状态变化到另一个状态所经历的历程。问题：问题：热力学研究：热力学研究：平衡状态平衡状态无势差无势差状态不变状态不变热力过程热力过程不能实现不能实现热力学研究：热力学研究：能量转换能量转换途径：途径：状态变化状态变化条件：条件：有势差有势差平衡被平衡被破坏破坏可见：可见：“平衡平衡”和和“过程过程”是一对是一对矛盾体，矛盾体，如何解决如何解决？2、准静态过程、准静态过程p1=p0+重物重物p，TP0 T0T1=T0突然去掉重物突然去掉重物最终最终p2=p0T2=T0pv12.（1）一般过程）一般过程（2）准静态过程）准静态过程p1=p0+重物重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层每次只去掉无限薄一层pv12.系统系统随时随时接近于平衡态接近于平衡态 准静态过程可以在状态参准静态过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。数坐标图上确切地表示出来。实现准静态过程的条件：实现准静态过程的条件：过程进行得无限缓慢过程进行得无限缓慢不平衡势差为无限小。不平衡势差为无限小。引入准静态过程的意义引入准静态过程的意义2、实际意义：、实际意义：疑问：疑问：准静态过程为准静态过程为无限缓慢无限缓慢的过程的过程，工程上有意义吗？，工程上有意义吗？1、理论意义：解决了理论意义：解决了“平衡平衡”和和“过程过程”的矛的矛盾盾准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机例：活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程3、可逆过程、可逆过程可逆过程：可逆过程：系统经历某一过程后，若能使系统按原系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到初始状态，来路径逆行回到初始状态，而不留下任何痕迹。而不留下任何痕迹。2 2、不可逆过程包括：、不可逆过程包括：1 1）若不付出代价（外界不留下痕迹），则系统无法恢）若不付出代价（外界不留下痕迹），则系统无法恢复到初态；复到初态；2 2）系统恢复到初态，但外界留下了痕迹。）系统恢复到初态，但外界留下了痕迹。理解理解：1 1、可逆：可逆：系统回到初态，且外界同时恢复到初态。系统回到初态，且外界同时恢复到初态。实现可逆过程的条件实现可逆过程的条件准静态过程准静态过程 +无耗散效应无耗散效应 =可逆过程可逆过程不平衡势差不平衡势差为无限小为无限小使功变热的效使功变热的效应应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等）不可逆因素不可逆因素耗散效应耗散效应不平衡势差不平衡势差耗散效应耗散效应系统和外界均不存在系统和外界均不存在不可逆因素的过程才是可逆过程不可逆因素的过程才是可逆过程 可逆过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。可逆过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。典型的不可逆过程典型的不可逆过程有温差传热有温差传热T1T2T1T2Q自由膨胀自由膨胀真空真空 典型的不可逆过程典型的不可逆过程混合过程混合过程 节流过程节流过程(阀门）阀门）p1p2p1p2引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，过程，可逆过程是最优过程可逆过程是最优过程，为，为评价实际过程的评价实际过程的完善程完善程度提供了一个比较度提供了一个比较基准基准。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，然后考虑不可逆因素加以理想情况（可逆过程）处理，然后考虑不可逆因素加以修正。修正。-科学研究方法科学研究方法例：判断是否准静态与可逆例：判断是否准静态与可逆以冰水混合物为热力系以冰水混合物为热力系90 0 缓慢加热缓慢加热外部温差传热外部温差传热准静态过程准静态过程系统内部等温传热，无耗散系统内部等温传热，无耗散内可逆内可逆外不可逆外不可逆4、热力循环、热力循环目的：实现目的：实现连续连续的能量转换。的能量转换。定义：定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为列变化过程称为热力循环热力循环。分类：分类：（1）按是否可逆分）按是否可逆分不可逆循环不可逆循环可逆循环（可逆循环（所有过程均可逆所有过程均可逆）（2）按能量转换目的分）按能量转换目的分逆循环（制冷）逆循环（制冷）正循环（动力）正循环（动力）正循环正循环净效应：净效应：从高温热源从高温热源吸热，对外作功吸热，对外作功正循环（正循环（QW）：顺时针方向）：顺时针方向pV21TS12逆循环逆循环净效应：净效应：消耗外功，将低温热源的热量传给高温热源消耗外功，将低温热源的热量传给高温热源逆循环（逆循环（W Q）：逆时针方向：逆时针方向pV21TS12热力循环的评价指标热力循环的评价指标正循环：正循环：吸热，对外作功吸热，对外作功WT1Q1Q2T2评价指标：评价指标：热效率热效率目的：目的：要要W1WQh=收益代价净功吸热例例 某动力循环，工质从高温热源吸取了某动力循环，工质从高温热源吸取了1000kJ热量，热量，做功后向低温热源排放热量做功后向低温热源排放热量600kJ，求其热效率。，求其热效率。热力循环的评价指标热力循环的评价指标逆循环：逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源热源制冷循环制冷循环评价指标：评价指标：制冷系数制冷系数WT0Q1Q2T2目的：目的：要要Q22QWe=收益代价吸热耗功例例 某空调名牌上参数：制冷量：某空调名牌上参数：制冷量：3200W；输入电功率：；输入电功率：1200W，求：该空调机的，求：该空调机的制冷系数制冷系数。热力循环的评价指标热力循环的评价指标目的：目的：要要Q1逆循环：逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源热源热泵循环热泵循环评价指标：评价指标：供热供热系数系数WT0Q1Q2T21QWe=收益代价放热耗功例例 某冷、暖空调名牌上参数：制热量：某冷、暖空调名牌上参数：制热量：4000W；输入；输入电功率：电功率：1200W，求：该空调机的，求：该空调机的供热供热系数系数。作作 业业一、一、P14 思考题：思考题：114；习题：习题：2、51、思考题：、思考题：（1）开口系统不可能是绝热系统！因为系统与外界交换了物）开口系统不可能是绝热系统！因为系统与外界交换了物质，而物质具有能量。这种说法对吗？质，而物质具有能量。这种说法对吗？（2）系统的那些热力状态和热力过程可以确切地表示在状态）系统的那些热力状态和热力过程可以确切地表示在状态参数坐标图上？参数坐标图上？（3）“不可逆过程无法恢复到初始状态不可逆过程无法恢复到初始状态”，这种说法对吗？，这种说法对吗？二、补充题：二、补充题：2、夏季为保持某房间内温度、夏季为保持某房间内温度25，每小时需要从，每小时需要从室内排出室内排出7200 kJ热量，若采用制冷系数为热量，若采用制冷系数为3的空调的空调机，问需要选购多大电功率的空调机？机，问需要选购多大电功率的空调机？