1机械热力学第01章++基本概念1.ppt

第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts and Definition1-1 1-1 热能和机械能相互转换过程热能和机械能相互转换过程1-2 1-2 热力系统热力系统 1-3 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数1-4 1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程1-6 1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 1-7 热力循环热力循环第一章第一章 基本概念基本概念1-1热能和机械能相互转换过程热能和机械能相互转换过程定义：定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。的整套设备。分分类类燃气动力装置燃气动力装置蒸汽动力装置蒸汽动力装置内燃机内燃机燃气轮机燃气轮机喷气动力装置喷气动力装置一、热能动力装置一、热能动力装置四冲程汽油机四冲程汽油机四冲程柴油机四冲程柴油机二冲程汽油机二冲程汽油机返回蒸汽动力装置（流程图）蒸汽动力装置（流程图）锅炉锅炉过热器过热器汽轮机汽轮机发电机发电机冷冷凝凝器器泵泵继续共同本质：共同本质：都是通过媒介物的：都是通过媒介物的：吸热吸热膨胀做功膨胀做功排热排热来完成从燃料燃烧产生的来完成从燃料燃烧产生的热能热能向向机械能机械能的转化。的转化。定义定义:实现热能和机械能互相转化的媒实现热能和机械能互相转化的媒介物质介物质。二、二、工质工质物质三态中物质三态中气态气态最适宜。最适宜。1 1）膨胀性）膨胀性 2 2）流动性）流动性 3 3）热容量）热容量 4 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性5 5）对环境友善）对环境友善 6 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取如：水蒸汽如：水蒸汽 内燃机中的燃气内燃机中的燃气 制冷剂制冷剂 常用的气态物质等常用的气态物质等三、热源三、热源定义：与工质进行热交换的物质系统。定义：与工质进行热交换的物质系统。热热源源 温度高低温度高低温度变化温度变化 高温热源（热源高温热源（热源 ）低温热源（冷源低温热源（冷源）恒温热源恒温热源 变温热源变温热源系统：人为分割出来，作为热力学分析系统：人为分割出来，作为热力学分析 对象的有限物质对象的有限物质外界外界：与系统发生质能：与系统发生质能 交换的物质交换的物质边界边界：系统与外界的：系统与外界的 分界线（面）分界线（面）1 1-2 2 热力系统热力系统（热力系、系统）（热力系、系统）System Boundary Surroundings 三者之间的关系：三者之间的关系：汽缸汽缸-活塞装置活塞装置热力系统分类热力系统分类按系统与外界有无质量交换分：按系统与外界有无质量交换分：开口系开口系（控制体积）（控制体积）通过边界与外界有质量交换；通过边界与外界有质量交换；闭口系闭口系（控制质量）（控制质量）没有质量交换。没有质量交换。还有常见的：还有常见的：绝热系绝热系与外界无热量交换；与外界无热量交换；孤立系孤立系与外界既无能量交换也无物质交换；与外界既无能量交换也无物质交换；简单可压缩系统简单可压缩系统注意：注意：1)1)闭口系与质量不变系的区别；闭口系与质量不变系的区别；2)2)开口系与绝热系的关系；开口系与绝热系的关系；3)3)孤立系与绝热系的关系。孤立系与绝热系的关系。热力系边界的特点热力系边界的特点固定边界固定边界移动边界移动边界实际存在的实际存在的假想的假想的边界边界闭口闭口系统系统外界外界进口进口出口出口热力系示例热力系示例 1 1刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝闭口系闭口系黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝闭口绝热系闭口绝热系蓝线内蓝线内孤立系孤立系1-3 1-3 工质热力状态及基本状态参数工质热力状态及基本状态参数一、热力状态、热力状态1 1）热力学状态热力学状态某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况2 2 2 2）平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态 系系系系统统统统内内内内部部部部各各各各处处处处的的的的宏宏宏宏观观观观性性性性质质质质均均均均匀匀匀匀一一一一致致致致、不不不不随随随随时间而变化的状态称为平衡状态。时间而变化的状态称为平衡状态。时间而变化的状态称为平衡状态。时间而变化的状态称为平衡状态。3 3）状态参数）状态参数描述工质所处平衡状态的宏观物理量。描述工质所处平衡状态的宏观物理量。a).a).只有只有平衡状态平衡状态才有才有统一的状态参数统一的状态参数，常用的状参有：常用的状参有：p,Tp,T，等，等，其中，称为基本状态参数。其中，称为基本状态参数。）状态参数的特性：状态的单值函数）状态参数的特性：状态的单值函数 （只与状态有关）状态确定则状态参数也确（只与状态有关）状态确定则状态参数也确定，反之亦然。定，反之亦然。物理上：与过程无关物理上：与过程无关数学上：其微分是数学上：其微分是全微分全微分二、系统状态相同的充分必要条件二、系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件：系统两个状态相同的充要条件：所有所有状态参数一一对应相等状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件：简单可压缩系两状态相同的充要条件：两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等1 1、温度、温度温度：物体的冷热程度温度：物体的冷热程度热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡。热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡。所以所以温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据 。温标温标温度的表示方法温度的表示方法 温标的组成：温标的组成：1.1.基准点，基准点，2.2.刻度刻度 二、二、基本状态参数基本状态参数温度相等温度相等 热平衡热平衡 华氏温标华氏温标t(t(F F)基准点：基准点：1 1atmatm水冰点规定为水冰点规定为 32 32 F F 1 1atmatm水汽点规定为水汽点规定为212 212 F F 刻度：基准点间刻度：基准点间1/180 1/180 热力学温标热力学温标T(K)T(K)基准点：水的三相点规定为基准点：水的三相点规定为273.16273.16K K 刻度：基准点温度的刻度：基准点温度的1/273.161/273.16摄氏温标摄氏温标t(t()基准点：基准点：1 1atmatm水冰点规定为水冰点规定为0 0 1 1atmatm水汽点规定为水汽点规定为100100 刻度：基准点间刻度：基准点间1/1001/100热力学温标和摄氏温标热力学温标和摄氏温标T=t+273.15 KT=t+273.15 K经验温标：与测温物质的特性有关。经验温标：与测温物质的特性有关。温差温差:1:1 K K=1=12 2、压力、压力压力：即物理上的压强。单位压力：即物理上的压强。单位 单位换算单位换算，一定要注意：见表，一定要注意：见表1-11-1（P15P15）绝对压力绝对压力 表压力表压力 真空度真空度 当地大气压当地大气压压力的测量：压力的测量：1.1.当被测系统压力当被测系统压力高于高于外界压力时，使用压力表测外界压力时，使用压力表测量压力，测得的结果叫量压力，测得的结果叫表压力表压力，其值是系统压力，其值是系统压力与外界压力的差。与外界压力的差。2.2.当被测系统压力当被测系统压力低于低于外界压力时，使用真空计测外界压力时，使用真空计测量，测得的结果叫量，测得的结果叫真空度真空度，其值是外界压力与系，其值是外界压力与系统压力之差。统压力之差。3.3.大气压力的测量用大气压力的测量用大气压力计大气压力计，测出的是大气的，测出的是大气的绝对压力。绝对压力。3 3、比容、比容比容：比容：密度：密度：两者的关系：两者的关系：可见，二者相关，不互相独立。可见，二者相关，不互相独立。注：独立的状态参数，彼此不相关注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化可独立变化),),如如p p，T T。单位：单位：m m3 3/kg/kgkg/mkg/mkg/mkg/m3 3 3 31-4 1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图1 1、平衡状态、平衡状态 定义：如果在系统不受外界影响的条件下，系统的状定义：如果在系统不受外界影响的条件下，系统的状 态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。系统处于平衡状态的条件系统处于平衡状态的条件：热平衡：温度差热平衡：温度差0 0 力平衡：合力力平衡：合力0 0平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。讨论：讨论：1 1）系统平衡与均匀系统平衡与均匀2 2）平衡与稳定平衡与稳定 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡2 2、状态方程式、状态方程式状态方程：状态方程：基本状态参数基本状态参数p p，v v，T T之间的关系式称为状态方程。之间的关系式称为状态方程。对对于于和和外外界界只只有有热热量量和和体体积积变变化化功功（膨膨胀胀功功或或压压缩缩功功）的的简简单单可可压压缩缩系系统统，只只需需两两个个独独立立的的参参数数（如如p p、v v，p p、T T 或或v v、T T）便便可可确定它的确定它的平衡状态平衡状态。3 3、状态参数坐标图、状态参数坐标图简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：p pv vp pT TT Ts sh hT Tp ph h坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示，因无确定的状非平衡态不能用点在坐标图上表示，因无确定的状 态参数。态参数。1-5 1-5 工质状态变化的过程工质状态变化的过程热力过程：工质状态变化热力过程：工质状态变化1 1、准平衡过程、准平衡过程例例.放气：放气：关阀时：平衡关阀时：平衡打开阀：打开阀：a)a)阀开大，系统内部不均匀，无统一状态参数。阀开大，系统内部不均匀，无统一状态参数。b)b)阀开极小，过程极缓慢，不均匀几乎不存在，阀开极小，过程极缓慢，不均匀几乎不存在，短时间短时间内可以看作内可以看作平衡状态平衡状态。准平衡过程准平衡过程定义：定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平 衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫准平衡过程。准平衡过程。进行条件：进行条件：不平衡势不平衡势pp，TT无穷小；无穷小；过程进行得无限缓慢；工过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。质有恢复平衡的能力。准静态过程可以在状态图上用准静态过程可以在状态图上用连连续实线续实线表示。表示。2 2、可逆过程和不可逆过程、可逆过程和不可逆过程可逆过程可逆过程1 1）定义：）定义：过程使工质沿相同的路过程使工质沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相径逆行而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦恢复到原互作用中所涉及的外界亦恢复到原来状态，而不留下任何改变。来状态，而不留下任何改变。非准静态过程非准静态过程 (nonequilibrium process)准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准静态过程，可逆作功过程作功过程pFfpb2 2）条件：无磨擦、无温差传热等耗散效应）条件：无磨擦、无温差传热等耗散效应是准平衡过程是准平衡过程3 3）特点：系统与外界恒处于平衡状态，无限缓慢）特点：系统与外界恒处于平衡状态，无限缓慢无任何的不可逆耗散无任何的不可逆耗散4 4）好处：可逆过程不必考虑外界参数，使问题简化。）好处：可逆过程不必考虑外界参数，使问题简化。可逆过程不会产生能量损失，可作为实可逆过程不会产生能量损失，可作为实际过程中比较的标准和极限。际过程中比较的标准和极限。实际过程不可逆，可先按可逆进行分析实际过程不可逆，可先按可逆进行分析计算，再进行修正。计算，再进行修正。温差使过程不可逆。温差使过程不可逆。结论：结论：摩擦使过程不可逆。摩擦使过程不可逆。压力差使过程不可逆。压力差使过程不可逆。不可逆过程不可逆过程1.1.无耗散效应无耗散效应(如摩擦、电阻等如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程的准静态过程是可逆过程 可逆过程可逆过程 =准静态准静态 +无耗散无耗散讨论：讨论：2.2.一切实际过程均不可逆；一切实际过程均不可逆；3.3.内部可逆过程；外部可逆过程内部可逆过程；外部可逆过程4.4.可逆过程可用状态参数图上的可逆过程可用状态参数图上的实线实线表示。表示。判断下列过程中哪些可逆；不可逆；可以是可逆对刚性容器中的水加热，使其在恒温下蒸发；对刚性容器中的水加热，使其在恒温下蒸发；对刚性容器中的水作功；对刚性容器中的水作功；对刚性容器中的空气缓慢加热，使其从对刚性容器中的空气缓慢加热，使其从5050升至升至100100。答：答：1 1可以可逆，也可以不可逆，取决于热源温度与水温可以可逆，也可以不可逆，取决于热源温度与水温是否相等。是否相等。2.2.不可逆，作功只可能是搅拌功，伴有磨擦，因而有不可不可逆，作功只可能是搅拌功，伴有磨擦，因而有不可逆因素逆因素3.3.可以可逆，也可以不可逆，取决于热源温度与空气温是可以可逆，也可以不可逆，取决于热源温度与空气温是否相等或保持无限小的温差。否相等或保持无限小的温差。1-6 1-6 过程功和热量过程功和热量1 1、功的热力学定义、功的热力学定义p p定义：定义：对微元过程对微元过程(状态发生微状态发生微小变化小变化)式中：式中：叫微元功；叫微元功；是考虑外界得到的结果。是考虑外界得到的结果。当状态有限变化时，过程功为：当状态有限变化时，过程功为：这里：这里：1 1 初始状态，初始状态，2 2终了状态终了状态功的单位：焦功的单位：焦(J);(J);功率的单位：瓦功率的单位：瓦(W)(W)。工程中常用的单位：千焦工程中常用的单位：千焦(KJ)(KJ)和千瓦和千瓦(KW)(KW)。2 2、可逆功、可逆功当过程为可逆过程时，当过程为可逆过程时，故：故：可见：可逆过程的功，可由过程可见：可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来中工质状态参数的变化来进行计算。进行计算。可逆过程功在示功图上为过程线可逆过程功在示功图上为过程线1-21-2与横坐标与横坐标v v所围的面积所围的面积功是过程量。功是过程量。某一状态时没有功的概念，某一状态时没有功的概念，膨胀，膨胀，压缩，压缩，定容，定容，系统不作功，如系统不作功，如1-41-4；系统对外界作功，如系统对外界作功，如1-31-3。p-vp-v图特点：图特点：点：表示状态，平衡状态；点：表示状态，平衡状态；线：表示过程曲线，实线表示的是准平衡状态，线：表示过程曲线，实线表示的是准平衡状态，可逆过程；可逆过程；面积：表示功，曲线与面积：表示功，曲线与v v坐标所围面积表示体积功；坐标所围面积表示体积功；方向：方向：外界对系统作功，如外界对系统作功，如1-31-3。因为因为(无无 )几点讨论：几点讨论：a)a)有用功有用功(useful(useful work)work)p pb b f f其中其中W W膨胀功膨胀功(compression/expansion)(compression/expansion)；WlWl摩擦耗功；摩擦耗功；WrWr排斥大气功；排斥大气功；WuWu有用功。有用功。例题一例题一3 3、广义功、广义功 (不要求不要求)4 4、过程热量、过程热量热量：热量：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。量。单位：焦耳单位：焦耳(J)(J)。正负：系统吸热为正负：系统吸热为“正正”，放热为，放热为“负负”。热量是过程量。热量是过程量。（1 1）熵的认知）熵的认知 熵是热力系吸热、放热的标志，是状态的函数熵是热力系吸热、放热的标志，是状态的函数（2 2）热量与）热量与T-sT-s图图 类比功的分析及类比功的分析及p-vp-v图，热量可以由图，热量可以由T-sT-s图表示图表示T-sT-s图上图上点：表示状态，平衡状态；点：表示状态，平衡状态；线：表示过程曲线，准平衡状态，线：表示过程曲线，准平衡状态，可逆过程；可逆过程；面积：表示热量面积：表示热量，曲线与曲线与s s坐标所围面积表示热量坐标所围面积表示热量；方向：过程的熵增大方向：过程的熵增大ds0ds0，表示吸热；表示吸热；熵减少熵减少ds0ds0，表示放热。表示放热。功与热量的相同与区别功与热量的相同与区别：1.1.二者均为二者均为过程量过程量，是传递的能量；，是传递的能量；2.2.只有在只有在能量传递过程中能量传递过程中才有所谓的功和热量；才有所谓的功和热量；3.3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；4.4.功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化；功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化；热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。5.5.功功热量热量无条件无条件有条件和限度有条件和限度1-71-7热力循环热力循环 1 1、循环、循环 定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。循环的分类：循环的分类：u 按组成循环的过程性质分为按组成循环的过程性质分为可逆循环：全部由可逆过程组成的循环；可逆循环：全部由可逆过程组成的循环；不可逆循环：其中有部分过程或全部过程是不可逆的循环。不可逆循环：其中有部分过程或全部过程是不可逆的循环。u 按循环目的分为：按循环目的分为：正向循环：能将热能转换为机械能正向循环：能将热能转换为机械能 逆向循环：消耗机械能，将热能从低温物体传至高温物体。逆向循环：消耗机械能，将热能从低温物体传至高温物体。2 2、正向循环和逆向循环、正向循环和逆向循环正向循环正向循环 热动力循环热动力循环正向循环的结果是：正向循环的结果是：系统吸收净热量，对外作净功。系统吸收净热量，对外作净功。在在p-vp-v图上和图上和T-sT-s图上为顺时针方向进行图上为顺时针方向进行循环的经济性指标：循环的经济性指标：逆向循环逆向循环 (图中红箭头图中红箭头)制冷循环、热泵循环制冷循环、热泵循环在在p-vp-v图和图和T-sT-s图上为逆时针方向进行图上为逆时针方向进行逆向循环的结果：逆向循环的结果：外界向系统输入净功，系统净放热。外界向系统输入净功，系统净放热。作业：作业：1-41-4，9 9，1212，1313。