工程热力学 第一章　基本概念.ppt

第一章基本概念第一章基本概念本章基本要求：本章基本要求：qq掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。平衡态、准平衡过程、可逆过程等。平衡态、准平衡过程、可逆过程等。平衡态、准平衡过程、可逆过程等。qq掌握状态参数的特征，基本状态参数掌握状态参数的特征，基本状态参数掌握状态参数的特征，基本状态参数掌握状态参数的特征，基本状态参数p p p p、v v v v、T T T T 的的的的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。功量进行计算。功量进行计算。功量进行计算。qq了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。11热能在热机中转变成机械能的过程热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置：热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。力的设备。力的设备。力的设备。热能动力装置分为两大类：热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）热能热能机械能机械能化学能化学能内燃机（汽油机）内燃机（汽油机）燃气燃气热能热能机械能机械能燃料燃料化学能化学能大气大气工作过程：工作过程：能量转换：能量转换：吸气吸气压缩压缩排气排气燃烧、膨胀燃烧、膨胀蒸汽动力装置蒸汽动力装置1 1炉子炉子2 2炉墙炉墙3 3沸水管沸水管4 4汽锅汽锅5 5过热器过热器6 6汽轮机汽轮机7 7喷嘴喷嘴8 8叶片叶片9 9叶轮叶轮1010轴轴1111发电机发电机1212冷凝器冷凝器1313、1414、1616泵泵1515蓄水池蓄水池不同点：不同点：构造和工作特性不同。构造和工作特性不同。构造和工作特性不同。构造和工作特性不同。结论：结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。程：吸热、膨胀作功和排热。比较上述两种热机比较上述两种热机l存在某一种媒介物质以获得能量；（如内存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水）燃机中混合气，蒸汽机中的水）l存在能提供热能的能量源；存在能提供热能的能量源；l余下的热能排向环境介质。余下的热能排向环境介质。相同点：相同点：名词定义：名词定义：工工质：质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）：热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）冷源（低温热源）：接受工质排出热能的物系。接受工质排出热能的物系。工质从高温热源吸热，将其中一部分转工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。热源。热能动力装置的工作过程可概括成：热能动力装置的工作过程可概括成：热源热源冷源冷源热机热机作功作功吸热吸热放热放热1 12 2热力系统热力系统 系统系统:选取一定的选取一定的工质工质或空间作为研究对象或空间作为研究对象 外界外界:与系统发生质、能交换的物体统称外界与系统发生质、能交换的物体统称外界 边界边界:系统和外界之间的分界面系统和外界之间的分界面边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功13 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 状态状态 热力系统在某一个瞬间所呈现的宏观热力系统在某一个瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的状态。物理状况称为系统的状态。平衡状态平衡状态定义：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，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。则该系统处于平衡状态。温差温差 热不平衡势热不平衡势 压差压差 力不平衡势力不平衡势 化学反应化学反应 化学不平衡势化学不平衡势平衡的平衡的本质本质：不存在不平衡势：不存在不平衡势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稳定但存在但存在不平衡势差不平衡势差去掉去掉外界影响，外界影响，则则状态变化状态变化若以若以（热源（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系统，又如何为系统，又如何？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，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，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？如果如果系统平衡系统平衡，可用，可用一组一组确切确切的参数（的参数（压力压力、温度温度）描述描述 基本状态参数：基本状态参数：压力、温度、比体积压力、温度、比体积 不可测参数：不可测参数：热力学能、焓、熵等热力学能、焓、熵等 复合参数：复合参数：吉布斯函数、亥姆霍兹函数吉布斯函数、亥姆霍兹函数 状态参数状态参数 描述系统描述系统所处平衡所处平衡状态的状态的宏观宏观物理量称为状态物理量称为状态参数。如温度、压力等。参数。如温度、压力等。(1)状态参数的积分特征状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。初终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化状态参数的特性：状态参数的特性：(2)状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z=z z(x,y)dz z是全微分是全微分充要条件：充要条件：可可判断是否判断是否是状态参数是状态参数 压力压力P P、温度温度T T、体积体积V V、热力学能热力学能U U、焓焓H H和熵和熵S S，其中压力、温度和体积可直接其中压力、温度和体积可直接用仪器测量，称为用仪器测量，称为基本状态参数基本状态参数。其余状。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。态参数可根据基本状态参数间接算得。(3(3）常用的状态参数有）常用的状态参数有:(4(4）状态参数有强度量与广延量之分：）状态参数有强度量与广延量之分：强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 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、热力学能热力学能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比比容容 比比热力学能热力学能 比比焓焓比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质强度量与广延量强度量与广延量速度速度动能动能高度高度 位能位能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）热力学能热力学能基本热力学参数基本热力学参数温度温度T 的一般定义的一般定义传统：传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：微观：衡量分子平均动能的量度衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2q 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热力学第零定律热力学第零定律（R.W.Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的温度测量的理论基础理论基础B 温度计温度计温度的热力学定义温度的热力学定义处于同一处于同一热平衡热平衡状态的各个热力系，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统处于热平衡热平衡的物理量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，铂电阻水银，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定义：定义：温标是指温度的数值表示法温标是指温度的数值表示法q温标温标测温物质及其测温属性测温物质及其测温属性基准点基准点分度方法分度方法温标三要素：温标三要素：任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为得到的温标称为经验温标经验温标，经验温标依赖于测温物质的，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标物质的性质的温标,即热力学即热力学绝对温标绝对温标。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熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点559.67q 热力学绝对温标（热力学温度或绝对温热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度度）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为符号为T T，单位为单位为K(K(称称“开尔文开尔文”)。规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为为273.16K273.16Kq 摄氏温标摄氏温标 17421742年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏(Anders(Anders celsiuscelsius)提出的。提出的。他他把一个大气压下纯水的冰点取为把一个大气压下纯水的冰点取为0 0度，沸点取为度，沸点取为100100度，度，中间中间100100等分作为温标。符号等分作为温标。符号t t、单位单位。19601960年国际年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，热力学摄氏温标，把水的三相把水的三相点定为点定为273.16K273.16K，0.010.01。则。则:00273.15K273.15K，t()=T(K)-273.15t()=T(K)-273.15 q 华氏温标：华氏温标：17241724年由德国人华氏（年由德国人华氏（cabridlcabridl D Fahrenheit D Fahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为得的当时可得到的最低温度作为0 0度，把人体的温度作度，把人体的温度作为为9696度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用1212进位法。符号进位法。符号t tF F ，单位单位 FF。q 华氏温标与摄氏温标的换算关系为：华氏温标与摄氏温标的换算关系为：t()=0=32 F100 =212F二、压力二、压力q 定义：定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)q 压力计压力计 测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和和 U U型管型管。分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。壁的平均结果。压力压力p测量测量一般是一般是工质工质绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力示意图当当 p pb表表压力压力 pe当当 p 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：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲冲程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一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“缓慢缓慢”准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：p A=p外外 A+fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中以汽缸中mkg工工质为系统质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W=p A dl=pdV1kg工质工质 w=pdvdl 很小很小，近似认为近似认为 p 不变不变准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外2mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdv1注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程示功图示功图pV.12.pp外外21mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdvW准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV.12.2）p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关，功是过程量功是过程量4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀膨胀 对外作功（对外作功（正正）dV0，压缩，压缩 外对作功（外对作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流体）工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦损失的影响摩擦损失的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，再返还给系统，系统得到的功系统得到的功WT2Q节流过程节流过程 (阀门）阀门）p1p2p1p2典型的不可逆过程典型的不可逆过程混合过程混合过程 自由膨胀自由膨胀真空真空 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准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程，但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆1-7 功功 量量1 1、力学力学定义定义:力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义 a a、功功是热力系统通过边界而传递是热力系统通过边界而传递的能量，且全部的能量，且全部效果可表现为举起重效果可表现为举起重物物。b b、功是系统与外界相互作用的一功是系统与外界相互作用的一种方式，在种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运运动方式传递的能量动方式传递的能量。功的表达式功的表达式功功的一般表达式的一般表达式热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 其他准静态功：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等1-8 热热 量量 与与 熵熵1 1、热量热量定义：定义：热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界是热力系与外界相互作用的另一种方式，在相互作用的另一种方式，在温度温度的推的推动下，以微观动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能能量。量。热热 量量 如如 何何 表表 达达？热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”热量与容积变化功热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 热量热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV,dv dS,ds公式公式条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆熵（熵（Entropy）的定义的定义reversible熵的简单引入熵的简单引入比参数比参数 kJ/kg.Kds:可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的所得的商商 广延量广延量 kJ/K熵的熵的说明说明1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 Q 0 dS 0系统系统放热放热时时为为负负 Q 0 dS pB AB非准静态过程，非可逆过程非准静态过程，非可逆过程取取A或或B中气体为系统中气体为系统可逆热力学可逆热力学没法计算没法计算相互有功的作用相互有功的作用取取AB气体为系统，气体为系统，无功无功灵活处理功的计算灵活处理功的计算充气球充气球若若准静态过程准静态过程若取若取进入气球的进入气球的气体气体为为系统系统但但pV的关系不知的关系不知？若看外部效果，若看外部效果，p pb b不变不变外界得到功外界得到功p pb b V=气体作功气体作功