热力学基本概念1-状态参数、热力学温标.ppt

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1、工程热力学工程热力学工程热力学Engineering Thermodynamics工程热力学工程热力学主讲教师介绍主讲教师介绍安青松安青松天津大学热能工程系天津大学热能工程系天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室中低温发电技术中低温发电技术主要研究方向主要研究方向环保工质环保工质纳米流体技术纳米流体技术工程热力学工程热力学主讲教师介绍主讲教师介绍Address：金工楼金工楼510Tel：27407617，E-mail:工程热力学工程热力学助教介绍助教介绍Name:刘良旭刘良旭博士生博士生Address：金工楼金工楼510Tel：E-mail:课程公

2、邮课程公邮：工程热力学工程热力学绪绪 论论工程热力学工程热力学是重要的是重要的技术基础课技术基础课工程热力学工程热力学是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律的科学的科学工程热力学工程热力学能源转换利用的关系能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源(天然存在天然存在)二次能源二次能源光光电电转转换换燃燃料料电电池池光光热热聚聚变变裂裂变变燃燃烧烧水水车车水水轮轮机机风风车车热机热机电电动动机机发发电电机机90%转转换换直接利用直接利用利利用用生

3、物质生物质工程热力学工程热力学FutureEnergytoLow-CarbonTowninChinaNewEnergyTechnologiesRenewableenergyConventionalEnergycleanFutureenergy工程热力学工程热力学工程热力学与节能工程热力学与节能工程热力学工程热力学是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律的科学的科学建立节能的理论基础建立节能的理论基础工程热力学工程热力学(1)中国能源资源缺乏中国能源资源缺乏(2)中国中国能源利用效率低下能源利用效率低下(3)能源环境问题突出能源环境问题

4、突出工程热力学工程热力学热力学的分类热力学的分类工程热力学工程热力学：热能与机械能：热能与机械能物理热力学物理热力学化学热力学化学热力学生物热力学生物热力学溶液热力学溶液热力学热热力力学学工程热力学工程热力学能源转换利用的关系能源转换利用的关系 热热 能能 电电 能能 机机 械械 能能风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能光光电电转转换换燃燃料料电电池池光光热热聚聚变变裂裂变变燃燃烧烧水水车车水水轮轮机机风风车车热机热机电电动动机机发发电电机机90%转转换换供供暖暖生物质生物质工程热力学工程热力学热热 机机 种种 类类 车辆发动机（内燃机）车辆发动机（内燃机）25-35%

5、航空发动机航空发动机20-30%轮船发动机轮船发动机25-35%发电（火力、核能）发电（火力、核能）40-50%制冷空调制冷空调(非热机，同理）非热机，同理）200%能量利用率能量利用率heatengineEnergyefficiency工程热力学工程热力学内燃机内燃机装置装置空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气internalcombustionengine工程热力学工程热力学发动机构造（内燃机）发动机构造（内燃机）图6-15 单缸汽油机构造示意图-火花塞 2-气缸盖 3-出水口 4-气缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞销 9-进水口 10-连杆 11-飞

6、轮 12-曲轴 13-机油管 14-曲轴箱 15-机油泵 16-曲轴正时齿轮 17-凸轮正时齿轮 18-凸轮轴 19-排气管20-进气管 21-进气门 22排气门 23-化油器engine工程热力学工程热力学汽车发动机与传动（内燃机）汽车发动机与传动（内燃机）工程热力学工程热力学内燃机内燃机装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环(加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热)工程热力学工程热力学涡轮风扇发动机（航空发动机）涡轮风扇发动机（航空发动机）高压透平高压透平燃烧室燃烧室压气机压气机低压透平低压透平工程热力学工

7、程热力学燃气装置基本特点燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、膨胀做功、放热)压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气工程热力学工程热力学火电厂系统图火电厂系统图SteamPowerStation工程热力学工程热力学凝汽器凝汽器Condenser和冷却塔系统图和冷却塔系统图工程热力学工程热力学火力发电装置基本特点火力发电装置基本特点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1、热源，冷源热源，冷源2、工质（水，蒸汽）、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功、膨胀做功4、循环、循环 (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放

8、热膨胀做功、放热)工程热力学工程热力学制冷空调制冷空调装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（制冷剂）工质（制冷剂）3、得到容积变化功得到容积变化功4、循环循环(加压、放热、加压、放热、膨胀、吸热膨胀、吸热)工程热力学工程热力学热力热力装置装置共同基本特点共同基本特点1、热源，冷源热源，冷源heatreservoir2、工质工质medium,workingsubstance3、容积变化功容积变化功movingboundarywork4、循环循环cycle工程热力学工程热力学热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源Q1Q2W动力循环简图动力循环简图热效率热效率Thermalef

9、ficiency工程热力学工程热力学思思 考考 题题？2、为何要有两个热源，能否不要低、为何要有两个热源，能否不要低温热源温热源,不放热，不放热，W=Q是否可以进行？是否可以进行？4、普通发电厂效率高的只有、普通发电厂效率高的只有40%左右，左右，可否有途径提高，最高效率是否有极可否有途径提高，最高效率是否有极限？极限为多少？限？极限为多少？1、为什么永动机不能实现？、为什么永动机不能实现？Perpetualmotionmachine3、动力装置为什么都要先升压，再吸热，、动力装置为什么都要先升压，再吸热，能否先吸热，再升压能否先吸热，再升压?工程热力学工程热力学工程热力学的研究内容工程热力学

10、的研究内容1、能量转换的基本定律能量转换的基本定律2、工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础化学热力学基础工程热力学工程热力学1、宏观方法：宏观方法：连续体连续体(continuum)，用宏观，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结的总结特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广经典经典（宏观宏观,平衡平衡）热力学热力学 classical(macroscopic,equilibrium)工程热力学研究方法工程热力学研究方法工程热力学工程热力学2、微观方

11、法：微观方法：从微观粒子的运动及相互作从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律用角度研究热现象及规律特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似微观（统计）热力学微观（统计）热力学microscopic(statistical)thermodynamics工程热力学研究方法工程热力学研究方法工程热力学工程热力学1、有几位科学家在热力学作出了贡献，、有几位科学家在热力学作出了贡献，获诺贝尔奖？获诺贝尔奖？小小 知知 识识2、中国哪位教授与美国教授合作提出、中国哪位教授与美国教授合作提出的状态方程得到普遍认可？的状态方程得到普遍认可？4、为什么恩格斯说、为什么恩格斯说“卡诺定理卡诺定理”

12、是头重是头重脚轻的定理？脚轻的定理？3、Maxwell妖是什么？妖是什么？工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）J.D.范.德瓦尔斯 Johannes van der Waals(1837-1923)荷兰 气体和液体状态方程 1910年诺贝尔物理学奖工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）M.普朗克 Max Planck(1858-1947)德国 发现能量子（量子理论）热二律 1918年诺贝尔物理学奖工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）W.H.能斯脱 Walther Hermann Nernst(1864-1941)德国 热化学，熵基准 1920

13、年诺贝尔化学奖工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4）L.昂萨格 Lars Onsager(1903-1976)美国 不可逆过程热力学理论 1968年诺贝尔化学奖工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）I.普里戈金 Ilya Prigogine(1917-2003)比利时 热力学的耗散结构理论 1977年诺贝尔化学奖工程热力学工程热力学热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）K.G.威尔逊 Kenneth G.Wilson(1936-)美国 临界重整化群理论 1982年诺贝尔物理奖工程热力学工程热力学参参 考考 书书1、工程热力学工程热力学 沈维道等沈维道等 高教出版社高

14、教出版社2、工程热力学工程热力学 曾丹苓等曾丹苓等 高教出版社高教出版社3、工程热力学工程热力学 朱明善等朱明善等 高教出版社高教出版社4、工程热力学工程热力学 庞麓鸣等庞麓鸣等 高教出版社高教出版社工程热力学工程热力学教学要求及考核方式教学要求及考核方式1、弄清基本概念，注意每章后的思考题弄清基本概念，注意每章后的思考题2、独立完成作业，每两周四上课时按时交独立完成作业，每两周四上课时按时交3、有问题及时解决，不要拖至考试有问题及时解决，不要拖至考试clearunderstandingandfirmgraspofthebasicprinciples1、平时作业、平时作业20%2、期中考试、期

15、中考试20%3、期末考试、期末考试60%工程热力学工程热力学绪绪 论论 完完EndofPreface工程热力学工程热力学基本概念基本概念BasicConcepts工程热力学工程热力学热力系统热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为地：人为地研究对象研究对象1、系统、系统的定义的定义ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy工程热力学工程热力学热力系统外界：系统以外的所有物质外界：系统以外的所有物质2、系统、外界系统、外界与边界与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界

16、的分界面系统与外界的作用都通过边界系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary工程热力学工程热力学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只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热工程热力学工程热力学边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed、movablereal、imaginary工程热力学工程热力学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

17、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工程热力学工程热力学TypesofSystem开口系开口系绝热系绝热系孤立系孤立系Closedsystem ControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系闭口系Adiabaticsystem工程热力学工程热力学1234mQW1开口系开口系热力热力系统系统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孤立系孤立系工程热力学工程热力学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

18、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工程热力学工程热力学简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的系统最重要的系统只交换热量和一种准静态的容积变化功只交换热量和一种准静态的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SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork工程热力学工程热力学状态和状态参数状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数：描

19、述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：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、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分Stateandstateproperties工程热力学工程热力学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：可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数Totaldifferentials工程热力学工程热力学强度参数与广延参数

20、强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力如压力 p、温度温度T广延参数：与物质的量有关的参数广延参数：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：比容比容比热力学能比热力学能 比焓比焓比熵比熵单位：单位：/kg/kmol具有强度参数的性质具有强度参数的性质Intensiveproperties Extensiveproperties工程热力学工程热力学强度参数与广延参数强度参数与广延参数速度速度动能动能高度高度 位能位能 热力学能热力学能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）

21、（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol工程热力学工程热力学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 （容易测量）（容易测量）1 1、压力、压力 p (pressure)物理中压强物理中压强，单位单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位常用单位Units：1kPa=103Pa1bar=105Pa 1MPa=106Pa 1atm=760mmHg=1.013 105 Pa 1m

22、mHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665 104 PaBasicstateproperties工程热力学工程热力学压力压力p测量测量示意图绝对压力与环境压力的绝对压力与环境压力的相对值相对值相对压力相对压力注意：注意：只有绝对压力只有绝对压力p 才才是状态参数是状态参数U-tubemanometerBourdonTube工程热力学工程热力学绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当p pb表压力表压力pe当当p pb真空度真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure工程热力学工

23、程热力学环境压力与大气压力环境压力与大气压力指压力表所处环境指压力表所处环境注意：注意：环境压力一般为大环境压力一般为大气压，但不一定。气压，但不一定。环境压力环境压力Environmentalpressure大气大气压力压力Atmosphericpressurebarometrichbarometer工程热力学工程热力学大气压力大气压力Atmosphericpressure大气压随时间、地点变化大气压随时间、地点变化物理大气压物理大气压1atm=760mmHg当当h变化不大，变化不大，常数常数1mmHg=gh=133.322Pa当当h变化大，变化大，(h)工程热力学工程热力学OtherPre

24、ssureMeasurementDevices高精度测量：活塞压力计高精度测量：活塞压力计pistonmanometer工业或一般科研测量：压力传感器工业或一般科研测量：压力传感器PressuretransducersPiezoelectriceffect工程热力学工程热力学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 （容易测量）（容易测量）2 2、温度、温度 T (Temperature)Basicstateproperties工程热力学工程热力学温度温度T 的一般定义的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分

25、子平均动能的量度微观：衡量分子平均动能的量度T 0.5m w 21)同同T,0.5mw 2不同，如碳固体和碳蒸气不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw 2总总 0,T 0,1951年核磁共振法对年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3)T=00.5mw2=0分子一切运动停止，分子一切运动停止，零点能零点能工程热力学工程热力学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.Fowlerin1931）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，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡

26、。温度测量的温度测量的理论基础理论基础B温度计温度计工程热力学工程热力学Temperaturemeasurement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Scale温标温标TemperaturescaleReferencestate工程热力学工程热力学温标温标Temperaturescale 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏

27、温标华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)工程热力学工程热力学常用温标之间的关系常用温标之间的关系绝对绝对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559.67工程热力学工程热力学温标的换算温标的换算工程热力学工程热力学TemperatureMea

28、surementDevices水银温度计水银温度计thermometer，酒精温度计，酒精温度计，热电偶热电偶Thermocouple热电阻热电阻Resistancetemperaturedetector辐射温度计辐射温度计Radiationthermometer铂电阻温度计铂电阻温度计Platinum激光全息干涉仪激光全息干涉仪CARSCARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法（相干反斯托克斯喇曼光谱）法工程热力学工程热力学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 （容易测量）（容易测量）3 3、比容、比容 v (specificvolume)Basicstatepropertiesm3/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d density kg/m3工程热力学工程热力学小小 结结 Summary基本概念：基本概念：热力系热力系 热力系的分类热力系的分类 状态参数状态参数 热力学温标热力学温标