《工程热力学》第一章-基本概念.ppt
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1、1基本概念基本概念1.1 热力系统热力系统1.热力系统(热力系、系统、热力系统(热力系、系统、体系体系)的定义:的定义:人为分割出来作为热力学分析对象的有限物人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。质系统叫做热力系统。2.系统、外界与边界系统、外界与边界 外界:系统以外的所有物质。外界:系统以外的所有物质。边界(界面、控制面):系统与外界的分界面。边界(界面、控制面):系统与外界的分界面。系统与外界通过边界交换能量和质量。系统与外界通过边界交换能量和质量。热力系统举例热力系统举例 热力系统的分类热力系统的分类 与外界是否有物质交换与外界是否有物质交换 闭口系统(闭系、封闭系统
2、、控制质量系统);闭口系统(闭系、封闭系统、控制质量系统);开口系统(开系、敞开系统、控制体积系统)。开口系统(开系、敞开系统、控制体积系统)。开系和闭系在一定条件下可互相转化,主要开系和闭系在一定条件下可互相转化,主要 取决于分析问题的需要和方便。取决于分析问题的需要和方便。开系与闭系的转化开系与闭系的转化 热力系统的分类热力系统的分类 与外界是否有能量交换与外界是否有能量交换 简单热力系统;简单热力系统;绝热系统;绝热系统;孤立系统。孤立系统。孤立系统一定是闭口系统,也一定是绝热系统。孤立系统一定是闭口系统,也一定是绝热系统。热力系统的分类热力系统的分类 系统内物质组成的特征系统内物质组成
3、的特征 单组分系统:工质只由单一组分的物质单组分系统:工质只由单一组分的物质 组成组成 多组分系统:工质由多种不同组分的多组分系统:工质由多种不同组分的 物质组成物质组成 热力系统的分类热力系统的分类 系统内工质的相态系统内工质的相态 均匀系统;均匀系统;单相系统;单相系统;多相系统。多相系统。均匀系统一定是单相系统。均匀系统一定是单相系统。1.2 热力状态热力状态 状态及状态参数状态及状态参数 定义定义 某一瞬间热力系统所呈现的宏观状况称为系统某一瞬间热力系统所呈现的宏观状况称为系统 的的状态状态。描述描述系统所处状态的宏观物理量称为系统所处状态的宏观物理量称为状态参数状态参数。状态参数的分
4、类状态参数的分类 基本状态参数:可以直接测量的状态参数。基本状态参数:可以直接测量的状态参数。如压力如压力p、温度、温度T、比体积、比体积v。导出状态参数:由基本状态参数间接求得的导出状态参数:由基本状态参数间接求得的 参数。参数。如内能如内能U、焓、焓H、熵、熵S等。等。1.压力压力 压力的定义压力的定义 沿垂直方向作用在单位面积上的力称为压沿垂直方向作用在单位面积上的力称为压 力(即力(即物理中压强物理中压强)。)。对于容器内的气态工质来说,压力是大量气对于容器内的气态工质来说,压力是大量气 体分子作不规则运动时对器壁单位面积撞击体分子作不规则运动时对器壁单位面积撞击 作用力的宏观统计结果
5、。作用力的宏观统计结果。压力的方向总是垂直于容器内壁。压力的方向总是垂直于容器内壁。压力的单位压力的单位压力的单位是压力的单位是N/m2,符号是帕(,符号是帕(Pa)常用压力单位的换算见附表常用压力单位的换算见附表1(222页)页)1 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa1 at=1 kgf/cm2=9.8067 104 Pa1 MPa=106Pa 103kPa 10bar压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力(绝对压力(p)、表压力()、表压力(pg)、)、真空度(真空度(pv)绝对压力绝对压力p、表压力、表压力pg、真空度、真空度pv、大气压力大气压力pb的关系的关系 pg=
6、p-pb pv=pb-p 只有绝对压力只有绝对压力p才是系统的状态参数。才是系统的状态参数。例例1:已知甲醇合成塔上压力表的读数为:已知甲醇合成塔上压力表的读数为 150kgf/cm2,这时车间内气压计上的,这时车间内气压计上的 读数为读数为780mmHg。试求合成塔内绝。试求合成塔内绝 对压力等于多少对压力等于多少kPa?例例2:在通风机吸气管上用:在通风机吸气管上用U型管压力计测出的压型管压力计测出的压 力为力为300mmH2O,这时气压计上的读数,这时气压计上的读数750mmHg。试:(试:(1)求吸气管内气体的绝对压力等于多少)求吸气管内气体的绝对压力等于多少 kPa?(2)若吸气管内
7、的气体压力不变,而大气)若吸气管内的气体压力不变,而大气 压下降至压下降至735mmHg,这时,这时U型管压力计型管压力计 的读数等于多少?的读数等于多少?例例3:某容器被一刚性壁分成两部分,在容器的不同部位安装:某容器被一刚性壁分成两部分,在容器的不同部位安装 有压力计,如图所示。压力表有压力计,如图所示。压力表A、C位于大气环境中,位于大气环境中,B位位 于室于室中。设大气压力为中。设大气压力为97kPa:(1)若压力表)若压力表B、表、表C的读数分别为的读数分别为75kPa、0.11MPa,试确,试确 定压力表定压力表A上的读数及容器两部分内气体的绝对压力;上的读数及容器两部分内气体的绝
8、对压力;(2)若表)若表C为真空计,读数为为真空计,读数为24kPa,压力表,压力表B的读数为的读数为 36kPa,试问表,试问表A是什么表?读数是多少?是什么表?读数是多少?2.温度温度 传统:温度是物体冷热程度的标志。传统:温度是物体冷热程度的标志。微观:温度是衡量分子平均动能的量度。微观:温度是衡量分子平均动能的量度。T 0.5 m c2 T=0 0.5 m c2=0 分子一切运动停止,零动能。分子一切运动停止,零动能。热力学第零定律热力学第零定律 热平衡:不同物体的冷热程度相同,则它们处于热平衡。热平衡:不同物体的冷热程度相同,则它们处于热平衡。热力学第零定律(热力学中的一个基本实验结
9、果):热力学第零定律(热力学中的一个基本实验结果):若两个热力系分别与第三个热力系处于若两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡热平衡,那么这,那么这两个热力系也处于两个热力系也处于热平衡热平衡。温度测量的理论基础温度测量的理论基础B 相当于温度计相当于温度计 为什么叫做热力学第零定律为什么叫做热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律 1931年年 T热力学第一定律热力学第一定律 1840 1850年年 E热力学第二定律热力学第二定律 1854 1855年年 S热力学第三定律热力学第三定律 1906年年 S基准基准 温度的热力学定义温度的热力学定义由热力学第零定律可以推断:由热力学第零定律可以
10、推断:处于同一热平衡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,用于描述此宏观特征的物理量同,用于描述此宏观特征的物理量温度温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。衡的物理量。热力学第零定律给出了比较温度的方法。热力学第零定律给出了比较温度的方法。温标温标 摄氏温标摄氏温标 t (单位(单位)华氏温标华氏温标 t (单位(单位)热力学温标热力学温标 T (单位(单位 K)朗肯温标朗肯温标 T (单位(单位R)摄氏温标和热力学温标摄氏温标和热力学温标 摄氏温标规定,标准大气压下纯水
11、的冰点摄氏温标规定,标准大气压下纯水的冰点温度为温度为0,沸点温度为,沸点温度为100,两定点的温度,两定点的温度,按温度与测量物质的某种物理量(如液柱体积、按温度与测量物质的某种物理量(如液柱体积、金属电阻等)金属电阻等)的线性关系确定的线性关系确定。热力学温标是与测温物质无关的温标,它热力学温标是与测温物质无关的温标,它选取水的三相点的温度为选取水的三相点的温度为273.16K,定义,定义1K的温的温度间隔等于水的三相点热力学温度的度间隔等于水的三相点热力学温度的1/273.16。常用温标之间的关系常用温标之间的关系0.01绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏 朗肯朗肯R100373.15273.
12、160-17.80-273.15212671.6737.810032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点水沸点水沸点559.67273.15发烧发烧0 温标之间的换算关系:温标之间的换算关系:3.比体积(比容)比体积(比容)比容:单位质量物质所占的容积比容:单位质量物质所占的容积 m3/kg 密度:单位容积所含的物质质量密度:单位容积所含的物质质量 kg/m3 反应了工质聚集的疏密程度反应了工质聚集的疏密程度1.2 热力状态热力状态状态参数是状态的单值函数。状态参数是状态的单值函数。状态确定,则状态参数也随之确定;反之亦然。状态确定,则状态参数也
13、随之确定;反之亦然。状态参数的积分特性状态参数的积分特性:状态参数:状态参数的变化量的变化量 与路径无关,只与初终态有关。与路径无关,只与初终态有关。状态参数的微分特性状态参数的微分特性:全微分:全微分 状态参数的特性状态参数的特性1.数学特性数学特性状态参数的微分特性状态参数的微分特性设设 z=z(x,y),dz是全微分是全微分充要条件是:充要条件是:可判断是否是状态参数。可判断是否是状态参数。则:则:2.强度参数和广度参数强度参数和广度参数 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 p、T、v 等等 强度参数具有不可加性。强度参数具有不可加性。把一个均匀系统划分
14、成若干个子系统,各子系统的同名把一个均匀系统划分成若干个子系统,各子系统的同名 强度参数相同,且与整个系统的同名强度参数相同。强度参数相同,且与整个系统的同名强度参数相同。非均匀系统内各处的同名参数值却不一定相同。非均匀系统内各处的同名参数值却不一定相同。广度参数:广度参数:与物质的量有关的参数。与物质的量有关的参数。广度参数具有可加性,如广度参数具有可加性,如 m、V、U、E、H、S 等。等。无论系统均匀与否,广度参数具有确定的值。无论系统均匀与否,广度参数具有确定的值。单位质量的广度参数称为比参数,如单位质量的广度参数称为比参数,如v、u、h、s 等。等。比参数具有强度参数的性质;比参数具
15、有强度参数的性质;广度参数用大写字母表示,比参数用小写字母;广度参数用大写字母表示,比参数用小写字母;习惯上把除比容以外的比参数的习惯上把除比容以外的比参数的“比比”省略。省略。单位摩尔的广度参数称为摩尔参数,摩尔参数也具单位摩尔的广度参数称为摩尔参数,摩尔参数也具 有强度参数的性质。有强度参数的性质。1.2 热力状态热力状态 平衡状态平衡状态 定义:定义:在不受外界影响的条件下(重力场除外),在不受外界影响的条件下(重力场除外),如果系统的宏观状态不随时间变化,则该系如果系统的宏观状态不随时间变化,则该系 统处于统处于平衡状态平衡状态。不能把平衡态简单地说成不随时间而改变的状态,不能把平衡态
16、简单地说成不随时间而改变的状态,也不能说成外界条件不变的状态。也不能说成外界条件不变的状态。平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的状态。平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的状态。平衡与均匀:平衡与均匀:均匀系统一定处于平衡状态,均匀系统一定处于平衡状态,反之则不然。反之则不然。实现平衡的条件实现平衡的条件 热平衡热平衡 温度相等温度相等 力平衡力平衡 压力相等压力相等 相平衡相平衡 各相间化学位相等各相间化学位相等 化学平衡化学平衡 反应物与生成物化学反应物与生成物化学 位相等位相等此外,系统与外界之间也要处于相互平衡中。此外,系统与外界之间也要处于相互平衡中。只有平衡状态,才可用一组状态参
17、数来描述。只有平衡状态,才可用一组状态参数来描述。状态方程与状态参数坐标图状态方程与状态参数坐标图 不需要,只要知道描述系统状态所需的独立不需要,只要知道描述系统状态所需的独立状态参数的数目(即自由度)就可以了!状态参数的数目(即自由度)就可以了!想确切描述某个热力系统,是想确切描述某个热力系统,是否需要所有状态参数?否需要所有状态参数?1.系统状态的自由度系统状态的自由度 其中其中是系统的组分个数,是系统的组分个数,是系统中相的个数。是系统中相的个数。2.状态方程状态方程 对于任意系统所处的状态来说,只有对于任意系统所处的状态来说,只有个独立个独立状态参数作为自变量,其它参数均可视为因变量。
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- 工程热力学 工程 热力学 第一章 基本概念
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