《工程热力学》第一章基本概念.ppt

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1、第一章第一章 基本概念（基本概念（4 4学时）学时）基本内容基本内容n热力学系统及状热力学系统及状态、状态参数；态、状态参数；平衡状态、状态平衡状态、状态方程式；热力过方程式；热力过程及准静态过程；程及准静态过程；准静态过程的功；准静态过程的功；热量；功；热量热量；功；热量与功的类比；热与功的类比；热力循环等概念力循环等概念。基本要求基本要求n 掌握工程热力学的基本术语与掌握工程热力学的基本术语与概念（热力系、平衡态、准平衡概念（热力系、平衡态、准平衡过程等）过程等）n掌握状态参数的特征，基本状态掌握状态参数的特征，基本状态参数参数p p、v v、T T关系关系n区别热力过程与准静态过程的概区

2、别热力过程与准静态过程的概念内涵；念内涵；n区别热量与功量过程量的特征区别热量与功量过程量的特征n掌握热力循环概念掌握热力循环概念11-1 热能在热机中转变为机械能的过程热能在热机中转变为机械能的过程（参见绪论部分）（参见绪论部分）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蒸汽压缩制冷装置蒸汽压缩制冷装置21-2 1-2 热力学系统热力学系统1.2.1 1.2.1 热力学系统及相关概念热力学系统及相关概念1.2.2 热力学系统种类热力学系统种类31.2.1.1.2.1.热力学系统及相关概念热力学系统及相关概念热力学系统热力学系统：选取某些固定物质或某个固定空间中的物质作为选取某些固定

3、物质或某个固定空间中的物质作为热力学分析的对象，称为热力学系统，涉及如下概念热力学分析的对象，称为热力学系统，涉及如下概念热机：热机：将热能转化为机械能的机器将热能转化为机械能的机器,通称热机，如蒸汽动力循环通称热机，如蒸汽动力循环系统；内燃机；制冷系统等系统；内燃机；制冷系统等工质：工质：媒介物质媒介物质,通过其状态变化实现将热能转化为机械能通过其状态变化实现将热能转化为机械能,即即工作物质工作物质,简称简称“工质工质”。如水及水蒸气、空气或燃气、各类。如水及水蒸气、空气或燃气、各类制冷剂等制冷剂等热源：热源：热容量很大热容量很大,吸、放热量有限时其自身温度及其他状态参吸、放热量有限时其自身

4、温度及其他状态参数无显著变化的物质或物体数无显著变化的物质或物体,称为热源（常被当作外界考虑）称为热源（常被当作外界考虑）热力系统外界：热力系统外界：热力系统之外与能量转换过程有关的一切其热力系统之外与能量转换过程有关的一切其他物质的统称他物质的统称热力系统边界：热力系统边界：系统与外界之间的分界面。可假想、可实际系统与外界之间的分界面。可假想、可实际存在；可固定、可有位移或变形存在；可固定、可有位移或变形41.2.2 热力学系统种类热力学系统种类按控制对象分按控制对象分闭口系统（控制质量闭口系统（控制质量）开口系统（控制容积）开口系统（控制容积）其它其它 绝热系统绝热系统 孤立系统孤立系统系

5、统内部状况的不同分系统内部状况的不同分 均匀系与非均匀系均匀系与非均匀系 单元系与多元系单元系与多元系5P工质闭口系统闭口系统外外界界边边界界热源热源外外界界开口系统开口系统1122边界边界热热源源进口出口6开口系统冷空气热空气1122加热器孤立系统热源7系系真空容器真空容器边界可变形系统边界可变形系统阀门阀门假想边界假想边界统统81-3 1-3 工质的热力学状态及基本状态参数工质的热力学状态及基本状态参数1.3.1 1.3.1 基本术语：基本术语：n状态状态n状态参数状态参数1.3.2 1.3.2 基本状态参数基本状态参数n比容及密度比容及密度n压力压力n温度温度9、基本术语基本术语-状态、

6、状态参数状态、状态参数1 1、状态状态：工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观：工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观物理状况称物理状况称状态状态2 2、状态参数状态参数：表示状态特征的物理量称为：表示状态特征的物理量称为状态参数状态参数 状态与状态参数是一一对应的状态与状态参数是一一对应的3 3、状态参数特点状态参数特点数学特征为点函数：数学特征为点函数：微元变化的微增量具全微分性质微元变化的微增量具全微分性质4 4、热力学基本状态参数热力学基本状态参数为三个：比容、压力、为三个：比容、压力、温度温度10、基本状态参数、基本状态参数-比容及密度比容及密度1 1、定义：定义：单位质量物质所

7、占有的容积，称为比容，以单位质量物质所占有的容积，称为比容，以v v表示表示 单位容积物质所占有的质量，称为密度，以单位容积物质所占有的质量，称为密度，以 表示表示2 2、单位单位 比容：比容：m m3 3/kg/kg 或或 立方米立方米/千克千克 密度：密度：kg/mkg/m3 3 或或 千克千克/立方米立方米 其他单位制其他单位制111.3.2 1.3.2 基本状态参数基本状态参数-温度温度1 1、定义：标志物体冷热程度的量度、定义：标志物体冷热程度的量度2 2、热力学第、热力学第0 0定律定律-确定温度概念的基础确定温度概念的基础:两个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系

8、统处于热平衡,则两系统彼则两系统彼此处于热平衡此处于热平衡 一切系统必定有一共同的表征系统宏观状况的状态参一切系统必定有一共同的表征系统宏观状况的状态参数数,对所有处于热平衡的系统该参数具相同的数值对所有处于热平衡的系统该参数具相同的数值-温度温度3 3、温标及换算、温标及换算 基本温标：基本温标：热力学温标，热力学温度，以热力学温标，热力学温度，以T T表示，单位开（表示，单位开（K K）热力学摄氏温标：以热力学摄氏温标：以t t表示，单位表示，单位0 0C C；T T（k k）=t=t（0 0C C）+273.15+273.15121.3.3 1.3.3 基本状态参数基本状态参数-压力（压

9、强）压力（压强）1、定义：定义：流体在单位面积上的垂直作用力，热力学流体在单位面积上的垂直作用力，热力学称之称之压压 力（绝对压力）力（绝对压力），描述流体物质所组成的，描述流体物质所组成的热力学系统内部力学状态的状态参数热力学系统内部力学状态的状态参数 计算计算:P=F/A :P=F/A 单位制及换算单位制及换算（见书附录（见书附录10(1):10(1):SISI制制 帕斯卡帕斯卡,Pa=N/m,Pa=N/m2 2 巴巴(bar)=10(bar)=105 5PaPa 工程大气压工程大气压(at)=9.8704x10(at)=9.8704x104 4Pa,Pa,标准大气压标准大气压(atm)=

10、1.01325x 10(atm)=1.01325x 105 5Pa=760mmHgPa=760mmHg 毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)(mmHg)毫米水柱毫米水柱(mmH(mmH2 2O)=9.8704PaO)=9.8704Pa132 2、表压力、表压力PgPg：工质的真实压力：工质的真实压力P P与大气压力与大气压力PbPb之差之差 Pe=P-Pb Pe=P-Pb 或或 P=Pb+Pe P=Pb+Pe 真空度真空度PvPv：工质的大气压力与真实压力之差：工质的大气压力与真实压力之差 Pv=Pb-P Pv=Pb-P 或或 P=Pb-Pv P=Pb-PvPPe真实压力真实压力P大于大于大气压力大气

11、压力PbP=Pe+PbPbPPbPv真实压力真实压力P小于小于大气压力大气压力PbP=Pb-Pv143、绝对压力、绝对压力P、表压力、表压力Pe与真空度与真空度Pv关系关系PbPPePvP(PPb)PPb15例题例题1:某容器被一刚性隔板分成两部分，在容器的不同某容器被一刚性隔板分成两部分，在容器的不同部位安装有压力计，如图，设大气压力部位安装有压力计，如图，设大气压力Pb为为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,确定压力表确定压力表A的读数的读数,容器容器1和和2两部分气两部分气体绝对压力体绝对压力(2)表表C 为真空表为真空表,读数

12、为读数为24KPa,压力表压力表B 的读数的读数为为36KPa,问表问表A是什么表是什么表?读数为多少读数为多少?BBAC12161-4 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1.4.1 1.4.1 平衡状态与非平衡态平衡状态与非平衡态平平衡衡状状态态：系系统统在在不不受受外外界界影影响响的的条条件件下下,如如果果宏宏观观热热力力性性质质不不随随时时间间而而变变化化,系系统统内内、外外同同时时建建立立了了热热平平衡衡、力力平平衡衡（及及化化学平衡）学平衡）,此时系统所处状态为平衡态此时系统所处状态为平衡态非非平平衡衡态态:系系统统与与外外界界,系系统统内内部部各各部部

13、分分间间存存在在能能量量传传递递及及相相对对位位移移,状状态态将将随随时时间间变化变化,称系统处于非平衡态称系统处于非平衡态171.4.2 1.4.2 状态方程式状态方程式1.4.2.1.4.2.平衡状态的状态参数表示平衡状态的状态参数表示 确确定定热热力力学学系系统统所所处处平平衡衡状状态态所所须须的的独独立立状状态态参参数数数数目目等等于系统与外界进行能量传递方式的数目于系统与外界进行能量传递方式的数目 常常见见气气体体热热力力系系统统,能能量量传传递递方方式式为为热热量量与与功功量量的的传传递递(若若没有化学反应时没有化学反应时),),能量传递数为能量传递数为2 2个个1 1、状态方程式

14、：、状态方程式：对简单可压缩系统，只需两个独立状态参数，即可确定其对简单可压缩系统，只需两个独立状态参数，即可确定其平衡状态，即已知平衡状态，即已知P P，V V，T T中任意两个，可知另一参数中任意两个，可知另一参数 F F（P P，V V，T T）=0=0 P=f P=f（V V，T T）V=f V=f（P P，T T）T=f T=f（V V，P P）2 2、理想气体与理想气体状态方程式、理想气体与理想气体状态方程式18P VP Vm m=R T=R T2 2、理想气体状态方程式、理想气体状态方程式（由（由玻意耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律总结而得）理想气体真实压力Pa1mol理

15、想气体体积（摩尔容积）m3/mol理想气体摩尔常数J/（mol.k)气体温度(K)P VP V =N R T=N R TN mol理想气体体积（摩尔容积）m3/mol19摩尔气体常数摩尔气体常数(通用气体常数通用气体常数)R)R理想气体方程式其他表示理想气体方程式其他表示R=8.31451J/(mol.K)=8.31451KJ/(Kmol.K)=8314.51J/(Kmol.K)P v=Rg T对1kg工质比容或比体积m3/kg气体常数J/(kgl.K)一定容积工质P V=m Rg T容积m3工质质量kg20思考：思考：表压力或真空度能否用在状态方程式表压力或真空度能否用在状态方程式中直接计算

16、？若工质的压力不变，测量中直接计算？若工质的压力不变，测量压力的压力表或真空度读数是否可能变压力的压力表或真空度读数是否可能变化？真空表读数越大，被测对象的压力化？真空表读数越大，被测对象的压力越大还是越小？越大还是越小？21关于理想气体关于理想气体n定义定义:完全适用理想气体状态方程式的工质完全适用理想气体状态方程式的工质 n条件条件 分子本身不占体积分子本身不占体积 分子之间的碰撞完全弹性分子之间的碰撞完全弹性 分子间无内聚力分子间无内聚力 n实际运用实际运用 压力较低（不高于压力较低（不高于10MPa10MPa）、温度较高、比容较大的工质）、温度较高、比容较大的工质EGEG：一般：一般

17、O O2 2，N N2 2，空气，惰性气体等可适用，空气，惰性气体等可适用 水与水蒸汽；各类制冷剂等不适用水与水蒸汽；各类制冷剂等不适用22vP112状态参数坐标图状态参数坐标图PP2V1V2P-V图不表示非平衡态1.4.3 状态参数坐标图状态参数坐标图P-V图图,T-S图图23ST112状态参数坐标图状态参数坐标图T-ST-S图图TT2S1S2T-S图不表示非平衡态24作业n1-2，1-5，1-7251-5 1-5 工质的状态变化过程与准静态过程工质的状态变化过程与准静态过程1.5.1 1.5.1 热力过程热力过程1 1 定定义义 ：热热力力学学系系统统从从一一个个状状态态出出发发，经经过过

18、一一系系列列中中间间状状态态而而变变化化到到另另一一状状态态所所经经历历的的全全部部过过程程称称热力过程热力过程，简称，简称过程过程 EG EG：n 受受逐逐渐渐变变化化的的压压力力作作用用下下的的活活塞塞的的移移动动过过程程发发生系统状态变化生系统状态变化 （力作用）（力作用）（NEXTNEXT）n 受受变变化化的的恒恒温温热热源源缓缓慢慢加加热热的的活活塞塞系系统统发发生生系系统状态变化（热的作用）统状态变化（热的作用）（NEXTNEXT）26P1受逐渐变化压力作用下的活塞移动过程发生系受逐渐变化压力作用下的活塞移动过程发生系统状态变化（统状态变化（P P、V V、T T变化）变化）（力作

19、用）（力作用）工质工质工质工质工质工质P2P327工质工质热源热源T+受变化的恒温热源缓慢加热的活塞系统发生受变化的恒温热源缓慢加热的活塞系统发生系统状态变化（系统状态变化（T T、V V、P P变化）（热作用）变化）（热作用）工质工质热源热源T+工质工质热源热源T28结论结论n处于平衡状态的热力学系统发生的一切处于平衡状态的热力学系统发生的一切状态变化都是平衡遭受破坏的结果，由状态变化都是平衡遭受破坏的结果，由于外界条件的变化，在外界与系统间形于外界条件的变化，在外界与系统间形成热或力的不平衡时，受该不平衡势的成热或力的不平衡时，受该不平衡势的作用，在系统内部造成不平衡，使系统作用，在系统内

20、部造成不平衡，使系统的平衡状态遭到破坏，从而引起系统状的平衡状态遭到破坏，从而引起系统状态发生变化，向新的平衡状态过渡，因态发生变化，向新的平衡状态过渡，因而，热力过程中系统所经历的是一系列而，热力过程中系统所经历的是一系列不平衡状态不平衡状态291.5.2 1.5.2 准静态过程（准平衡过程）准静态过程（准平衡过程）1 1、定义：、定义：由一系列连续的平衡态组成的过程为准平衡过程由一系列连续的平衡态组成的过程为准平衡过程另：热力过程中系统经历的是一系列平衡状态并在每次状态另：热力过程中系统经历的是一系列平衡状态并在每次状态变化时仅无限小地偏离平衡状态，此过程称准平衡过程变化时仅无限小地偏离平

21、衡状态，此过程称准平衡过程2 2、实现准平衡过程的条件、实现准平衡过程的条件n力的平衡条件力的平衡条件:压力差作用下实现准平衡过程的条件为工压力差作用下实现准平衡过程的条件为工质与外界的压差趋于无限小质与外界的压差趋于无限小nP=P-PP=P-Pextext 0 0 即即 PP PPextextn热的平衡条件热的平衡条件：温差作用下实现准平衡过程的条件为工质：温差作用下实现准平衡过程的条件为工质与外界的温差趋于无限小与外界的温差趋于无限小nT=T-TT=T-Textext 0 0 即即 TT TTextext 301.5.3 1.5.3 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程1 1、可逆过程

22、定义：、可逆过程定义：系统完成某一过程后，沿着原路逆行而回复到原来状态，系统完成某一过程后，沿着原路逆行而回复到原来状态，外界随之回到原来状态，不留下任何变化。否则为外界随之回到原来状态，不留下任何变化。否则为不不可逆过程可逆过程2 2、可逆过程基本特征：、可逆过程基本特征：1 1）必须是准静态过程：系统内部、系统与外界满足：力）必须是准静态过程：系统内部、系统与外界满足：力平衡；热平衡平衡；热平衡2 2）不存在耗散效应：过程不存在摩擦、粘性流动、温差）不存在耗散效应：过程不存在摩擦、粘性流动、温差传热或其他潜在作功能力损失的耗散传热或其他潜在作功能力损失的耗散311-6 1-6 过程功与热量

23、过程功与热量1.6.1 1.6.1 功的定义：功的定义：1 1、功的力学定义：、功的力学定义：将物体间通过力的作用而传递的能量称为功并将物体间通过力的作用而传递的能量称为功并定义：功等于力定义：功等于力F F与物体在力作用方向上的位移与物体在力作用方向上的位移X X的乘积（点积）的乘积（点积）dW=F dW=F d dX X 2 2、功的热力学定义、功的热力学定义：热热力力学学系系统统和和外外界界通通过过边边界界而而传传递递的的能能量量，其效果可表现为举起重物其效果可表现为举起重物 区区别别：功功与与系系统统动动能能、重重力力位位能能等等“储储存存能能”变变化化传传递递的机械能的本质区别的机械

24、能的本质区别321.6.2 1.6.2 功的若干表达式及规定功的若干表达式及规定1 1、微元容积变化功表、微元容积变化功表达式达式2 2、准静态过程的表达、准静态过程的表达式式3 3、功的正负规定、功的正负规定4 4、功的单位、功的单位5 5、功的、功的P-VP-V图图工质位dx移活塞重物P33vP112P-V图上曲线下面积表示图上曲线下面积表示准静态过程的容积功准静态过程的容积功W12PP2V1V2不能表示非准静态过程功不能表示非准静态过程功P112P2Pv微元功微元功过程功过程功W12V1V2341.6.3 可逆过程的功摩擦耗功摩擦耗功一定质量的容积功一定质量的容积功单位质量工质的容积功单

25、位质量工质的容积功P112P2微元功v1v2P351.6.4 1.6.4 热量热量一、热量的定义一、热量的定义1 1、定义：定义：热量是由于热力学系统与外界仅仅因温度热量是由于热力学系统与外界仅仅因温度不同而通过边界传递的能量不同而通过边界传递的能量2 2、实质、实质：1 1）物体间通过紊乱的分子）物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用传递的能运动发生相互作用传递的能量量2 2）不能表现为举起重物）不能表现为举起重物3 3、热与功的差别、热与功的差别 热量热量 功功物体间有规则的微观运动物体间有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用或宏观运动发生相互作用而传递的能量而传递的能量全部效果表现为举起重

26、物全部效果表现为举起重物4 4、热量与热能的差别热量与热能的差别36 二、热量的计算二、热量的计算1 1、比热容的定义、比热容的定义(以以C C表示表示)：单位物质温度升高单位物质温度升高1K1K所须要的热量称比热所须要的热量称比热(容容)2 2、分类、分类1 1）按物质的量分）按物质的量分:质量比热质量比热(容容)C)C：1kg1kg工质温度升高工质温度升高1K1K所须要的热量（所须要的热量（kj/kg.k)kj/kg.k)摩尔比热摩尔比热(容容)Cm)Cm：1kmol1kmol工质温度升高工质温度升高1K1K所须要的热量所须要的热量（kj/kmol.k)kj/kmol.k)容积比热容积比热

27、(容容)C:)C:标准状态下标准状态下1m1m3 3工质温度升高工质温度升高1K1K所须要的热量所须要的热量（kj/Nmkj/Nm3 3.k).k)2 2）按加热过程特点分按加热过程特点分定容比热定容比热Cv:Cv:相应于定容过程中的比热相应于定容过程中的比热,有定容质量比热、定容有定容质量比热、定容摩尔比热、定容容积比热摩尔比热、定容容积比热 定压比热定压比热Cp:Cp:相应于定压过程中的比热相应于定压过程中的比热,有定压质量比热、定压摩有定压质量比热、定压摩尔比热、定压容积比热尔比热、定压容积比热 注意计算公式表示！注意计算公式表示！3 3、热量的计算及正负规定、热量的计算及正负规定 37

28、1.6.5 1.6.5 热量与功的类比热量与功的类比一、势的概念一、势的概念二、状态坐标二、状态坐标 EG EG：三、热量传递中的势与状态坐标三、热量传递中的势与状态坐标P-V-V图与图与T-ST-S图对应反映功与热的传递图对应反映功与热的传递功量、热量是过程量功量、热量是过程量功量与热量传递中的势与状态坐标功量与热量传递中的势与状态坐标38P112P2微元功v1v2PST112TT2S1S2P-V图、图、T-S图不表示非准静态过程图不表示非准静态过程微元热量391-7 1-7 热力循环热力循环1.7.1 1.7.1 热力循环热力循环：系统由初始状态，经过一系列：系统由初始状态，经过一系列中间状态后，从新回到初始状态所完成的一个中间状态后，从新回到初始状态所完成的一个封闭的热力过程称热力循环封闭的热力过程称热力循环1.7.2 1.7.2 热力循环的热力循环的P-VP-V图、图、T-ST-S图及正负图及正负PVTSW0=Q0abcdabcd40PvTW0Q0SP-V图，示功图T-S图，示热图循环的经济性指标循环的经济性指标=得到的收获得到的收获/付出的代价付出的代价41作业n1-14，1-16，1-2142