第3章经由功和热量及物质.ppt

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1、第第3章章 经由功和热量及物质经由功和热量及物质的能量传递的能量传递目标与要求：主要掌握要点：n闭口系统能量传递形式n控制容积的能量传递n移动边界功n质量守恒原理n推动功和焓的关系主要内容3.1 动能、势能和热力学能动能、势能和热力学能3.2 经由功的能量传递经由功的能量传递3.3 经由热量的能量传递经由热量的能量传递3.4 质量守恒原理质量守恒原理3.5 推动功和流动流体的能量推动功和流动流体的能量重点与难点n重点：总能的组成，边界功与热量的计算，闭口系统与控制容积的能量组成。n难点：多变过程的定义及其与其他几种过程的关系。各种过程边界功的计算。推动功与焓的定义及关系。闭口系统与控制容积的总

2、能组成与计算。3.1 动能、势能和热力学能动能、势能和热力学能n在连续体分析中物体的总能表示为在连续体分析中物体的总能表示为 E=Ke+Pe+Un这里这里Ke 和和Pe 代表宏观上可观察到的物体的动能代表宏观上可观察到的物体的动能和势能。都是能的有序形式，它与所有分子在一和势能。都是能的有序形式，它与所有分子在一个方向的直线运动、绕轴运动、或位移运动有关。个方向的直线运动、绕轴运动、或位移运动有关。n热力学能热力学能U 与分子的杂乱或无序状况有关。与分子的杂乱或无序状况有关。动能、势能和热力学能动能、势能和热力学能n可以正确地推断，有序能远比无序能有可以正确地推断，有序能远比无序能有用。重要的

3、是寻找方法来将无序能转换用。重要的是寻找方法来将无序能转换成可宏观利用的有序的分子运动。成可宏观利用的有序的分子运动。n两个系统合在一起的能量是他们各自的两个系统合在一起的能量是他们各自的能量之和。用热力学语言说，能量是广能量之和。用热力学语言说，能量是广延量。延量。3-2 经由功的能量传递经由功的能量传递n功的方向：功的方向：在热力学中讨论功，必定涉及系统。通常约定系在热力学中讨论功，必定涉及系统。通常约定系统对外界作功为正，外界对系统作功为负。统对外界作功为正，外界对系统作功为负。n闭口系统所作的功：闭口系统所作的功：取活塞取活塞-气缸系统，在准平衡过程中，系统就有均气缸系统，在准平衡过程

4、中，系统就有均匀的压降，则系统作功为匀的压降，则系统作功为n边界功边界功 膨胀功和压缩功常常称为移动边界功，或简称膨胀功和压缩功常常称为移动边界功，或简称边界边界功功。n图图3-1在在p-V 图上的过程曲线下的面积表示边界功图上的过程曲线下的面积表示边界功n在在p-V 图上的过程曲线下的面积在数值上等于闭口系图上的过程曲线下的面积在数值上等于闭口系统准平衡膨胀或压缩过程中所作的边界功。统准平衡膨胀或压缩过程中所作的边界功。n功是途径的函数（即取决于所走的途径和初终态）。功是途径的函数（即取决于所走的途径和初终态）。n一个循环有净功输出是因为系统的膨胀功大于压缩功，一个循环有净功输出是因为系统的

5、膨胀功大于压缩功，其差值就是循环净功，即过程曲线包围的面积。其差值就是循环净功，即过程曲线包围的面积。图图3-1 在在p-V 图上的过程曲线下的面积表示边界功图上的过程曲线下的面积表示边界功多变过程多变过程n气体实际膨胀压缩过程中，压力和容积关系可表气体实际膨胀压缩过程中，压力和容积关系可表示为示为pV n=C，满足该式子，满足该式子的过程称为多变过的过程称为多变过程。程。n多变过程边界功的表达式为（多变过程边界功的表达式为（3-3）参考参考P42推推导过程导过程 =(p1V1-p2V2)/(n-1)对理想气体可得对理想气体可得 W=mR(T1-T2)/(n-1)n 1 （3-4）特殊过程等温

6、过程等温过程n对对n=1的特殊情况：的特殊情况：npV=C，pV=mRT,m,R都是常数，则都是常数，则T也是常数也是常数nW=12pdV=12CV-1dVn =pV ln(V2/V1)特殊过程n等容过程等容过程n对对n=的特殊情况：的特殊情况：pVn=Cp1/nV=C 1/n=0,故：故：VCn W=12pdV=0 n 特殊过程n等压过程等压过程n对对n=0的特殊情况：的特殊情况：pVn=C,n=0,故：故：pCn W=12pdV=p(V2-V1)准平衡过程准平衡过程平衡状态平衡状态状态不变化状态不变化能量不能转换能量不能转换非平衡状态非平衡状态无法简单描述无法简单描述热力学引入准静态（准平

7、衡）过程热力学引入准静态（准平衡）过程quasi-static,or quasi-equilibrium一般过程一般过程 Processp1=p0+重物重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物突然去掉重物最终最终p2=p0T2=T0pv12.准静态过程准静态过程Quasi-static processp1=p0+重物重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层每次只去掉无限薄一层pv12.系统随时接近于平衡态系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换既可以用状态参

8、数描述，又可进行热功转换疑问：疑问：理论上理论上准静态准静态应无限应无限缓慢，缓慢，工程上工程上怎样处理？怎样处理？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件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）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Relaxation time平衡过程或可逆过程平衡过程或可逆过程n为了进一步改进这个过程，就必须使薄片质量为了进一步改进这个过程，就必须使薄片质量无限小，以至活塞高度的变化以微分高度差出无限小，以至活塞高度的变化以微分高度差出现。这个过程是想象的，但它代表了理

9、想的、现。这个过程是想象的，但它代表了理想的、可能的最大功；所有的能量都用于使活塞运动，可能的最大功；所有的能量都用于使活塞运动，没有耗损在活塞的震荡。当给活塞增加无限小没有耗损在活塞的震荡。当给活塞增加无限小薄片，就会开始相反的过程。这个过程被称为薄片，就会开始相反的过程。这个过程被称为平衡过程或可逆过程平衡过程或可逆过程。n对活塞上置几块重物的情况，我们就无法将一对活塞上置几块重物的情况，我们就无法将一块重物轻轻放到活塞上使过程再次回复。这是块重物轻轻放到活塞上使过程再次回复。这是不可逆过程，它不可能沿原来途径回到其原始不可逆过程，它不可能沿原来途径回到其原始状态。状态。不可逆因素不可逆因

10、素 1）系统中的不均匀压力使工质在系统中运动，）系统中的不均匀压力使工质在系统中运动，消耗的能量就不能用于作功。消耗的能量就不能用于作功。2）摩擦作用显然也是不可逆的。用于克服机）摩擦作用显然也是不可逆的。用于克服机械摩擦的能量损失了。械摩擦的能量损失了。3）流体粘性力，产生流体摩擦，消耗有用能。）流体粘性力，产生流体摩擦，消耗有用能。4）还有别的产生不可逆的原因，其作用总是）还有别的产生不可逆的原因，其作用总是减少有用能量的输出，增加所需要的能量。减少有用能量的输出，增加所需要的能量。n除了机械功外，还有别的功的形式。这除了机械功外，还有别的功的形式。这些形式很少占据支配地位，但忽略它们些形

11、式很少占据支配地位，但忽略它们也会导致误差。例如，液体表面液膜作也会导致误差。例如，液体表面液膜作功、弹性限度内拉伸金属丝的张力功、功、弹性限度内拉伸金属丝的张力功、电功和磁功。电功和磁功。3.3 经由热量的能量传递经由热量的能量传递n热量定义热量定义:由于系统与外界之间的温差而跨越系统边界的能量。由于系统与外界之间的温差而跨越系统边界的能量。n热量和功在这方面是类似的，它们都是能量的流动，热量和功在这方面是类似的，它们都是能量的流动，都必须跨越系统边界才有意义。都必须跨越系统边界才有意义。n热量只以跨越系统边界的能量存在；一旦进入系统就热量只以跨越系统边界的能量存在；一旦进入系统就没有意义。

12、没有意义。n跨越系统边界的热量也有一个跨越系统边界的热量也有一个方向约定方向约定:进入系统的热进入系统的热量是正的，流出系统的热量是负的。热量用符号量是正的，流出系统的热量是负的。热量用符号Q 表表示，具有能量的单位示，具有能量的单位kJ。n没有热量传递的过程，没有热量传递的过程，Q=0，称为，称为绝热过程绝热过程。热量热量n热量是途径的函数热量是途径的函数。n在两个状态在两个状态1和和2之间过程的传热量用符号之间过程的传热量用符号Q12表示，系统每单位质量工质的传热量用表示，系统每单位质量工质的传热量用q 表示，表示，单位是单位是kJ/kg。有的时候需要知道每单位时间。有的时候需要知道每单位

13、时间传递的热量，用符号传递的热量，用符号 表示，具有功率的单位表示，具有功率的单位kW。n在系统和外界相互作用时进出系统的能量在系统和外界相互作用时进出系统的能量不是不是参数参数，因为这种量不只取决于系统的状态。，因为这种量不只取决于系统的状态。热量和功比较热量和功比较n热量和功是系统和外界之间的能量传递机热量和功是系统和外界之间的能量传递机理，两者有许多类似的地方：理，两者有许多类似的地方：热量和功都是在跨越系统边界时在边界热量和功都是在跨越系统边界时在边界 上被识别的，即两者都是边界现象。上被识别的，即两者都是边界现象。系统具有能量，但不具有热量或功。系统具有能量，但不具有热量或功。两者都

14、与过程有关。在某状态点，热量和两者都与过程有关。在某状态点，热量和功都没有意义。功都没有意义。两者都是途径的函数，它的大小取决于过两者都是途径的函数，它的大小取决于过程中的途径和初终状态。程中的途径和初终状态。3.4 质量守恒原理质量守恒原理n质量守恒原理说明：过程中系统的总质量是恒定的。质量守恒原理说明：过程中系统的总质量是恒定的。n在闭口系统，定义质量是确定的，自然满足质量守恒。在闭口系统，定义质量是确定的，自然满足质量守恒。n在开口系统，其质量守恒表达为：过程中进出控制容积的净在开口系统，其质量守恒表达为：过程中进出控制容积的净质量传递等于过程中控制容积总质量的净变化。即质量传递等于过程

15、中控制容积总质量的净变化。即 min-mout=mcv(A ndA)in (A ndA)out=d(cv dV)/dn这些式子也称为质量平衡或连续性方程，并适用于经历任何这些式子也称为质量平衡或连续性方程，并适用于经历任何类型过程的任何系统。类型过程的任何系统。n对稳态流动，控制容积中的质量变化为零，对稳态流动，控制容积中的质量变化为零，即即(A ndA)in=(A ndA)out n对稳态一维流动，其质量守恒表达式为对稳态一维流动，其质量守恒表达式为 (A)in=(A)out n对稳态一维不可压缩流动，其质量守恒表对稳态一维不可压缩流动，其质量守恒表达式为达式为(A)in=(A)out 3.

16、5 推动功和流动流体的能量推动功和流动流体的能量n控制容积涉及流体流过其边界，并需要作功来控制容积涉及流体流过其边界，并需要作功来推动流体进出控制容积。这类功称为推动功，推动流体进出控制容积。这类功称为推动功，或压力势能，它对于维持通过控制容积的连续或压力势能，它对于维持通过控制容积的连续流动是必须的。流动是必须的。n推动流体微元跨越边界的推动功（也称压力势推动流体微元跨越边界的推动功（也称压力势能）为能）为Wrep=FL=pAL=pV wrep=pvn定义流动功为定义流动功为(pv)=p2v2 p1v1n图图3-2 推动功示意图推动功示意图n简单可压缩系统的总能由三部分组成：热力学能、动简单

17、可压缩系统的总能由三部分组成：热力学能、动能和势能。对单位质量可表示为能和势能。对单位质量可表示为e=u+ke+pe=u+2/2+gz n进入或离开控制容积的流体具有另一种形式的能，压进入或离开控制容积的流体具有另一种形式的能，压力势能，即推动功力势能，即推动功pv。于是单位质量流动流体的总能。于是单位质量流动流体的总能为为=pv+e=pv+u+ke+pe=h+2/2+gz n采用焓代替热力学能来表示流动流体的能量，就不需采用焓代替热力学能来表示流动流体的能量，就不需要关心推动功。实际上，这是定义焓的主要原因。今要关心推动功。实际上，这是定义焓的主要原因。今后，进出控制容积的流体的能量用后，进

18、出控制容积的流体的能量用表示，不再提及推表示，不再提及推动功。动功。n经由物质的能量传递：经由物质的能量传递：Emass=m=m(h+2/2+gz)n通常流体的动能和势能可以忽略，则有通常流体的动能和势能可以忽略，则有 Emass=mh 和和第第3章章 小结小结n能量可以以热量和功的形式穿过闭口系能量可以以热量和功的形式穿过闭口系统的边界。对控制容积，能量也可以通统的边界。对控制容积，能量也可以通过物质来输运。过物质来输运。n如果能量传递是由于闭口系统和其外界如果能量传递是由于闭口系统和其外界之间的温差引起的，则就是热量；否则之间的温差引起的，则就是热量；否则就是功。就是功。n机械功的最普通形

19、式是边界功。机械功的最普通形式是边界功。n在在p-V 图上过程曲线下的面积代表准平衡过程的边界图上过程曲线下的面积代表准平衡过程的边界功。功。n质量守恒原理表明，在过程中进出系统的净质量传递质量守恒原理表明，在过程中进出系统的净质量传递等于该过程中系统总质量的净变化。等于该过程中系统总质量的净变化。n推动单位质量流体进出控制容积所需要的功叫推动功推动单位质量流体进出控制容积所需要的功叫推动功（或压力势能），并表示为（或压力势能），并表示为wrep=pv。n在控制容积的分析中，为了方便就将热力学能在控制容积的分析中，为了方便就将热力学能u和压力和压力势能势能pv结合成焓结合成焓h，则总能就是，则总能就是=h+2/2+gz作业n31n317n320