01熱力學第一章-rv.2

1、第一章 基本概念,Every science has a unique vocabulary associated with it, and thermodynamics is no exception. Precise definition of basic concepts forms a sound foundation for the development of a science and prevents possi

2、ble misunderstandings.,第一節(jié) 熱能和機械能轉換第二節(jié) 熱力系統(tǒng)與工質第三節(jié) 基本狀態(tài)參數(shù)第四節(jié) 平衡狀態(tài)第五節(jié) 準靜態(tài)過程、可逆過程第六節(jié) 過程功和熱量第七節(jié) 熱力循環(huán),§1-1 熱能和機械能轉換,1、蒸汽動力裝置,熱能動力裝置,,,內燃動力裝置,,,空氣,,,燃燒后的廢氣,,二、制冷裝置中熱量從低溫處傳遞到高溫處的過程,熱能轉換裝置三要素,高溫熱源（庫）：heat res

3、ervoir of high temperature低溫熱源（庫）：heat reservoir of high temperature工質: working fluid,§1-2 熱力系統(tǒng)與工質,熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：熱設備中分離出來作為熱力學研究對象的物體。（人為地）,外界：系統(tǒng)以外的所有物質,1、系統(tǒng)與邊界,邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面,系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界,熱力系統(tǒng)選取的人為性,,,,,,,,,,

4、,,,,,,,,,,,,鍋爐,汽輪機,,,,發(fā)電機,給水泵,凝汽器,,過熱器,,只交換功,,,,只交換熱,,,既交換功也交換熱,邊界特性,,,,真實、虛構,,,,,,固定、活動,,,,,,,,,,邊界可以是假想的，也可以是實際存在的，可以是固定的，也可以是移動的。通常用虛線標出。,圖1 壓縮中的燃氣,圖2 流動中的工質,二、熱力系統(tǒng)的分類,1）開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質交換,2）閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質交換,閉口系統(tǒng)具有恒定質量

5、，但具有恒定質量的系統(tǒng)不 一定都是閉口系統(tǒng),,Concepts & Definitions,Closed system—quantity of matter under studyControl massOnly heat and work can cross boundary of closed systemOpen system—region in space on which attention is focu

6、sedControl volumeHeat and work may cross control surfaceMass may also cross control surface,3）絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換,4）孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既沒有物質交換，也沒有熱和功的交換,熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關系劃分：,有 無是否傳質 開口系

7、 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕功系 絕功系,是否傳熱、功、質 非孤立系 孤立系,1 ? 開口系,熱力系統(tǒng),非孤立系＋相關外界＝孤立系,,,,,1+2 ? 閉口系,1+2+3 ? 絕熱閉口系,1+2+3+4 ? 孤立系,熱力系統(tǒng)其它分類方式,其它分類方式,,,物理化學性質,均勻系

8、 非均勻系,,,工質種類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,簡單可壓縮系統(tǒng),最重要的系統(tǒng) ?,簡單可壓縮系統(tǒng),只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功,,容積變化功,,,壓縮功膨脹功,工質,在熱機中要使熱能不斷地轉變?yōu)闄C械能，需要借助于媒介物質。實現(xiàn)能量轉換的媒介物質就稱為工質。不同性質的工質對能量轉換的效果有直接影響，工質性質的研究是本學科的重要內容之一。原則上，氣、液、固三態(tài)物質都可作為工質，但熱力學中熱能與機械能之間的相互轉換是通

9、過物質的體積變化來實現(xiàn)的，為使能量轉換有效而迅速，常選氣態(tài)物質作為工質。,§1-3 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況,狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量,狀態(tài)參數(shù)的特征：,1、單值性：狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然,2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關,3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分,狀態(tài)參數(shù)的積分特征,狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。,數(shù)學上：,點函數(shù)、態(tài)函數(shù)

10、,,1,2,a,b,,例：溫度變化,山高度變化,,,狀態(tài)參數(shù)的微分特征,設 z =z (x , y),dz是全微分,充要條件：,可判斷是否是狀態(tài)參數(shù),,狀態(tài)參數(shù)是系統(tǒng)對應的某種微觀特性的統(tǒng)計平均結果,狀態(tài)參數(shù)在數(shù)學上的組合也是狀態(tài)參數(shù),例如，熱力學溫度只不過是氣體分子運動強度在宏觀上的反映,例如狀態(tài)參數(shù)焓的定義式為h = u + Pv，式中u、P、v均為狀態(tài)參數(shù)，h是它們數(shù)學上的一種的組合，因此也是系統(tǒng)的一個狀態(tài)參數(shù),兩類狀態(tài)參數(shù)：強度

11、參數(shù)與廣延參數(shù),強度參數(shù)：與物質的量無關的參數(shù) 如壓力 p、溫度T,廣延參數(shù)：與物質的量有關的參數(shù)?可加性 如 質量m、容積 V、內能 U、焓 H、熵S,比參數(shù)：,比容,比內能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol 具有強度量的性質,Concepts & Definitions,Extensive properties — properties wh

12、ose value depend on the amount of matter in systemMass, volume, energy, etc.Use upper case letter to designate extensive propertiesIntensive properties — properties whose value does not depend on the amount of matter

13、 in systemPressure, temperature, density, energy per unit mass, etc.Use lower case letter to designate intensive properties,§1-3 (Cont.)基本狀態(tài)參數(shù),1、溫度 T,,,2、壓力 p,3、比容 v,1、溫度,傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量,微觀：衡量分子平均動能的量度

14、 T ? 0.5 m w 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固體和碳蒸氣,2) T=0 ? 0.5mw 2=0 ? 分子一切運動停止， 零點能,熱力學第零定律,溫度的熱力學定義,熱力學第零定律（R.W. Fowler）　　　如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測量的理論基礎B 溫度計,溫度的熱力學定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一

15、宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量? 溫度。,溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,,溫度的測量,溫度計,物質 （水銀，鉑電阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準點,刻度,溫標,,,常用溫標,絕對K,,,攝氏℃,華氏F,朗肯R,,100,373.15,,0.01,273.16,,0,273.15,,-17.8,,0,-273.15,,212,671.67,,,37.8,,100,,0,32,,-459.67,0,4

16、59.67,491.67,冰熔點,水三相點,鹽水熔點,發(fā)燒,水沸點,559.67,溫標的換算,注：據(jù)測定，含鹽30％的鹽水，冰點為零下21℃。冬天下雪，車輛碾壓后路面會結冰變滑影響交通，用鹽水噴灑路面使冰點降低而令冰雪融化可以防滑。,,小知識：為什么08年雪災時，各地都撒鹽化冰？,2、壓力 p,常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm =

17、760 mmHg = 1.013?105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa,物理中壓強，單位: Pa , N/m2,絕對壓力與相對壓力,當 p > pb,,表壓力 pg,,當 p < pb,,真空度 pv,,,,,,pb,,pg,,p,,,pv,,p,環(huán)境壓力與大氣壓力,環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境,注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，

18、但不一定。 見習題1－7,大氣壓隨時間、地點變化。,物理大氣壓 1atm=760mmHg,當h變化不大，ρ?常數(shù),1mmHg= ρgh=133.322Pa,當h變化大，ρ? ρ(h),壓力的測量,,工程計算中，選取的壓力必須是絕對壓力。火電廠中所測得的鍋爐汽包、主蒸汽的壓力值都是表壓力，負壓燃燒鍋爐爐膛內的煙氣和凝汽器內乏汽的壓力值為真空，計算時都須換算為絕對壓力。,其它壓力測量方法,高精度測量：活塞式壓力計,

19、工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器,3 、 比容v,［m3/kg],工質聚集的疏密程度,物理上常用密度 ?,［kg/m3],問題 1：,取A+B為系統(tǒng),系統(tǒng)的壓力是多少？,系統(tǒng)沒有確定的壓力！,,問題 2：,取A+B為系統(tǒng),系統(tǒng)的溫度是多少？,A,,系統(tǒng)沒有確定的溫度！,只有當熱力系統(tǒng)各處狀態(tài)一致的時候，才可以用一組的確定的狀態(tài)參數(shù)來描述。,,,隔熱板,§1-4 平衡狀態(tài) (Equilibrium state),定義：在不受外

20、界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,,,,,熱力學平衡的內容,力學平衡：系統(tǒng)中各部分間不存在不平衡力的作用，相互間不會作功，從而不會引起系統(tǒng)內部的壓力變化和密度變化,熱平衡：系統(tǒng)中各部分間不存在溫度差別，因而系統(tǒng)內部不同部分間不會發(fā)生傳熱現(xiàn)象,化學平衡：系統(tǒng)中各相間不存在化學勢差，不會發(fā)生化學反應、相變、溶解、等現(xiàn)象，即不同相之間不發(fā)生質量轉移,“相”指的是物質內部性質均勻一致的聚集體,平衡的本質：不

21、存在不平衡勢Equilibrium：there are no unbalanced driving potentials,平衡狀態(tài)是進行熱力學分析的基礎,熱力學平衡是經典熱力學理論中最基本、最重要的概念之一：,僅當系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，才能給予確切描述,熱力學基本理論實際上針對系統(tǒng)的平衡特性而給出相關結論,經典熱力學中所說的狀態(tài)原則上是熱力學平衡狀態(tài)；熱力過程是由一系列平衡狀態(tài)構成的過程,平 衡,外界作用,平衡打破,不平衡,弛豫時間,（R

22、elaxation time）,新平衡,熱力學平衡的自發(fā)性和必然性,只要系統(tǒng)內存在不平衡勢差，又未加以任何約束，系統(tǒng)的狀態(tài)就會自發(fā)地朝著消除不平衡勢的方向變化，一切系統(tǒng)都自發(fā)趨向平衡狀態(tài)（熱力學第二定律）,系統(tǒng)狀態(tài)變化的必然歷程：,,,平衡與穩(wěn)定,穩(wěn)定(Steady)：參數(shù)不隨時間變化,穩(wěn)定但存在不平衡勢差,去掉外界影響，則狀態(tài)變化,穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定,,“穩(wěn)定”僅指事物不隨時間變化，至于是在什么條件下達到的卻沒有限定,“熱

23、力學平衡”的含義則不同——應當注意到它是限定在“沒有外界作用”的條件下達到的,平衡與均勻,平衡：時間上equilibrium: no change with time均勻：空間上uniform: no change with location,非平衡一定非均勻，但平衡不一定均勻,,裝有汽水混合物的封閉容器,均勻不是熱力學平衡的必然結果,復相系處于熱力學平衡時，系統(tǒng)中各相的密度是不均勻的,流體系統(tǒng)，特別是液體系統(tǒng)，即使處于平衡態(tài)，在

24、重力場的影響下不同高度上的壓力是不同的。重力場的作用不認為是外界的作用,不考慮重力場作用的情況下，單相系一定是均勻系,§1-5 狀態(tài)方程、坐標圖,平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài),,狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù) N=n+1,,想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？,2、狀態(tài)方程,閉口系：,不平衡勢差 ? 狀態(tài)變化 ? 能量傳遞,消除一種不平衡勢差 ? 達到某一方面平衡

25、 ? 消除一種能量傳遞方式,而不平衡勢差彼此獨立,? 獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù) =能量轉換方式的數(shù)目 =各種功的方式+熱量= n+1,n ?容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等,狀態(tài)公理,狀態(tài)方程,簡單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2,絕熱簡單可壓縮系

26、統(tǒng) ? N = ?,狀態(tài)方程 ? 基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間 的關系,狀態(tài)方程的具體形式,理想氣體的狀態(tài)方程,實際工質的狀態(tài)方程？？？,狀態(tài)方程的具體形式取決于工質的性質,熱力性質表,按一定間隔具體列出不同狀態(tài)下工質各基本狀態(tài)參數(shù)的值 熱力學性質表中實際上描述出了工質的許許多多狀態(tài)，例如過熱水蒸氣表,P MPa,3、狀態(tài)參數(shù)座標圖,簡單可壓縮系 N=2，平面坐標圖,,,p,v,,1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示

27、在坐標圖上,說明：,2）過程線中任意一點 為平衡態(tài),3）不平衡態(tài)無法在圖 上用實線表示,常見p-v圖和T-s圖,§1-6 準靜態(tài)過程、可逆過程,平衡狀態(tài),,狀態(tài)不變化,,能量不能轉換,非平衡狀態(tài),,無法簡單描述,熱力學引入準靜態(tài)（準平衡）過程,一般過程,p1 = p0+重物,T1 = T0,突然去掉重物,,最終,p2 = p0,T2 = T0,,,,p,v,,1,2,.,.,,,,,,p，T,p0,活塞汽缸

28、裝置,假如重物有無限多層,每次只去掉無限薄一層,,,p,v,1,2,,.,.,.,系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài),.,.,.,.,.,.,.,.,準靜態(tài)過程 (Quasi-equilibrium processes),,準靜態(tài)過程 (Quasi-equilibrium processes),定義：所謂準靜態(tài)過程是指狀態(tài)變化過程中的每個中間狀態(tài)都無限接近平衡狀態(tài)的過程。When a process proceeds in such a manne

29、r that the system remains infinitesimally(無限小) close to an equilibrium state at all times, it is called a quasi-static, or quasi-equilibrium , process.,實現(xiàn)條件：推動過程進行的勢差無限小 系統(tǒng)恢復平衡的能力足夠快,準靜態(tài)過程有實際意義嗎？,既是平衡

30、，又是變化,既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉換,疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，工程上怎樣處理？,,準靜態(tài)過程的工程條件,破壞平衡所需時間（外部作用時間）,恢復平衡所需時間（馳豫時間）,>>,有足夠時間恢復新平衡 ? 準靜態(tài)過程,準靜態(tài)過程的工程應用,例1-1：活塞式內燃機轉速 2000轉/分，活塞2沖程/轉，行程0.15米。,活塞運動速度=2000?2 ?0.15/60=10 m/s,壓力波恢復平衡速度（聲速）35

31、0 m/s,破壞平衡所需時間（外部作用時間）,>>,恢復平衡所需時間（馳豫時間）,一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程,具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛?活塞式內燃機,,準靜態(tài)過程意味著過程可描述，因此系統(tǒng)在過程中所作出的功是可描述、可計算的。但是這個功是否等于外界所接收到的有用功（技術上有用的，可以輸給功源的功）呢？,摩擦力f的影響,若有摩擦力f 存在，就存在損失,,,,,,p,p外,2,,1,,系統(tǒng)對外作功W，

32、由于摩擦損失，外界得到的,可以再返還給系統(tǒng)的那部分功，只有W ’<W，而系統(tǒng)此時得到的功為W’’<W’,則外界、系統(tǒng)不能同時恢復原態(tài)。,,f,摩擦損失的影響,若 f ＝ 0,,,,,,p,p外,2,,1,,系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功可以返還系統(tǒng)的功W ’＝W,則外界、系統(tǒng)同時恢復原態(tài)。,§1-7可逆過程的定義,系統(tǒng)經歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。,注意

33、：可逆過程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過程。,,可逆過程的實現(xiàn),準靜態(tài)過程 + 無耗散效應 = 可逆過程,,,不平衡勢差無限小,通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）,不平衡勢差不可逆根源 耗散效應,耗散效應,,可逆過程例1：,氣體無摩擦、準靜態(tài)壓縮。,可逆過程例2：,準靜態(tài)傳熱,不可逆過程的例子：,典型的不可逆過程,不等溫傳熱,,,,,,,T

34、1,T2,,,T1>T2,Q,自由膨脹,,,真空,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,,典型的不可逆過程,節(jié)流過程 (閥門）,p1,p2,p1>p2,混合過程,,,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,,,,,,,,,,,,,,,,引入可逆過程的意義,? 準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程， 但

35、并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。,? 可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內工質 的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復雜關系，易分析。,? 實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按理想情況（可逆過程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。,完全可逆、內可逆與外可逆,完全可逆 內部可逆，外部不可逆 外部可逆，內部不可逆,,