熱力學(xué)基本概念1-狀態(tài)參數(shù)、熱力學(xué)溫標(biāo)

1、工程熱力學(xué)Engineering Thermodynamics,主講教師介紹,安青松 天津大學(xué)熱能工程系 天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中低溫發(fā)電技術(shù)主要研究方向 環(huán)保工質(zhì) 納米流體技術(shù),,主講教師介紹,Address：金工樓510Tel：27407617，18622254798E-mail: an1715@tj

2、u.edu.cn,助教介紹,Name: 劉良旭 博士生Address：金工樓510Tel：27407617, 18322703883E-mail: liuliangxu@126.com課程公郵：eng_thermodymics@163.com,緒 論,工程熱力學(xué)是重要的技術(shù)基礎(chǔ)課,工程熱力學(xué) 是一門研究熱能有效利用及 熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué),能源轉(zhuǎn)換利用的

3、關(guān)系,熱 能,電 能,機(jī) 械 能,,,風(fēng)能,水能,化學(xué)能,核能,地?zé)崮?太陽(yáng)能,,,,,,,一次能源(天然存在),二次能源,光電轉(zhuǎn)換,燃料電池,光熱,聚變,裂變,燃燒,水車,水輪機(jī),風(fēng)車,熱機(jī),電動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī),90%,轉(zhuǎn)換,,直接利用,利用,生物質(zhì),風(fēng)力發(fā)電 Wind energy,,Windmill,水力發(fā)電Waterpower,,火電廠Steam Power Station,,鍋爐 Boil

4、er,,車Vehicle,,火車 Train,,船 Ship,,飛機(jī) Airplane,梟龍,,航天,,哥倫比亞號(hào),長(zhǎng)征系列,神九,俄聯(lián)盟,燃料電池,,秦山核電站 Nuclear power station,,大亞灣核電站 Nuclear power station,,核潛艇 Nuke,,地?zé)?Geothermal,,新西蘭,云南騰沖,西藏羊八井,北京,太陽(yáng)能熱利用,,太陽(yáng)能光電,,Solar cell,,,CO H2,,氣體

5、燃料,,汽、煤、柴油,,醇、醚,,,,,生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)換制備清潔燃料示意圖,,,定向轉(zhuǎn)換,生物質(zhì),,燃燒,,,bio mass,Future Energy to Low-Carbon Town in China,工程熱力學(xué)與節(jié)能,工程熱力學(xué) 是一門研究熱能有效利用及 熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué),(1) 中國(guó)能源資源缺乏,(2) 中國(guó)能源利用效率低下,(3) 能源環(huán)境問題突出

6、,熱力學(xué)的分類,,工程熱力學(xué)：熱能與機(jī)械能物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué),熱力學(xué),,能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系,熱 能,電 能,機(jī) 械 能,,,風(fēng)能,水能,化學(xué)能,核能,地?zé)崮?太陽(yáng)能,,,,,,,光電轉(zhuǎn)換,燃料電池,光熱,聚變,裂變,燃燒,水車,水輪機(jī),風(fēng)車,熱機(jī),電動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī),90%,轉(zhuǎn)換,供暖,生物質(zhì),熱 機(jī) 種 類,,? 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)） 25-35%?

7、 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 20-30%? 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 25-35%? 發(fā)電（火力、核能） 40-50%? 制冷空調(diào)(非熱機(jī)，同理） >200%,,能量利用率,heat engine,Energy efficiency,內(nèi)燃機(jī)裝置,,,,,,,,,,,空氣、油,廢氣,吸氣,壓縮點(diǎn)火,膨脹,排氣,intern

8、al combustion engine,發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造（內(nèi)燃機(jī)）,圖6-15 單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖-火花塞 2-氣缸蓋 3-出水口 4-氣缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞銷 9-進(jìn)水口 10-連桿 11-飛輪 12-曲軸 13-機(jī)油管 14-曲軸箱 15-機(jī)油泵 16-曲軸正時(shí)齒輪 17-凸輪正時(shí)齒輪 18-凸輪軸 19-排氣管20-進(jìn)氣管 21-進(jìn)氣門 22排氣門 23-化油器,engine,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)（內(nèi)燃機(jī)）,

9、,,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點(diǎn),,1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、 膨脹做功、放熱),渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）,,高壓透平,燃燒室,,壓氣機(jī),,,低壓透平,燃?xì)庋b置基本特點(diǎn),1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?3、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱),,,,,,,,,,壓氣機(jī),燃?xì)廨啓C(jī),燃燒室,,空氣,

10、廢氣,火電廠系統(tǒng)圖,Steam Power Station,,,,國(guó)產(chǎn)流化床鍋爐(蘇盛熱電廠),,山東日照發(fā)電廠350MW,,,汽輪機(jī)（透平Turbine）機(jī)組刨面圖,,,660MW發(fā)電機(jī)內(nèi)部（邯鄲發(fā)電廠),,generator,,凝汽器 （蘇盛熱電廠),condenser,凝汽器Condenser和冷卻塔系統(tǒng)圖,火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐,汽輪機(jī),,,,發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器

11、,,過熱器,1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱),制冷空調(diào)裝置基本特點(diǎn),,1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán) (加壓、放熱、 膨脹、吸熱),熱力裝置共同基本特點(diǎn),,1、熱源，冷源 heat reservoir 2、工質(zhì) medium,

12、 working substance 3、容積變化功 moving boundary work 4、循環(huán) cycle,熱機(jī),高溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩?Q1,Q2,W,動(dòng)力循環(huán)簡(jiǎn)圖,熱效率,Thermal efficiency,思 考 題 ？,2、為何要有兩個(gè)熱源，能否不要低

13、 溫?zé)嵩? 不放熱，W=Q是否可以進(jìn)行？,4、普通發(fā)電廠效率高的只有40%左右，可否有途徑提高，最高效率是否有極 限？極限為多少？,1、為什么永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)？,Perpetual – motion machine,3、動(dòng)力裝置為什么都要先升壓，再吸熱，能否先吸熱，再升壓?,工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容,1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律,2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程,3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理,4、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ),1、宏觀方法：連續(xù)體(con

14、tinuum)，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié) 特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣 經(jīng)典 （宏觀,平衡）熱力學(xué) classical (macroscopic, equilibrium),工程熱力學(xué)研究方法,√,2、微觀方法：從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律 特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似 微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué) microscopic (sta

15、tistical) thermodynamics,工程熱力學(xué)研究方法,1、有幾位科學(xué)家在熱力學(xué)作出了貢獻(xiàn)， 獲諾貝爾獎(jiǎng)？,小 知 識(shí),2、中國(guó)哪位教授與美國(guó)教授合作提出 的狀態(tài)方程得到普遍認(rèn)可？,4、為什么恩格斯說“卡諾定理”是頭重 腳輕的定理？,3、Maxwell 妖是什么？,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（1）,J.D.范.德瓦爾斯 Johannes van der Waals (1837

16、-1923) 荷蘭 氣體和液體狀態(tài)方程 1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（2）,M.普朗克 Max Planck (1858-1947) 德國(guó) 發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論） 熱二律 1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（3）,W.H.能斯脫 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德國(guó) 熱化學(xué)，熵基準(zhǔn) 1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),熱

17、力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（4）,L.昂薩格 Lars Onsager (1903-1976) 美國(guó) 不可逆過程熱力學(xué)理論 1968年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（5）,I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-2003) 比利時(shí) 熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論 1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（6）,K.G.威爾遜 Kenneth G. Wilson (1

18、936-) 美國(guó) 臨界重整化群理論 1982年諾貝爾物理獎(jiǎng),參 考 書,1、工程熱力學(xué) 沈維道等 高教出版社2、工程熱力學(xué) 曾丹苓等 高教出版社3、工程熱力學(xué) 朱明善等 高教出版社4、工程熱力學(xué) 龐麓鳴等 高教出版社,教學(xué)要求及考核方式,1、弄清基本概念，注意每章后的思考題2、獨(dú)立完成作業(yè)，每?jī)芍芩纳险n時(shí)按時(shí)交3、有問題及時(shí)解決，不要拖至考試,clear understanding and firm

19、 grasp of the basic principles,1、平時(shí)作業(yè)20%2、期中考試20%3、期末考試60%,緒 論 完End of Preface,基本概念,Basic Concepts,熱力系統(tǒng),熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地 研究對(duì)象,1、系統(tǒng)的定義,Thermodynamic system,system,A

20、 quantity of matter or a region in space chosen for study,熱力系統(tǒng),外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì),2、系統(tǒng)、外界與邊界,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,surroundings,boundary,熱力系統(tǒng)選取的人為性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐,汽輪機(jī),,,,發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,,過熱器,,只交換功,,,,只交換熱,,,既交換功

21、也交換熱,,,,,,,邊界特性,真實(shí)、虛構(gòu),,,,,固定、活動(dòng),,,,fixed 、 movable,real 、,imaginary,熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：,有 無(wú)是否傳質(zhì) 開口系 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕

22、功系 絕功系,是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系,Types of System,開口系,絕熱系,孤立系,Isolated system,閉口系,Adiabatic system,1 ? 開口系,熱力系統(tǒng),非孤立系＋相關(guān)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(xué)性質(zhì),均勻系 非均勻系,,,工質(zhì)種

23、類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),最重要的系統(tǒng),只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功,,容積變化功,,,壓縮功膨脹功,Simple compressible system,Moving Boundary Work,Compression Work,Expansion Work,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、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦

24、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(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān),3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分,State and state properties,狀態(tài)參數(shù)的積分特征,狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。,數(shù)學(xué)上：,點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù),,1,2,a,b,,,,point function,狀態(tài)參數(shù)的微分特征,設(shè) 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),Total differ

25、entials,強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù),強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如壓力 p、溫度T,廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)?可加性 如 質(zhì)量m、容積 V、熱力學(xué)能 U、焓 H、熵S,比參數(shù)：,比容,比熱力學(xué)能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì),Intensive properties,Extensive properties,強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù),

26、速度,動(dòng)能,高度,位能,熱力學(xué)能,溫度,應(yīng)力,摩爾數(shù),（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（廣）,（廣）,（廣）,（廣）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,基本狀態(tài)參數(shù),壓力 p、溫度 T、比容 v （容易測(cè)量）,1、壓力 p ( pressure ) 物理中壓強(qiáng)，單位: Pa

27、(Pascal), N/m2,常用單位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665?104 Pa,Basic state proper

28、ties,壓力p測(cè)量,示意圖,絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值 ——相對(duì)壓力,U-tube manometer,Bourdon Tube,絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力,當(dāng) p > pb,,表壓力 pe,,當(dāng) p < pb,,真空度 pv,,,,,,,pb,,pe,,p,,,pv,,p,relative pressure,absolute pres

29、sure,Gage pressure,Vacuum pressure,環(huán)境壓力與大氣壓力,指壓力表所處環(huán)境,環(huán)境壓力Environmental pressure,大氣壓力Atmospheric pressure,大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化,物理大氣壓 1atm = 760mmHg,當(dāng)h變化不大，ρ?常數(shù),1mmHg = ρgh = 133.322Pa,當(dāng)h變化大，ρ? ρ(h),Other Pressure Measurement Dev

30、ices,高精度測(cè)量：活塞壓力計(jì) piston manometer,工業(yè)或一般科研測(cè)量：壓力傳感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,基本狀態(tài)參數(shù),壓力 p、溫度 T、比容 v （容易測(cè)量）,2、溫度 T ( Temperature ),Basic state pro

31、perties,溫度T 的一般定義,傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量,微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度 T ? 0.5 m w 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固體和碳蒸氣,2) 0.5mw 2總?0, T ?0, 1951年核磁共振法對(duì) 氟化鋰晶體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)的開爾文溫度,3) T=0 ? 0.5mw 2=0 ? 分子一切運(yùn)動(dòng)停止， 零點(diǎn)能,溫度

32、的熱力學(xué)定義,熱力學(xué)第零定律（R.W. Fowler in 1931）　　　如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B 溫度計(jì),The Zeroth Law of Thermodynamics,如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,If two bodies are in thermal equilibrium with a third body

33、, they are also in thermal equilibrium with each other.,,為什么叫做熱力學(xué)第零定律,熱力學(xué)第零定律 1931年 T熱力學(xué)第一定律 1840?1850年 E熱力學(xué)第二定律 1854?1855年 S熱力學(xué)第三定律 1906年 S基準(zhǔn),,溫度的熱力學(xué)定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的

34、各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量? 溫度。,溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,,Temperature measurement,溫度計(jì),物質(zhì) （水銀，鉑電阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準(zhǔn)點(diǎn),刻度 Scale,溫標(biāo) Temperature scale,,,Reference state,,溫標(biāo)Temperature scale,? 熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）Kelvin scale

35、 （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）,? 攝氏溫標(biāo)Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）,? 華氏溫標(biāo)Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736),? 朗肯溫標(biāo)Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)

36、,常用溫標(biāo)之間的關(guān)系,絕對(duì)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,,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔點(diǎn),水三相點(diǎn),鹽水熔點(diǎn),發(fā)燒,水沸點(diǎn),559.67,溫標(biāo)的換算,Temperature Measurement Devices,水銀溫度計(jì)thermometer

37、，酒精溫度計(jì)，熱電偶 Thermocouple熱電阻 Resistance temperature detector輻射溫度計(jì)Radiation thermometer鉑電阻溫度計(jì) Platinum激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法,基本狀態(tài)參數(shù),壓力 p、溫度 T、比容 v （容易測(cè)量）,3、比容 v ( specific volume ),Basic state properties,[m3/kg