工程熱力學第一篇-03

1、第一篇,工程熱力學,（Engineering Thermodynamics）,第一章 基本概念,1-1 熱力系統(tǒng),1-2 平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù),1-3 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖,1-4 準平衡過程與可逆過程,1-5 功量和熱量,1-6 熱力循環(huán),1-1 熱力系統(tǒng),熱力學中常把研究的對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種人為的分割出來的研究對象稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。,√ 外界（surroundi

2、ng）,√ 邊界（boundary）,√ 熱力系統(tǒng)（thermodynamic system）,熱力系以外與之相互作用的周圍物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。,為了避免把熱力系和外界混淆起來，設想有分界面將它們分開，這個分界面稱為邊界。,邊界可以是真實的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運動的。熱力系的邊界常用虛線表示。,舉例說明,,,熱力系統(tǒng)分類,根據(jù)熱力系與外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系可分為：,（1）閉口系（closed sy

3、stem） 與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量（control mass，簡寫為CM）。,（2）開口系（open system） 與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。通常總是取一相對固定空間，把研究對象限制在這一空間范圍內(nèi)，也稱為控制容積（control volume簡寫為CV）。,注意：1）閉口系與開口系都可能通過邊界與外界發(fā)生能量的傳遞。2）區(qū)分閉口系和開口系的關鍵是有沒有物質(zhì)

4、越過了邊界，并不是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量是不是發(fā)生了變化。,（3）絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系（isolated system） 外界既無能量交換又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。,閉口系絕熱系,開口系絕熱系,,Q≈0,,★ A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng) ——孤立系,——閉口系,注

5、意：1）絕熱系與孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情況。2）選取何類熱力系對研究問題的結果并無影響，僅與解決問題的繁復程度有關。3）在作熱力學分析時，不僅要考慮熱力系內(nèi)部的變化，同時還要考慮熱力系通過邊界與外界發(fā)生的能量與物質(zhì)的交換，至于外界的變化則不必研究。,√ 熱機（heat-engine）： 凡能將熱能轉換為機械能的機器統(tǒng)稱為熱機。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、噴氣發(fā)動機等等，或稱熱能動力裝置。

6、,√ 熱源（heat source）： 與熱力系有熱量交換的物質(zhì)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 高溫熱源——熱源 恒溫熱源 低溫熱源——冷源 變溫熱源,√ 簡單可壓縮系（simple compressible system）： 熱力系由可壓縮流體構成，與外界只有可逆體積變化功（可逆過程的膨脹功或壓縮功）

7、的交換的系統(tǒng)。,√ 工質(zhì)（working substance）： 實現(xiàn)能量相互轉換的媒介物稱為工質(zhì)。,介紹幾個常用概念,,,1-2 平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1. 平衡狀態(tài)（equilibrium state）,（1）熱力狀態(tài),系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。,（2）平衡狀態(tài),在沒有外界影響的條件下（重力場影響除外），熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化的狀態(tài)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，必須

8、同時具備熱平衡和力平衡，對于有化學反應的系統(tǒng)同時還應具備化學平衡。,? 熱平衡 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界 處處溫度相等。 溫差是驅(qū)動熱傳遞的不平衡勢差，溫差的消失則是系統(tǒng)建立熱平衡的必要條件。,? 力平衡 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。 力差也是驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種不平衡勢差，力差的消失是使系統(tǒng)建立起力平衡的必要條件。,? 對于

9、有化學反應的系統(tǒng)，化學勢差的消失才能建立起化學平衡。,? 建立平衡狀態(tài)的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與外界之間各種不平衡勢差的消失。,2. 狀態(tài)參數(shù)（parameter of state）,用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個，即壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、熱力學能（U）、焓（H）和熵（S）。,狀態(tài)參數(shù),,強度參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量無關 的 狀態(tài)參數(shù)，如

10、p、T 等。不具有 可加性。,廣延參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量有關的 狀態(tài)參數(shù)。如 V、U、H、S 等。 具有可加性。單位質(zhì)量的廣延參 數(shù)，具有強度參數(shù)的性質(zhì)，稱為 比參數(shù)，如 v、h、u、s 等。,狀態(tài)參數(shù)的特點,狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，熱力系的狀態(tài)一

11、定，其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也一定。系統(tǒng)狀態(tài)變化時，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關，而與狀態(tài)變化的路徑無關。,,,當系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而又回復到初態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)的變化為零。,如果能證明某物理量具有上述數(shù)學特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，狀態(tài)參數(shù)具有確定的數(shù)值。而非平衡狀態(tài)的熱力系其狀態(tài)參數(shù)是不確定的。,工程熱力學通常只研究平衡狀態(tài)，它是經(jīng)典熱力學理論框架得以建立的重要基礎。,3. 基本狀態(tài)參數(shù),壓力（p）

12、、溫度（T）、比體積（v）可以直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。,（1）壓力（pressure）,單位面積上所受到的垂直作用力（壓強）。,P為工質(zhì)的真實壓力，即絕對壓力。,,根據(jù)分子熱運動學說，氣體的壓力是大量氣體分子運動撞擊容器壁面所產(chǎn)生的平均結果。,力,面積,,,16,常用非SI壓力單位：,國際單位制 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,1 bar（巴） = 1

13、05 Pa,1 atm（標準大氣壓） = 1.013?105 Pa,1 at （工程大氣壓） = 0.981?105 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa,壓力測量：,只有絕對壓力 p 才是狀態(tài)參數(shù)。,,,絕對壓力 p表壓力 pe（pg） 真空度 pv,當?shù)卮髿鈮?pb,負壓,正壓,18,（2）溫度（temperature）,溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度

14、的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運動的強弱。,當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù) 。,1）溫度的物理意義,2）熱力學第零定律,如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。,熱力學第零定律是溫度測量的理論依據(jù) 。,3）溫標,溫度的數(shù)值表示法。,國際單位制（SI）采用熱力學溫標

15、作為基本溫標。,用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T 表示，單位為 K（開）。,熱力學溫標（絕對溫標）:,熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16 K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。,攝氏溫標:,用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃（攝氏度）。,攝氏溫度的定義式為：,,攝氏溫度的零點相當于熱力學溫度的273.15K，1 ℃=1K,（3）比體積（specific volu

16、me）,定義：,單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號v表示，單位為 m3/kg 。,密度：,單位體積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號 ? 表示，單位為 kg/ m3 。,比體積和密度不是兩個互相獨立的狀態(tài)參數(shù)。通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù) 。,,,,1-3 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖,（1）狀態(tài)公理,對于簡單可壓縮系統(tǒng)，只需給出兩個相互獨立狀態(tài)的參數(shù)（如 p、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。,（2）狀態(tài)方程式,表示基本狀態(tài)參數(shù)之間關系的方程式稱為狀態(tài)方程式

17、 。如：,,,,,（3）狀態(tài)參數(shù)坐標圖,在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)，而非平衡狀態(tài)無法在圖上表示。,以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的坐標圖。,,,1-4 準平衡過程和可逆過程,（1）熱力過程,熱力系從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)稱為熱力過程，簡稱過程。,,,P,Pb,Pˊ,P = Pˊ+ Pb,P = Pb,P＞Pb,（2）準平衡過程（quasi-equilibrium process）,由一系列

18、非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的過程就稱為準平衡過程，也稱為準靜態(tài)過程（quasi-static process）。,,準平衡過程的實現(xiàn)條件是：破壞平衡狀態(tài)存在的不平衡勢差（除力差外，還包括溫差、化學勢差等）應無限小。,準平衡過程是實際過程的理想化，是實際過程進行得非常緩慢的一個極限。實際設備中所進行的過程都是在有限勢差作用下進行的，都是非平衡過程。但在熱力學中，為便于分析，常把實際過程當作準平衡過程來處理。這是因為系統(tǒng)在平衡狀態(tài)被破壞后

19、自動恢復平衡所需的時間，即所謂弛豫時間非常短，而過程進行的時間遠大于弛豫時間，系統(tǒng)一旦偏離平衡狀態(tài)，系統(tǒng)很快重新恢復平衡狀態(tài)。因此，將某些實際設備中進行的過程視為準平衡過程是可以被允許的。如果在某些情況下這樣的處理會帶來較大的誤差時，應引入考慮不平衡影響而進行的修正。,在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準平衡過程可以用連續(xù)的實線表示。,（3）可逆過程（reversible process）,當系統(tǒng)完成了某一過程之后，如果系統(tǒng)能沿原路徑逆行而回復到原來

20、狀態(tài)，同時外界也隨之回復到原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。,,可逆過程的特征是：1）準平衡過程，因為在有限勢差作用下進行的非平衡過程必然導致不可逆。2）在可逆過程中不應有任何諸如摩擦、電阻、磁阻等的耗散效應（通過摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男Q為耗散效應，由此造成可用功的損失稱為耗散損失）。,實現(xiàn)可逆過程的的充要條件，一是過程沒有勢差（或勢差無限小）如傳熱沒有溫差，作膨脹功沒有力差等，二是過程沒有耗散效應，如

21、機械運動沒有摩擦，導電沒有電阻等。也可以說，只有準平衡過程且過程中無任何耗散效應的過程才是可逆過程。,準平衡過程與可逆過程的聯(lián)系與區(qū)別：,1）兩個過程都是由一系列平衡狀態(tài)所組成，在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上都能用一條連續(xù)的曲線來表示。,2）有無耗散損失,可逆過程是一切實際過程的理想化極限，實際上是不可能實現(xiàn)的。引入可逆過程是一種研究方法。,可逆過程一定是準平衡過程，但準平衡過程則不一定是可逆過程。,引入可逆過程的概念對分析實際過程有何意義？,實際

22、過程都或多或少地存在著各種不可逆因素，都是不可逆的。在對不可逆過程進行分析計算時往往是相當困難的，為了簡便起見，通常把實際過程當作可逆過程來進行分析計算，，然后再用一些經(jīng)驗系數(shù)加以修正。另外，可逆過程是一切實際過程的理想化極限模型，可逆過程進行的結果不會產(chǎn)生任何能量損失，因而可以作為實際過程中能量轉換效果比較的標準和極限。,1-5 功量與熱量,1. 功量（work）,√功的力學定義：力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積。,,√功的熱力學定義：

23、熱力系與外界間通過邊界而傳遞 的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為 舉起重物。,,功是與過程性質(zhì)有關的過程量。功不是狀態(tài)參數(shù)。,國際單位制：J（焦耳）或 kJ（千焦）,比功：單位質(zhì)量的物質(zhì)所作的功。 單位：J/kg 或 kJ/kg 。,,功率：單位時間內(nèi)完成

24、的功。 單位：W（瓦）或 kW （千瓦） 。,1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W,熱力學中規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功取為正值， 外界對系統(tǒng)作功取為負值。,1J=1N·m，1kJ=103 J,√ 體積功（膨脹功或壓縮功）,工質(zhì)通過體積變化（膨脹或壓縮）所做的功。,,,,,討論可逆過程的體積功,對于微元可逆過程,對于可逆過程1—2,若工質(zhì)質(zhì)

25、量為mkg,1kg,,膨脹：dv > 0 , w > 0,壓縮：dv < 0 , w < 0,w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積12nm1來表示，p-v圖稱為示功圖,功是過程量而不是狀態(tài)量。,,討論,有用功概念,,,其中:　W——膨脹功； 　Wl ——摩擦耗功； 　Wp ——排斥大氣功。,,,,,pb,f,,,用外部參數(shù)計算不可逆過程的功,,,?,36,2. 熱量與示

26、熱圖,（1）熱量,系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號為Q ，單位為J 或kJ。,單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q表示，單位為 J/kg 或 kJ/kg。,熱量正負的規(guī)定：,系統(tǒng)吸熱：q > 0,系統(tǒng)放熱：q < 0,熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量。,在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。,功量：,熱量：,s 稱為比熵。比熵同比體積 v 一樣是

27、工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。,比熵的定義式：,（可逆過程）,比熵的單位為J/ (kg·K) 或 kJ/ (kg·K) 。,對于質(zhì)量為 m的工質(zhì),S為質(zhì)量為 m 的工質(zhì)的熵，單位是 J/K。,根據(jù)熵的變化判斷一個可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：,（2）示熱圖（T-s圖）,在可逆過程中單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量可以用T-s 圖（溫熵圖）上過程曲線下的面積來表示。,溫熵圖也稱示熱圖。,,1-6 熱力循環(huán),工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)

28、，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，又回復到初態(tài)的封閉熱力過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)（cycle）。 按循環(huán)性質(zhì)分 可逆循環(huán) 不可逆循環(huán) 按循環(huán)產(chǎn)生的效果不同 正循環(huán) 逆循環(huán),,,1. 正循環(huán)及其熱效率,將熱能轉變?yōu)闄C械能的循環(huán)，也稱為動力循環(huán)或熱機循環(huán)。,在p-v圖上，正向循環(huán)按順