西安交通大学工程热力学 第1章 基本概念及定义.ppt

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1、第一章 基本概念及定义,目录,1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、平衡方程、坐标图 1-4 工质的状态变化过程 1-5 过程功和热量 1-6 热力循环,第1-1节 热力系统,热力系统（热力系、系统）人为划定的一定范围内的研究对象,一、热力系统定义,外界 热力系统以外的部分,边界 系统与外界之间的分界面,系统与外界的作用都通过边界,一、热力系统定义,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功也交换热,热力系统选取的人为性,二、热力系统分类,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,（1）闭口系统：系统与外界有能量、无物质交换

2、,闭口系统内的质量保持恒定不变，所以闭口系统又叫做控制质量。,二、热力系统分类,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,（2）开口系统：系统与外界有能量、有物质交换,开口系统中的能量和质量都可以变化，但这种变化通常是在某一划定的空间范围内进行的，所以开口系统又叫做控制容积，或控制体。,二、热力系统分类,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,（3）绝热系统：系统与外界无热量交换,二、热力系统分类,根据系统与外界物质交换、热量交换的情况,（4）孤立系统：系统与外界无物质、无能量交换,孤立系统的一切相互作用都发生系统内部。,二、热力系统分类,闭口系：与外界无物质交换的系统 CM,开口系：与外界有物

3、质交换的系统 CV,按物质交换,简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆体积变化 功的交换。,孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。,绝热系：与外界无热量交换的系统。,热 源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换 不引起系统温度变化的热力系统。,按能量交换,二、热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,三、工质,用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。,工质,理想气体,实际气体,蒸 气,第1-2节 工质的热力学状态及其基本状态参数,2、积分特征：状参变化量与路径无关，

4、只与初终态有关,3、微分特征：全微分,数学上：,点函数、状态函数,例：温度变化，高度变化,设 z=z(x,y),充要条件：,状态参数的特征：,1、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,二、状态参数,注意：广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。,按是否直接或易测,基本状态参数：,可以直接或易测的状态参数。如p、v 和T。,非基本状态参数：,不能直接或易测的状态参数。如H，S，U 等,三、温度,温度计,三、温度,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,1)同T,0.5mw

5、2 不同，如碳固体和碳蒸气,0.5mw 2总0,T 0,1951年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度,3)T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，零点能,三、温度,1.温度的科学定义 温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。,热力学第零定律 温度测量的基础处于热平衡的两物体，如果分别和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之间必然处于热平衡。,2.温度的数值表示法温标,热力学温标：理论温标，符号T，单位K。,经验温标：摄氏温标（）、华氏温标（oF）。,国际实用温标：（ITS90）,经验温标建立的三要素：,t（）=T（K）-273.15,常用温标之间关系对比,绝对K,摄氏,华氏

6、F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,3.温度测量方法,日常：水银温度计，酒精温度计，水温度计工业：热电偶，热敏电阻计量：铂电阻温度计,按用途分类：,按测温原理分类：,3.温度测量方法,膨胀式温度计：水银温度计、双金属温度计,电阻温度计：铂电阻温度计、热敏电阻温度计,热电温度计：热电偶温度计,辐射温度计：光电高温计、辐射高温计,声学温度计。,四、压力,四、压力,定义,单位面积上所受的垂直作用力称为

7、压力（即压强),分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。,四、压力,压力的单位,国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：Pa 1Pa=1N/m2,标准大气压（atm,也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O),工程单位：,四、压力,绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系,五、比体积及密度,单位质量的工质所占的体积，单位是m3/kg。,1、比体积,2、密度,单位体积物质的质量，单位是kg/m3。,第1-4节 平衡状态、平衡方程、坐标图,一、平衡状态,1、定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下,系统的状态能够始终保持不变，则系统

8、的这种状 态称为平衡状态。,2、实现条件（充要条件）：p=0 T=0(=0)。,温差 热不平衡势压差 力不平衡势相变或化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡与均匀,平衡：时间上均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为状态方程

9、式。,二、状态方程式,隐函数形式：,理想气体状态方程,范德瓦尔斯方程,RK方程,（2）状态参数坐标图：常用的状态坐标图有压容图和温熵图等,状态参数坐标图,（1）独立的状态参数：简单可压缩系统,三、状态参数坐标图,由热力系统参数所组成的坐标图称为热力状态坐标图。,第1-5节 工质的状态变化过程,一、热力过程,定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历 的全部状态的总和。,“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,一般过程,p1=p0+重物,p，T,p0,T1=T0,突然去掉重物,最终,p2=p0,T2=

10、T0,p,1,2,.,.,准静态过程,p1=p0+重物,p，T,p0,T1=T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,二、准平衡(准静态)过程,定义：由一系列平衡态组成的热力过程。,实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、力差、化学势差)应为无限小。即p0 T0(0),准平衡过程的实现,准静态过程有实际意义吗？,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,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,准

11、静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA=p外A+f,A,如果 p外微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W=pA dl=pdV,1kg工质,w=pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,

12、p,p外,2,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,1,注意：上式仅适用于准静态过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,W,三、可逆过程和不可逆过程,定义：当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统 再沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相 互中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留 下任何变化，则这一过程称为可逆过程。不满足 上述条件的过程为不可逆过程。,过程：准平衡的膨胀过程，同时自热源T吸热,可逆过程的实现,准静态过程+无耗散效应=可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁

13、阻等）,不平衡势差不可逆根源 耗散效应,耗散效应,典型的不可逆过程,节流过程(阀门）,p1,p2,p1p2,混合过程,引入可逆过程的意义,准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过 程，可逆过程是最优过程。,可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数 表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。,实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想 情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后 考虑不可逆因素加以修正。,第1-6节 过程功和热量,一、功的定义,热力学定义：热力系统通过边界而传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。,力学定义:力在力方向上的位移,第1-6节 过程功和热量,一、功

14、的热力学定义,功：热力系统通过边界而传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。,比功：单位质量的物质所做的功。,二、可逆过程的功,示功图如右：则有，,可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。,三、过程热量,热量的定义：热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。,示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图,温熵(示热)图,四、功和热量的异同,相同：功和热量都是能量传递的度量，都是过程量。,不同：功是有规则的宏观运动能量的传递，在做功过程中 往往伴随着能量形态的转化；热量则是大量微观粒 子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能 量形态的转化。功转变成热量是无条件的，而热转 变成

15、功是有条件的。,热量与容积变化功,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度 T,标志 dV,dv dS,ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,第1-7节 热力循环,1、定义：工质从某一初态 出发经历一系列 热力状态变化后 又回到原来初态 的热力过程即 封闭的热力过 程，简称循环。,一、循环概说,能量利用经济性,3、能量利用经济性,2、分类,按性质,可逆循环:全部由可逆过程构成。,不可逆循环:只要存在不可逆过程。,二、正向循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,动力循环：,二、正向循环,三、逆向循环,p,V,T,S,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,三、逆向循环,制冷循环：,制热（热泵）：,小 结,基本概念：热力系 平衡、稳定、均匀 准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数 功、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、工作系数,习题,