《工程热力学》第一章-基本概念.ppt

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1、基本概念,1.1 热力系统,1.热力系统（热力系、系统、体系）的定义：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。2.系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质。边界（界面、控制面）：系统与外界的分界面。系统与外界通过边界交换能量和质量。,热力系统举例,热力系统的分类 与外界是否有物质交换 闭口系统（闭系、封闭系统、控制质量系统）；开口系统（开系、敞开系统、控制体积系统）。开系和闭系在一定条件下可互相转化，主要 取决于分析问题的需要和方便。,开系与闭系的转化,热力系统的分类 与外界是否有能量交换 简单热力系统；绝热系统；孤立系统。孤立系统一定是闭口系统，也一定是绝热系统。,热力系

2、统的分类,系统内物质组成的特征 单组分系统：工质只由单一组分的物质 组成 多组分系统：工质由多种不同组分的 物质组成,热力系统的分类,系统内工质的相态 均匀系统；单相系统；多相系统。均匀系统一定是单相系统。,1.2 热力状态,状态及状态参数 定义 某一瞬间热力系统所呈现的宏观状况称为系统 的状态。描述系统所处状态的宏观物理量称为状态参数。,状态参数的分类,基本状态参数：可以直接测量的状态参数。如压力p、温度T、比体积v。导出状态参数：由基本状态参数间接求得的 参数。如内能U、焓H、熵S等。,1.压力,压力的定义 沿垂直方向作用在单位面积上的力称为压 力（即物理中压强）。对于容器内的气态工质来说

3、，压力是大量气 体分子作不规则运动时对器壁单位面积撞击 作用力的宏观统计结果。压力的方向总是垂直于容器内壁。,压力的单位,压力的单位是N/m2，符号是帕（Pa）常用压力单位的换算见附表1（222页）1 atm=760 mmHg=1.013105 Pa1 at=1 kgf/cm2=9.8067 104 Pa1 MPa=106Pa 103kPa 10bar,压力的表示方法 绝对压力（p）、表压力（pg）、真空度（pv）绝对压力p、表压力pg、真空度pv、大气压力pb的关系 pg=p-pb pv=pb-p 只有绝对压力p才是系统的状态参数。,例1：已知甲醇合成塔上压力表的读数为 150kgf/cm2

4、，这时车间内气压计上的 读数为780mmHg。试求合成塔内绝 对压力等于多少kPa？,例2：在通风机吸气管上用U型管压力计测出的压 力为300mmH2O，这时气压计上的读数750mmHg。试：（1）求吸气管内气体的绝对压力等于多少 kPa？（2）若吸气管内的气体压力不变，而大气 压下降至735mmHg，这时U型管压力计 的读数等于多少？,例3：某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装 有压力计，如图所示。压力表A、C位于大气环境中，B位 于室中。设大气压力为97kPa：（1）若压力表B、表C的读数分别为75kPa、0.11MPa，试确 定压力表A上的读数及容器两部分内气体的绝对压力；（

5、2）若表C为真空计，读数为24kPa，压力表B的读数为 36kPa，试问表A是什么表？读数是多少？,2.温度,传统：温度是物体冷热程度的标志。微观：温度是衡量分子平均动能的量度。T 0.5 m c2 T=0 0.5 m c2=0 分子一切运动停止，零动能。,热力学第零定律,热平衡：不同物体的冷热程度相同，则它们处于热平衡。热力学第零定律（热力学中的一个基本实验结果）：若两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系也处于热平衡。,温度测量的理论基础B 相当于温度计,为什么叫做热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T热力学第一定律 18401850年 E热力学第二定律 18541

6、855年 S热力学第三定律 1906年 S基准,温度的热力学定义,由热力学第零定律可以推断：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。热力学第零定律给出了比较温度的方法。,温标,摄氏温标 t（单位）华氏温标 t（单位）热力学温标 T（单位 K）朗肯温标 T（单位R）,摄氏温标和热力学温标,摄氏温标规定，标准大气压下纯水的冰点温度为0，沸点温度为100，两定点的温度，按温度与测量物质的某种物理量（如液柱体积、金属电阻等）的线性关系确定。热力学温标是与测温物质无关的温标，它选取水的三相点的温度为2

7、73.16K，定义1K的温度间隔等于水的三相点热力学温度的1/273.16。,常用温标之间的关系,0.01,绝对K,摄氏,华氏,朗肯R,100,373.15,273.16,0,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,水沸点,559.67,273.15,发烧,0,温标之间的换算关系：,3.比体积（比容）,比容：单位质量物质所占的容积 m3/kg 密度：单位容积所含的物质质量 kg/m3 反应了工质聚集的疏密程度,1.2 热力状态,状态参数是状态的单值函数。状态确定，则状态参数也随之确

8、定；反之亦然。,状态参数的积分特性：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关。,状态参数的微分特性：全微分,状态参数的特性,1.数学特性,状态参数的积分特性,状态参数z的变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,是点函数、态函数,1,2,a,b,状态参数的微分特性,设 z=z(x,y)，dz是全微分,充要条件是：,可判断是否是状态参数。,则：,2.强度参数和广度参数 强度参数：与物质的量无关的参数。如 p、T、v 等 强度参数具有不可加性。把一个均匀系统划分成若干个子系统，各子系统的同名 强度参数相同，且与整个系统的同名强度参数相同。非均匀系统内各处的同名参数值却不一定相同。,广度参数

9、：与物质的量有关的参数。广度参数具有可加性，如 m、V、U、E、H、S 等。无论系统均匀与否，广度参数具有确定的值。单位质量的广度参数称为比参数，如v、u、h、s 等。比参数具有强度参数的性质；广度参数用大写字母表示，比参数用小写字母；习惯上把除比容以外的比参数的“比”省略。单位摩尔的广度参数称为摩尔参数，摩尔参数也具 有强度参数的性质。,1.2 热力状态,平衡状态 定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的宏观状态不随时间变化，则该系 统处于平衡状态。不能把平衡态简单地说成不随时间而改变的状态，也不能说成外界条件不变的状态。平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的状态。平衡与均匀：

10、均匀系统一定处于平衡状态，反之则不然。,实现平衡的条件 热平衡 温度相等 力平衡 压力相等 相平衡 各相间化学位相等 化学平衡 反应物与生成物化学 位相等此外，系统与外界之间也要处于相互平衡中。,只有平衡状态，才可用一组状态参数来描述。,状态方程与状态参数坐标图,不需要，只要知道描述系统状态所需的独立状态参数的数目（即自由度）就可以了！,想确切描述某个热力系统，是否需要所有状态参数？,1.系统状态的自由度 其中是系统的组分个数，是系统中相的个数。2.状态方程 对于任意系统所处的状态来说，只有个独立状态参数作为自变量，其它参数均可视为因变量。将任一因变量表示为自变量的函数关系式，称为状态方程。,

11、对单组分单相系统，2,压力p、温度T、比体积v是基本状态参数，经常被作为自变量。,气体状态方程可表示为,或,对单组分理想气体，就是最简单的状态方程。,3.状态参数坐标图,采用由任意两个独立状态参数（2）构成的平面坐标系上的一点来描述系统所处的实际状态，这种坐标图就是热力系统的状态参数坐标图。,常见的p-v图和T-s图就是最常用的坐标图。,2）过程线中任意一点 为平衡态；,3）不平衡态无法在图 上用实线表示。,1）系统任何平衡态都可 表示在坐标图上；,3.状态参数坐标图,状态参数坐标图不但可用来确定系统所处的 状态，而且还可用来分析状态经历不同变化 的过程，在工程上有着广泛应用。除p-v、T-s

12、图外，还有h-s、T-p、lnp-h图等。,3.状态参数坐标图,若热力系统的状态自由度不止两个时，就必 须取二元以上的坐标系来描述系统的状态。若所描述的系统并非均匀系或处于非平衡态 时，一般可把系统按其内部均匀部分（如不 同相态部分）或局部平衡部分，分成若干子 均匀系或子平衡态，然后再应用上述独立状 态参数的表示法分别予以处理。,1.3 热力过程,在外界的影响下，热力系统的工质状态沿特定规律发生变化的总历程称为热力过程，简称过程。实际热力过程是经历了一系列非平衡状态从状态1变化到状态2的，因此要使过程进行，必须存在不平衡势差（如温度差、压力差、化学位差等）。,准静态过程（或准平衡过程）,平衡状

13、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,p，T,p0,突然去掉重物,最终,p2=p0,T2=T0,p,v,1,2,.,.,准静态过程（或准平衡过程）,p，T,p0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,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,过程的每一步不仅内部必须保持力平

14、衡，系统与外界之间也必须保持力平衡。否则，有限力差推动的过程，必为非静态过程。这是作功过程中得出的结论，但完全可以推广到传热、相变和化学反应中去。,准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）340 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”,力、温度、化学势分别是推动作功、传热、化学 反应的势，所以有限势差推动的过程必为非准静 态过程。要实现准静态过程，必须在

15、无限小势差 推动下进行。准静态过程的每一步，势力系必须保持平衡。因 此严格地讲，准静态过程必须无限缓慢地进行。只有准静态过程才能用确定的状态参数的变化来 描述，才能在坐标图中用连续曲线来表示，才能 用热力学方法来分析。,耗散效应 准静态过程的讨论中，并未涉及摩擦现象。由于摩擦做功，会造成能量损耗。其实即使存在摩擦，过程的每一步，热力系仍可保持平衡态。所以说，摩擦现象并不影响准静态过程的实现。但是由于摩擦，逆行时系统不能复原到原来的状态。,1.3.2 可逆过程,当系统经历某一过程后，如果令过程沿相同的路径逆行能使过程中所涉及的一切（系统和外界）都恢复到原来状态，而不留下任何痕迹，则这一过程称为可

16、逆过程。不满足上述热力条件的过程，称为不可逆过程。,定义,实际的热力过程都是不可逆过程。可逆过程虽然是一种理想化了的热力过程，但在相同的条件下，可作为判别实际不可逆 过程偏离理想可逆极限程度的标准。,可逆过程与准静态过程的关系,准静态过程只是立足于实现系统内部工质状 态的平衡性问题，它只涉及工质内部的状态 变化。耗散效应对准静态过程无影响。,准静态过程+无耗散效应=可逆过程,可逆过程不仅要求系统内部工质必须是平衡可逆的，而且要求系统工质与外界发生相互作用关系（能量传递效果）时也必须是平衡可逆的。因而是反应了系统工质与外界两方面所产生的总效果。,要实现可逆，系统的内部和外部都必须是可逆的，即不

17、存在任何不可逆损失。,可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程只是实现可 逆过程的条件之一。,可逆过程与准静态过程的关系,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，容易分析。,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。,1.3.3 热力循环,定义：工质从某一状态出发，经历一系列过程后又回到初始状态，这些过程的综合称为热力循环，简称循环。热力循环在状态参数坐标图上，可表示为一根封闭的曲线，这样系统

18、内工质的任一状态参数 z 在经过每一热力循环后，应保持,如果循环中的每个过程都是可逆的，则这个循环 称为可逆循环。在坐标图上，可逆循环用闭合实 线表示，循环方向以箭头表示。顺时针方向，称为正循环，是将热变为功的循环；逆时针方向，称为逆循环，消耗功而把热量由低温 热源送至高温热源的循环。含有不可逆过程的循环称为不可逆循环。不可逆 循环中的不可逆过程用虚线表示。,热力循环的评价指标,正循环：净效应（吸热，对外作功）,W,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,热力循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,热泵循环：制热系数,例4：判断下列过

19、程中哪些是可逆的不可 逆的可以是可逆的，并扼要说明不可 逆的原因。（1）对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发；（2）对刚性容器内的水作功，使其在恒温下蒸发；（3）对刚性容器中的空气缓慢加热。使其从50升温 到100；（4）一定质量的空气，在无摩擦、不导热的汽缸和活 塞中被缓慢压缩；（5）50的水流与25的水流绝热混合。,思考题,有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？,不对，关键看是否引起外界变化。,可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。,可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。,本 章 小 结,基本概念：热力系统 热力状态、状态参数 平衡状态、状态方程 p-V、T-S 状态参数坐标图 热力过程、准静态过程、可逆过程 热力循环、评价指标,