工程热力学课件第1章基本概念.ppt

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1、第一章 基本概念,1.1 热力系统,热力系统(热力系、系统)：把物体中相互联系的一部分或全部人为地分割开来，作为热力学研究对象。,外界：系统以外的所有物质,1、热力系统,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,系统,外界,热力系统选取的人为性,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,注：选择不同的系统，只影响问题分析的难易，不会影响分析结果。,边界特性,2、可以是真实的，也可以是虚构的,1、可以是固定的，也可以是活动,汽缸活塞系统,热力系统分类,（1）按系统与外界的质量m交换分,（2）按能量交换情况，分为：,1、孤立系统一定是绝热系统，对吗？Why?,2、闭口绝热系

2、统一定是孤立系统。,热力系统其它分类方式,其它分类,按物理化学性质分：,均匀系 非均匀系,按工质种类分：,多元系,单元系,按相态分：,多相,单相,1.2 热力状态,状态：某一瞬间系统所呈现的宏观状况,状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量,基本状态参数：可直接测量的参数，如：P,v,T,导出状态参数：不易测量，但可用公式计算得到的参数，如u,h,s,1.2.1 状态及状态参数,基本状态参数,（压力 p、温度 T、比容 v）,1、压力 p 物理中压强，单位:Pa,N/m2,常用单位：1 bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013105 Pa 1 mm

3、Hg=133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg=9.80665104 Pa,绝对压力P：气体的真实压力,绝对压力、表压、真空度,相对压力（表压力Pg、真空度Pv）：压力计显示的压力,问：一个密闭、绝热的气体储罐，其上压力表的读数可能变化吗？,注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数！,若大气压用Pb表示，则：P=Pb+Pg；P=Pb-Pv,例题：,例1：环境压力为 0.1 MPa，表B的读数为0.2 MPa，表C的读数为 0.05 MPa，问：表A的读数为多少？,例2：当地大气压为100kPa，容器A上压力表读数为0.8MPa，容器B上真空表读数为30kPa，则容器A内的绝压为 MPa

4、，容器B的真空度为 kPa。,2、温度T,宏观：系统热力平衡状况时冷热程度的物理量,微观：是大量分子热运动强烈程度的量度 T 0.5 m w 2,（1）T 的一般定义,（2）温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W.Fowler）：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。,温度测量的理论基础,温度的热力学定义,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,温度的测量,温度计,物质（水银，酒精，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标,绝对K,

5、摄氏,华氏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,冰熔点,水三相点,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,选择题：40与 40F 的关系为：A.B.C.D.不确定,比容v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度,kg/m3,1.2.2 状态参数的特性,（1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然,（2）积分特征：状态参数在数学上为点函数、态函数,系统经历一个循环后，状态参数的变化量为零。,从一个状态到另一个状态:

6、状态参数的变化量只与初终态有关，而与路径无关；,（3）状态参数的微分特征,Z为状态参数的充要条件：,强度参数与广延参数,强度参数：与物质的量无关的参数，如压力 p、温度T,广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg/kmol 具有强度量的性质,1.2.3 平衡状态,1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,温差 热不平衡势差 压差、力差 力不平衡势差 化学位 化学不平衡势差,实现热力平衡的条件：不存在不平衡势差,即：热平衡、力平衡、相平衡、化学

7、平衡,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(温差),若去掉外界影响（两恒温热源），则状态变化,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，但均匀一定平衡对于单相，平衡态则一定是均匀的,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，则可用一组确切的状态参数描述系统所处的状态。,如果系统不平衡，则不能！,工程热力学研究的正是这种平衡状态。,1.2.4 状态方程、坐标图,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,No!,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,相律：,描述一个系统所需独立变量(自由度)的个数:2-独立变量个数-系统所含组分数-相态

8、数（气、液、固）,问题：1、确定空气储罐中空气的状态，需要几个参数？2、汽、水共存的系统呢？,理想气体的状态方程：,实际工质的状态方程？,一个系统只有个独立状态参数作为自变量，其余状态参数可视为因变量。将任意因变量表示为自变量的函数关系式，称为状态方程。因p,v,T为基本状态参数（可测量），常被选作自变量。,状态方程,例：R134a的维里型状态方程,状态参数坐标图,简单可压缩系=2，常用的:p-v图和T-s图：,说明：系统任何平衡态都可表示在坐标图上。,不平衡态无法表示在图上。,1.3 热力过程,1、热力过程：在不平衡势差的作用下，系统从一个状态变化到另一个状态所经历的历程。,问题：,热力学研

9、究：平衡状态,热力学研究：能量转换,可见：“平衡”和“过程”是一对矛盾体，如何解决？,2、准静态过程,p1=p0+重物,p，T,P0 T0,T1=T0,突然去掉重物,最终,p2=p0,T2=T0,p,v,1,2,.,.,（1）一般过程,（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,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,准静态过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。,实现准静态过程的条件：,过程进行得无限缓慢,不平衡势差为无限小。,引入准静态过程的意义,2、实际意义：,疑问：准静态过程为无限缓慢的过程，工程上有意义吗？,1、

10、理论意义：解决了“平衡”和“过程”的矛盾,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,3、可逆过程,可逆过程：系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到初始状态，而不留下任何痕迹。,2、不可逆过程包括：1）若不付出代价（外界不留

11、下痕迹），则系统无法恢复到初态；2）系统恢复到初态，但外界留下了痕迹。,理解：1、可逆：系统回到初态，且外界同时恢复到初态。,实现可逆过程的条件,准静态过程+无耗散效应=可逆过程,不平衡势差为无限小,使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不可逆因素,耗散效应,系统和外界均不存在不可逆因素的过程才是可逆过程,可逆过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。,典型的不可逆过程,典型的不可逆过程,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，为评价实际过程的完善程度提供了一个比较基准。,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

12、统与外界的复杂关系，易分析。,实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，然后考虑不可逆因素加以修正。-科学研究方法,例：判断是否准静态与可逆,以冰水混合物为热力系,缓慢加热,外部温差传热,准静态过程,系统内部等温传热，无耗散,内可逆,外不可逆,4、热力循环,目的：实现连续的能量转换。,定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。,分类：,（1）按是否可逆分,（2）按能量转换目的分,正循环,净效应：从高温热源吸热，对外作功,正循环（QW）：顺时针方向,逆循环,净效应：消耗外功，将低温热源的热量传给高温热源,逆循环（W Q）：逆时针方向,热力循环

13、的评价指标,正循环：吸热，对外作功,评价指标：热效率,目的：要W,例 某动力循环，工质从高温热源吸取了1000kJ热量，做功后向低温热源排放热量600kJ，求其热效率。,热力循环的评价指标,逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源制冷循环,评价指标：制冷系数,目的：要Q2,例 某空调名牌上参数：制冷量：3200W；输入电功率：1200W，求：该空调机的制冷系数。,热力循环的评价指标,目的：要Q1,逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源热泵循环,评价指标：供热系数,例 某冷、暖空调名牌上参数：制热量：4000W；输入电功率：1200W，求：该空调机的供热系数。,作 业,一、P14 思考题：114；习题：2、5,1、思考题：（1）开口系统不可能是绝热系统！因为系统与外界交换了物质，而物质具有能量。这种说法对吗？（2）系统的那些热力状态和热力过程可以确切地表示在状态参数坐标图上？（3）“不可逆过程无法恢复到初始状态”，这种说法对吗？,二、补充题：,2、夏季为保持某房间内温度25，每小时需要从室内排出7200 kJ热量，若采用制冷系数为3的空调机，问需要选购多大电功率的空调机？,