第一章工程熱力學基本概念(終)

1、多媒體教學課件沈陽工程學院能動學院第一章第一章 基本概念基本概念1-1 1-1 工質(zhì)和熱力系統(tǒng)工質(zhì)和熱力系統(tǒng)1-2 1-2 工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1-3 1-3 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖1-4 1-4 準靜態(tài)過程和可逆過程準靜態(tài)過程和可逆過程1-5 1-5 過程功和熱量過程功和熱量1-6 1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)什么是工質(zhì)？什么是工質(zhì)？ 定義：實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)定義：實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì) 制冷工程中又稱為制冷劑制冷工程中又稱為制冷劑 對工質(zhì)的要求對工質(zhì)的要求: :1 1）膨脹）膨脹性性 2 2）流動）流動性性3 3）熱

2、容量熱容量(比熱）比熱） 4 4）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性，安全性，安全性5 5）對環(huán)境友善對環(huán)境友善 6 6）價廉）價廉，易大量獲取，易大量獲取 物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜作為工質(zhì)物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜作為工質(zhì)工質(zhì)的舉例工質(zhì)的舉例 火力發(fā)電、核電等火力發(fā)電、核電等 水蒸氣水蒸氣 太陽能、地熱發(fā)電、制冷設備等太陽能、地熱發(fā)電、制冷設備等 低沸點物質(zhì)：氨、氟里昂低沸點物質(zhì)：氨、氟里昂 內(nèi)燃機、燃氣輪機內(nèi)燃機、燃氣輪機 燃氣和空氣燃氣和空氣 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)? ?人為分割出來作為熱力學人為分割出來作為熱力學分析對象的分析對象的有限有限物質(zhì)系統(tǒng)物質(zhì)系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間的分界面系統(tǒng)與外界之間的分界面熱力系統(tǒng)以外的部分熱力

3、系統(tǒng)以外的部分熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)（熱力系）（熱力系）外界外界界面（邊界）界面（邊界）系統(tǒng)與外界系統(tǒng)與外界通過通過邊界邊界進進行相互作用行相互作用1-鍋爐；2-汽輪機；3-凝汽器；4-水泵a）以鍋爐為熱力系統(tǒng)；b）以汽輪機為熱力系統(tǒng)； c）以整個蒸汽動力裝置為熱力系統(tǒng)熱力系的選取主要決定于熱力系的選取主要決定于研究任務研究任務劃分熱力系統(tǒng)舉例劃分熱力系統(tǒng)舉例選取熱力系時注意：選取熱力系時注意：v 邊界可以是實際存在的，邊界可以是實際存在的，也可以是假想的。也可以是假想的。（真空（真空容器）容器）v 邊界可以是固定的，邊界可以是固定的，也可以是變動的。也可以是變動的。v熱力系可以很大，但不能大到無限

4、。熱力系可以很大，但不能大到無限。v熱力系可以很小，但不能小到只包含少量分子，熱力系可以很小，但不能小到只包含少量分子，以致不能遵守統(tǒng)計平均規(guī)律。以致不能遵守統(tǒng)計平均規(guī)律。系統(tǒng)與外界通過邊界進行系統(tǒng)與外界通過邊界進行相互作用。相互作用。物質(zhì)交換物質(zhì)交換能量交換能量交換熱量交換熱量交換功量交換功量交換根據(jù)熱力系與外界的相根據(jù)熱力系與外界的相互作用，熱力系分為：互作用，熱力系分為：閉口系閉口系和外界無物質(zhì)交換和外界無物質(zhì)交換（控制質(zhì)量系統(tǒng)）（控制質(zhì)量系統(tǒng)）開口系開口系和外界有物質(zhì)交換和外界有物質(zhì)交換（控制容積、控制體）（控制容積、控制體）絕熱系絕熱系和外界無熱量交換和外界無熱量交換（可以有功量和物

5、質(zhì)交換）（可以有功量和物質(zhì)交換）孤立系孤立系和外界無任何相互作用和外界無任何相互作用1234mQW1 開口系開口系非孤立系非孤立系相關外界相關外界孤立系孤立系1+2 閉口系閉口系1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系孤立系系統(tǒng)及邊界示例系統(tǒng)及邊界示例 汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機開口系統(tǒng)開口系統(tǒng) 汽缸汽缸- -活塞裝置（閉口系例）活塞裝置（閉口系例） 氣缸進、排氣閥都關閉時，取氣缸進、排氣閥都關閉時，取氣缸內(nèi)工質(zhì)為系統(tǒng)氣缸內(nèi)工質(zhì)為系統(tǒng)閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)進排氣及燃燒膨脹過程一起研進排氣及燃燒膨脹過程一起研究，取氣缸為系統(tǒng)究，取氣缸為系統(tǒng)開口系統(tǒng)開口系統(tǒng) 移動和虛構邊界移動和虛構邊界1 1、

6、系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系。、系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系。2 2、孤立系一定是絕熱閉口系。、孤立系一定是絕熱閉口系。3 3、絕熱閉口系一定是孤立系。、絕熱閉口系一定是孤立系。XX1-2 1-2 工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)狀態(tài)：工質(zhì)某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況工質(zhì)某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)可直接測量可直接測量溫度、壓力、比體積、熱力學能、焓、熵溫度、壓力、比體積、熱力學能、焓、熵熱力學中常用的熱力學中常用的6 6個狀態(tài)參數(shù)：個狀態(tài)參數(shù)

7、：一、溫度一、溫度 宏觀上：物體冷熱程度的標志宏觀上：物體冷熱程度的標志 微觀上：物質(zhì)分子熱運動激烈程度的標志微觀上：物質(zhì)分子熱運動激烈程度的標志溫度計：溫度計：測量溫度的儀器測量溫度的儀器溫標溫標：溫度的數(shù)值表示法溫度的數(shù)值表示法攝氏溫標攝氏溫標符號：符號：t單位：單位：水的三相點溫度水的三相點溫度為為0.01常用常用熱力學溫標熱力學溫標（又稱：絕對溫標、（又稱：絕對溫標、開爾文溫標）開爾文溫標）符號：符號：T單位：單位：K (K (開爾文開爾文) )規(guī)定水的三相點溫度為規(guī)定水的三相點溫度為273.16K273.16KT= t+273.15溫度間隔相等溫度間隔相等二者無實質(zhì)差異，二者無實質(zhì)差

8、異，僅零點取值不同僅零點取值不同常用溫標之間的關系常用溫標之間的關系絕對絕對K攝氏攝氏 華氏華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點冰熔點水三相點水三相點鹽水熔點鹽水熔點發(fā)燒發(fā)燒水沸點水沸點溫標的換算溫標的換算O 273.15T Kt CO5( 32)9t Ct F二、壓力二、壓力壓力（壓強）：單位面積上所受的垂直作用力壓力（壓強）：單位面積上所受的垂直作用力壓力計：測量工質(zhì)壓力的儀器。壓力計：測量工質(zhì)壓力的儀器。 常見的有常見的有U U型管壓力計和彈簧管壓力計。型管壓力計和彈簧管壓力計。（atm , 1

9、atm=101325 Paatm , 1atm=101325 Pa）巴巴（bar,1bar=10bar,1bar=105 5PaPa）工程大氣壓（工程大氣壓（1at=0.9811at=0.981* *105pa）毫米汞柱（毫米汞柱（1mmHg=133Pa)1mmHg=133Pa)毫米水柱（毫米水柱（mmHmmH2 2O=13.6Pa)O=13.6Pa)工程單位：工程單位：帕斯卡帕斯卡( (帕帕) Pa) Pa1 Pa=1N/m1 Pa=1N/m2 2國際單位：國際單位：1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 PaAFp 壓力計測壓元壓力計測壓元件處于某種環(huán)件處于某種環(huán)境壓力作用下

10、，境壓力作用下，因此因此測得的壓測得的壓力是真實壓力力是真實壓力與環(huán)境壓力之與環(huán)境壓力之差。差。絕對壓力絕對壓力p p 工質(zhì)的真實壓力工質(zhì)的真實壓力表壓力表壓力p pe e p pe e= p - p= p - pb b ( (p p p pb b) )真空度真空度p pv v p pv v= p= pb b - p - p ( (p p 熱力系有足夠時間熱力系有足夠時間恢復被破壞的平衡恢復被破壞的平衡 例：例： 2 2沖程活塞式內(nèi)燃機，活沖程活塞式內(nèi)燃機，活塞運動速度塞運動速度= =10 m/s10 m/s，壓力波恢，壓力波恢復平衡速度（聲速）復平衡速度（聲速）350 m/s350 m/s。

11、二、可逆過程和不可逆過程二、可逆過程和不可逆過程準平衡過程著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥準平衡過程著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應耗散效應。引入一個更引入一個更徹底的理想徹底的理想化過程化過程可逆過程可逆過程 如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向運行時，能使逆向運行時，能使系統(tǒng)和外界系統(tǒng)和外界都返回到都返回到原來的狀態(tài)原來的狀態(tài)，而而不留下任何變化不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程，否，則這一過程稱為可逆過程，否則為不可逆過程。則為不可逆過程?？赡孢^程的特征：可逆過程的特征：q實現(xiàn)可逆過程的條件：實現(xiàn)可逆過程的條件：1 1）準靜態(tài)過程）準靜態(tài)過

12、程2 2）無）無耗散效應耗散效應II. 有摩擦的準靜態(tài)過程有摩擦的準靜態(tài)過程III. 可逆過程可逆過程不平衡勢差無限小不平衡勢差無限小實際過程都是實際過程都是不可逆過程不可逆過程I. 非平衡過程非平衡過程準平衡過程只要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗準平衡過程只要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應。散效應?？赡孢^程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而且要求可逆過程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而且要求工質(zhì)和外界可以無條件地逆復，過程進行時不存工質(zhì)和外界可以無條件地逆復，過程進行時不存在任何能量耗散。在任何能量耗散。 可逆過程必是準平衡過程。準平衡過程只是可逆過程必是準平衡過程。準平衡過程只是可逆過程的必要條件之一。可逆過程的

13、必要條件之一。 無任何耗散效應的準靜態(tài)過程是可逆過程，無任何耗散效應的準靜態(tài)過程是可逆過程，反之亦然。反之亦然。準平衡過程與可逆過程的區(qū)別和聯(lián)系：準平衡過程與可逆過程的區(qū)別和聯(lián)系： 實際過程非常復雜。熱力學中先按可逆過程處實際過程非常復雜。熱力學中先按可逆過程處理，然后考慮不可逆因素加以修正，即可得到實際理，然后考慮不可逆因素加以修正，即可得到實際過程的結(jié)果。過程的結(jié)果。可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復雜關系，易分析。數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復雜關系，易分析。易于揭示過程規(guī)律和本質(zhì)。易于揭示過程規(guī)律和本質(zhì)。可

14、逆過程是實際過程的理想極限，可作為實際可逆過程是實際過程的理想極限，可作為實際過程的比較標準。過程的比較標準。 實際過程都是不可逆過程，那么研究實際過程都是不可逆過程，那么研究可逆過程有何意義？可逆過程有何意義？有人說，不可逆過程是熱力系無法恢有人說，不可逆過程是熱力系無法恢復到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？復到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？為什么？為什么？X一、過程功一、過程功1-5 1-5 過程功和熱量過程功和熱量功的表達式WFdxWFdxWpdVWpdVp pV. .12. .WdV 準靜態(tài)過程功可用準靜態(tài)過程功可用p p- -V V圖中圖中曲線下的面積表示。曲線下的面積表示。 功為功為

15、過程量過程量，因其不僅與初終，因其不僅與初終態(tài)相關，且與過程相關。態(tài)相關，且與過程相關。 過程量的微元用過程量的微元用 表示，狀態(tài)表示，狀態(tài)量的微元用量的微元用d d表示。積分后結(jié)果表示。積分后結(jié)果不同。不同。 僅適用于準靜態(tài)僅適用于準靜態(tài)過程（包括可逆過程），非準靜態(tài)過程（包括可逆過程），非準靜態(tài)過程不可用，虛線下面積亦非功。過程不可用，虛線下面積亦非功。21wpdvpV. .12. .示功圖示功圖 W 閉口系工質(zhì)膨脹作出的功，一部分因摩擦而耗散，閉口系工質(zhì)膨脹作出的功，一部分因摩擦而耗散，一部用以反抗大氣壓力作功，余下的才是可被利用的一部用以反抗大氣壓力作功，余下的才是可被利用的功，稱為有

16、用功。功，稱為有用功。lruWWWWVpVVpWr0120)()(12021,VVppdVWreu其中排斥大氣功：其中排斥大氣功：對可逆過程，有用功：對可逆過程，有用功：pp0求兩過程中氣體的膨脹功。求兩過程中氣體的膨脹功。兩過程初、終態(tài)兩過程初、終態(tài)相同，但中間途相同，但中間途徑不同，因而膨徑不同，因而膨脹功不同。脹功不同。例例解解)(2)()(212212212121VVbVVadVbVapdVW1211212121lnVVVpVdVpVpdVW二、過程熱量熱量如何表達？熵的定義revQdSTrevqdsT熵的說明示熱圖（T-s圖）21QT dS二、過程熱量二、過程熱量熱力系統(tǒng)與外界之間由

17、于溫度熱力系統(tǒng)與外界之間由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。不同而通過邊界傳遞的能量。 規(guī)定：熱力系吸熱為正，放熱為負。規(guī)定：熱力系吸熱為正，放熱為負。 對對m kg工質(zhì)，單位：工質(zhì)，單位：J，kJ。 用用 Q 表示。表示。 對對1 kg工質(zhì)，單位：工質(zhì)，單位：J/kg，kJ/kg。 用用 q 表示。表示。2121TdsqTdsq 可逆過程熱量計算：可逆過程熱量計算： 區(qū)分：過程量和狀態(tài)量。區(qū)分：過程量和狀態(tài)量。o 功和熱量是過程量。只有在能量傳遞或轉(zhuǎn)換功和熱量是過程量。只有在能量傳遞或轉(zhuǎn)換過程中才有功和熱量。過程中才有功和熱量。o 說物系在某狀態(tài)下有多少功或多少熱量是說物系在某狀態(tài)下有多少功或

18、多少熱量是無意義的、錯誤的。無意義的、錯誤的。 熱量為熱量為過程量過程量，因其不，因其不僅與初終態(tài)相關，且與過僅與初終態(tài)相關，且與過程相關。程相關。 可逆過程熱量可用可逆過程熱量可用T-s圖圖中曲線下面積表示。中曲線下面積表示。1 1、溫度高的物體比溫度低的物體具有更多的、溫度高的物體比溫度低的物體具有更多的熱量，這種說法對嗎？熱量，這種說法對嗎？3 3、溫度、壓力、體積、膨脹功、熱量中，哪、溫度、壓力、體積、膨脹功、熱量中，哪些是狀態(tài)量，哪些是過程量？些是狀態(tài)量，哪些是過程量？ X2 2、熱量是指儲存于物體內(nèi)部的熱能量。、熱量是指儲存于物體內(nèi)部的熱能量。X1 1、某過程可在、某過程可在p-vp-v圖中用實線表示，則必為準靜態(tài)過程圖中用實線表示，則必為準靜態(tài)過程2 2、某過程可在、某過程可在p-vp-v圖中用實線表示，則必為可逆過程。圖中用實線表示，則必為可逆過程。3 3、某過程如圖所示，則曲線、某過程如圖所示，則曲線 下面積表示膨脹功。下面積表示膨脹功。4 4、工質(zhì)經(jīng)歷一不可逆過程后不能回到原狀態(tài)。、工質(zhì)經(jīng)歷一不可逆過程后不能回到原狀態(tài)。5 5、可逆過程肯定是準靜態(tài)過程。、可逆過程肯定是準靜態(tài)過程。6 6、如右圖所示，有、如右圖所示，有21212121 , babaTTwwpV. .12. .pv