熱學(xué)第一章23ppt課件

1、第一章第一章 基本概念基本概念basic concepts1-11-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng))：人為地：人為地 研究對(duì)象研究對(duì)象1、系統(tǒng)的定義系統(tǒng)的定義thermodynamic systemsystema quantity of matter or a region in space chosen for study1-11-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、系統(tǒng)、外界與邊界系統(tǒng)、外界與邊界邊界邊界(界面界面)：系統(tǒng)與外界的分界面：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界外界的作用都通過(guò)的作用都通過(guò)邊界邊界surround

2、ingsboundary邊界特性邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)固定、活動(dòng)fixed 、 movablereal 、imaginary熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無(wú)無(wú)是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開(kāi)口系開(kāi)口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系types of system開(kāi)口系開(kāi)口系絕熱系絕熱系孤立系孤立系closed system control massisolated systemopen systemcon

3、trol volume閉口系閉口系adiabatic system1234mqw1 開(kāi)口系開(kāi)口系系統(tǒng)系統(tǒng)非孤立系相關(guān)外界非孤立系相關(guān)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 孤立系孤立系熱力系統(tǒng)其它分類方式熱力系統(tǒng)其它分類方式 其它分類方式其它分類方式物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系工質(zhì)種類工質(zhì)種類多元系多元系單元系單元系相態(tài)相態(tài)多相多相單相單相簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)只交換只交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹

4、功膨脹功simple compressible system1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)參數(shù)的特征特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分：全微分state and state properties狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)

5、參數(shù)的積分特征 狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：溫度變化例：溫度變化山高度變化山高度變化point function狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)設(shè) z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要條件：充要條件：22zzx yy x 可判斷是否可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù)total differentials強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)與物

6、質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如如壓力壓力 p、溫度溫度t廣延參數(shù)：廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性可加性 如如 質(zhì)量質(zhì)量m、容積容積 v、內(nèi)能內(nèi)能 u、焓焓 h、熵熵s比參數(shù)：比參數(shù)：比比容容vvmuum比比內(nèi)能內(nèi)能hhm比比焓焓ssm比比熵熵單位：?jiǎn)挝唬?kg /kmol 具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)intensive properties extensive properties 強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)速度速度動(dòng)能動(dòng)能高度高度 位能位能 內(nèi)能內(nèi)能溫度溫度應(yīng)力應(yīng)力摩爾數(shù)摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣

7、）（廣）（廣）velocity kinetic energyheight potential energytemperature internal energystressmol1-3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力 p、溫度、溫度 t、比容、比容 v （容易測(cè)量）（容易測(cè)量）1 1、壓力壓力 p ( pressure ) 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)，單位單位: pa (pascal), n/m2常用單位常用單位units： 1 kpa = 103 pa 1bar = 105 pa 1 mpa = 106 pa 1 atm = 760 mmhg = 1.013 105 pa 1 mmhg = 13

8、3.3 pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 pabasic state properties壓力壓力p測(cè)量測(cè)量示意圖絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力與與環(huán)境壓力環(huán)境壓力的相對(duì)值的相對(duì)值 相對(duì)壓力相對(duì)壓力注意：注意：只有只有絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 p 才是才是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)u-tube manometerbourdon tube絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 peebppp當(dāng)當(dāng) p 有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程relaxation time準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程應(yīng)用例：例：活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī) 200

9、0轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.15米米/沖程沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度活塞運(yùn)動(dòng)速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時(shí)間破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）（馳豫時(shí)間）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程具體工程問(wèn)題具體分析。具體工程問(wèn)題具體分析。“突然突然”“”“緩慢緩慢”準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功pp外外f初始：初始：p a = p外外 a + +fa如果如果 p外外微小微小 可視為可視為準(zhǔn)

10、靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程dl以汽缸中以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功化對(duì)外界作的功 w = p a dl =pdv1kg工質(zhì)工質(zhì) w =pdvdl 很小很小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 p 不變不變moving boundary work準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功pp外外2mkg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv121wpdv21wpdv注意：注意：上式僅適用于上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程示功圖示功圖indicator (p-v) diagrampv. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21w

11、pdv1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvw準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說(shuō)明準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說(shuō)明pv. .12. .2） p-v 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功的大小與路徑有關(guān)， 過(guò)程量過(guò)程量path function4）統(tǒng)一規(guī)定：統(tǒng)一規(guī)定：dv0，膨脹，膨脹 對(duì)外作功（對(duì)外作功（正正） dv0，壓縮，壓縮 外內(nèi)作功（外內(nèi)作功（負(fù)負(fù)）5）適于適于準(zhǔn)靜態(tài)下準(zhǔn)靜態(tài)下的的任何任何工質(zhì)（一般為流體）工質(zhì)（一般為流體）6）外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無(wú)有無(wú)f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單

12、位為單位為 kj 或或 kj/kgww摩擦損失摩擦損失friction loss的影響的影響若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統(tǒng)對(duì)外作功系統(tǒng)對(duì)外作功w，外界得到的功，外界得到的功w w若外界將得到的功若外界將得到的功w 再返還給系統(tǒng)，系再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功統(tǒng)得到的功wt2q節(jié)流過(guò)程節(jié)流過(guò)程 ( (閥門(mén)）閥門(mén)）p1p2p1p2frequently encountered irreversibilitiesthrottler常見(jiàn)的不可逆過(guò)程常見(jiàn)的不可逆過(guò)程混合過(guò)程混合過(guò)程自由膨脹自由膨脹真空真空f(shuō)requently encountered irreversibilit

13、iesunrestrained expansionmixing process引入可逆過(guò)程的意義引入可逆過(guò)程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化理想化過(guò)程，過(guò)程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程。過(guò)程。 可逆過(guò)程的功與熱可逆過(guò)程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)工質(zhì) 的的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過(guò)程可逆過(guò)程）處理，）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析

14、，然后考慮不可逆用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 內(nèi)部可逆，外部不可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆 常見(jiàn)常見(jiàn)90 0 例：例：內(nèi)可逆內(nèi)可逆外不可逆外不可逆totally reversible internally reversible 外部可逆，內(nèi)部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆externally reversible 1-7 功功 量量 work1 1、力學(xué)力學(xué)定義定義: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義i熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義ii功的力學(xué)定義功的力學(xué)定義defin

15、ition of work of mechanics鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器過(guò)熱器過(guò)熱器the product of a force and the distance through which this force acts力力 在力方向上的位移在力方向上的位移but功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義i 當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重唯一效果可歸結(jié)為取起重物物，此即為熱力系對(duì)外作功。，此即為熱力系對(duì)外作功。 work is done by a system if the sole effec

16、t on the surroundings could be the raising of a weight.功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義ii work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work. 功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在式，在力力的推動(dòng)下，通過(guò)的推動(dòng)下，通過(guò)有序有序運(yùn)動(dòng)方運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量式傳遞的能量

17、。功的表達(dá)式功的表達(dá)式功功的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式fdxw fdxw熱力學(xué)最常見(jiàn)的功熱力學(xué)最常見(jiàn)的功 容積變化功容積變化功 pdvwpdvw其他準(zhǔn)靜態(tài)功：其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功拉伸功，表面張力功表面張力功，電功電功等等1-8 熱量與熵?zé)崃颗c熵heat and entropyheat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 熱量定義：熱量定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作是

18、熱力系與外界相互作用的另一種方式，在用的另一種方式，在溫度溫度的推動(dòng)下，以的推動(dòng)下，以微觀微觀無(wú)序無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。能量。熱量與容積變化功熱量與容積變化功能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量性質(zhì)性質(zhì) 過(guò)程量過(guò)程量 過(guò)程量過(guò)程量推動(dòng)力推動(dòng)力 壓力壓力 p 溫度溫度 t標(biāo)志標(biāo)志 dv , dv ds , ds公式公式pdvw tdsq pdvw tdsq條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆熵（熵（ entropy）的定義的定義revqdstreversiblerevqdst比參數(shù)比參數(shù) kj/kg.kds: 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 qrev除以傳熱時(shí)的除以傳熱時(shí)的t所得的所得的商商 清華大學(xué)清華大學(xué)劉仙洲劉仙洲教授命名為教授命名為“熵熵”廣延量廣延量 kj/k熵的說(shuō)明熵的說(shuō)明1 1、熵熵是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 3、熵熵的物理意義：的物理意義：熵熵體現(xiàn)了體現(xiàn)了可逆過(guò)程可逆過(guò)程 傳熱的傳熱的大小大小與與方向方向2、符號(hào)符號(hào)規(guī)定規(guī)定系統(tǒng)系統(tǒng)吸熱吸熱