中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程熱力學(xué)剖析

1、Engineering Engineering ThermodynamicThermodynamics s第一章第一章基本概念基本概念 BASIC CONCEPTSBASIC CONCEPTS1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) Thermodynamics System2 狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) State and State Properties 3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)4 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) Equilibrium5 狀態(tài)方程狀態(tài)方程6 準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程 Reversible Process7 熱量和功熱量和功 Energy Transfer by Work and He

2、at 8 熱力循環(huán)熱力循環(huán) Thermodynamics Cycles主要內(nèi)容主要內(nèi)容本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)取熱力系統(tǒng)、對(duì)工質(zhì)狀態(tài)的描述、狀態(tài)取熱力系統(tǒng)、對(duì)工質(zhì)狀態(tài)的描述、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系、狀態(tài)參數(shù)、平衡狀與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系、狀態(tài)參數(shù)、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程、可逆過程。態(tài)、狀態(tài)方程、可逆過程。1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) 壓縮機(jī)壓縮機(jī) Compressor 熱電廠熱電廠 Steam power plant 飛機(jī)飛機(jī) Aircraft 空調(diào)熱泵空調(diào)熱泵 Heat Pump壓縮機(jī)壓縮機(jī)熱電廠熱電廠鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器 飛機(jī)飛機(jī)空調(diào)熱泵1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)系統(tǒng)、外界與邊界 （System 、S

3、urrounding、 Boundary） 系統(tǒng)：系統(tǒng)：用界面分離出的研究對(duì)象。用界面分離出的研究對(duì)象。 A quantity of matter or a region in space chosen for study 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)。 邊界：邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。系統(tǒng)與外界的分界面。Boundary: The real or imaginary surface that separates the system from its surroundings 邊界邊界邊界特性邊界特性邊界可以：邊界可以： 真實(shí)或虛構(gòu)；真實(shí)或虛構(gòu)； real or ima

4、ginary 固定或移動(dòng)；固定或移動(dòng)；fixed or movable 沒有厚度和體積，不含有任何物質(zhì)。沒有厚度和體積，不含有任何物質(zhì)。no thickness and volume , does not contain any substance.Note:熱力系統(tǒng)選取的人為性熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類 Classification1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)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 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱 非絕熱系 絕熱系是否傳功 非絕功系 絕功系是否傳熱、功

5、、質(zhì) 非孤立系 孤立系 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類 Classification 閉口系 Closed system 開口系 Open system 孤立系 Isolated system 絕熱系 Adiabatic system1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)閉口系閉口系A(chǔ) system that only energy can cross the boundary but no mass can enter or leave ( also known as control mass ) 密閉容器密閉容器 氣缸氣缸-活塞系統(tǒng)活塞系統(tǒng) piston-cylinder systemA system that no

6、t only energy but also mass can cross the boundary (also known as control volume ) 泵泵 pumps, 壓縮機(jī)壓縮機(jī) compressor, 汽輪機(jī)汽輪機(jī) 熱交換器熱交換器 heat exchanger.開口系開口系孤立系孤立系 Isolated systemA system that neither energy nor mass can cross the boundary (a special closed system)The UniverseIsolated System BoundaryMassSys

7、temSurr 3MassWorkSurr 1Heat = 0Work = 0Mass = 0AcrossIsolatedBoundaryHeatSurr 2Surr 4絕熱系絕熱系 Adiabatic System1234mQW1 開口系開口系 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)非孤立系非孤立系相關(guān)外界相關(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1、下列系統(tǒng)類型？下列系統(tǒng)類型？automobile enginepiston-cylinder system問題？問題？2、下列系統(tǒng)之間的關(guān)系？下列系統(tǒng)之間的關(guān)系？ 1）閉口系和定質(zhì)量系統(tǒng)閉口系和定質(zhì)量系統(tǒng) c

8、losed system and constant mass system? 2）閉口系和絕熱系？閉口系和絕熱系？closed system and adiabatic system? 3）孤立系和閉口絕熱系？ isolated system and adiabatic system?例題 1-1例例1：一剛性絕熱氣缸一剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲側(cè)設(shè)有電熱絲 紅線內(nèi)紅線內(nèi)閉口絕熱系粉紅線內(nèi)粉紅線內(nèi)不不包含電熱絲閉口系粉紅線內(nèi)粉紅線內(nèi)包含電熱絲閉口絕熱系蘭線內(nèi)蘭線內(nèi)孤立系例題 1-2 熱力系示例熱力系示例2A、B兩部落兩部落“雞雞、犬之聲相聞犬之聲相聞，民至老死不相往來民至老

9、死不相往來”ABA部落為部落為A+B部落為部落為 孤立系閉口系1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)State and State Properties 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 the condition of a system 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) State Properties 描述熱力系狀態(tài)的物理量描述熱力系狀態(tài)的物理量 any characteristic of a system 常用狀態(tài)參數(shù)常用狀態(tài)參數(shù) 壓力 pressure P, 溫度 temperature T, 體積 volume V, 質(zhì)量 mass M，內(nèi)能 internal e

10、nergy U ,熵 entropy S , 焓 enthalpy H1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類 強(qiáng)度量強(qiáng)度量 Intensive property： 與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù) independent of the size of system. such as:如壓力 p、溫度T 廣延量廣延量 Extensive property： 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 depend on the size or extent of the system. such as：質(zhì)量m、容積 V、內(nèi)能 U、焓 H、熵S 比參數(shù)比參數(shù)

11、 Specific properties 單位質(zhì)量的廣延狀態(tài)參數(shù)單位質(zhì)量的廣延狀態(tài)參數(shù) Extensive properties per unit mass Such as: 比容 specific volume u (u=V/m) 比焓 specific enthalpy h (h=H/m) 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)強(qiáng)度量和廣延量判別強(qiáng)度量和廣延量判別mVTP1/2m1/2vTP1/2m1/2vTPextensiveintensive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)）（

12、強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)特性狀態(tài)參數(shù)特性 Character of Property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)的變化量路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)：狀態(tài)參數(shù)的變化量路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)They depend on the states only, but have no

13、thing to do with the path from one state to another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)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)上：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 可判斷是否是可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參

14、數(shù)1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù) 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)（容易測(cè)量容易測(cè)量） 溫度溫度T 壓力壓力p 比容比容v What is temperature?溫度溫度Temperature and temperature scale 溫度溫度T 的一般定義的一般定義 傳統(tǒng)：傳統(tǒng)： 冷熱程度的度量。冷熱程度的度量。 熱力學(xué)定義：熱力學(xué)定義： ？ 熱力學(xué)第零定律：熱力學(xué)第零定律：（the zeroth law of thermodyn） 如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。熱平衡。溫度測(cè)量的理論基溫

15、度測(cè)量的理論基礎(chǔ)礎(chǔ)B B 溫度計(jì)溫度計(jì)溫度溫度Temperature and temperature scale 熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律 1931年年 T 熱力學(xué)第熱力學(xué)第一一定律定律 1840 1850年年 E 熱力學(xué)第熱力學(xué)第二二定律定律 1854 1855年年 S 熱力學(xué)第熱力學(xué)第三三定律定律 1906年年 S基準(zhǔn)基準(zhǔn)為什么叫做熱力學(xué)第零定律？為什么叫做熱力學(xué)第零定律？溫度溫度Temperature and temperature scale溫度的熱力學(xué)定義溫度的熱力學(xué)定義 處于同一處于同一熱平衡熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量狀態(tài)的各

16、個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫度溫度。 溫度溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡熱平衡的物理量。的物理量。溫度測(cè)量溫度測(cè)量 溫標(biāo)溫標(biāo) Temperature scale 熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907） 攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744） 華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo) Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 16

17、86-1736) 朗肯溫標(biāo)朗肯溫標(biāo) Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)常用溫標(biāo)之間的關(guān)系常用溫標(biāo)之間的關(guān)系絕對(duì)絕對(duì)K攝氏攝氏 華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)559.67溫標(biāo)溫標(biāo) Temperature scale溫度溫度計(jì)計(jì)物質(zhì)物質(zhì) （水銀，鉑電阻水銀，鉑電阻）特性特性 （體積膨脹，阻值體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)刻度刻度 Scale溫標(biāo)溫標(biāo) Temperature

18、scaleReference state壓力壓力 PressureDefinition 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng) 單位：?jiǎn)挝唬篠I: Pa-N/m2 (bar,atm,kgf/cm2) English: psi-lbf/in2 其他單位間關(guān)系：其他單位間關(guān)系：AFP 1bar=105 Pa = 0.1 Mpa =100 kPa1atm=101,325 Pa = 101.325 kPa =1.01325 bar =14.696 psi壓力壓力 Pressure 如何測(cè)量？如何測(cè)量？壓力壓力Pressure 表壓和真空度表壓和真空度 Gage Pressure and Vacuum Pressure

19、絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 Absolute Pressure (p)The actual pressure at a given position is called the absolute pressure. 環(huán)境壓力環(huán)境壓力 Atmospheric pressure (pb ) 指壓力表所處環(huán)境指壓力表所處環(huán)境壓力。壓力。 表壓力表壓力 Gage pressure (pg) 當(dāng)當(dāng)p pb 表壓力表壓力 pe 真空度真空度 Vacuum pressure (pv) 當(dāng)當(dāng) p 0 + 對(duì)系統(tǒng)做功對(duì)系統(tǒng)做功 壓縮 dV 0 Q 01-5 功和熱功和熱）reversibleTdSQTdSQ(21又稱示熱

20、圖ds: qrevT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”dssT21s2s101-5 容積變化功與熱量容積變化功與熱量wpdvTdsq pdvwTdsq1-5 容積變化功與熱量容積變化功與熱量 是過程量，不是狀態(tài)量。 其大小與初、終狀態(tài)有關(guān)，也與路徑有關(guān)。v1p2ab1V2V2121baWWTs12abS1S22121baQQ例題 1-4 vbp vP1 kg 1 kg 氣體以下列關(guān)系氣體以下列關(guān)系a) a) 和和 (b) (b) 膨脹。試計(jì)算各過程的膨脹功。并示意在膨脹。試計(jì)算各過程的膨脹功。并示意在p-vp-v圖上。圖上。avp 解解：21pdvw（1）212221

21、212vvaavdvpdvw（2）122121lnvvbdvvbpdvw1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán) Cycle定義定義 熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為為熱力循環(huán)熱力循環(huán)。分類分類可逆和不可逆可逆和不可逆 Reversible / Irre. Cycle Reversible cycle consist entirely of reversible processes.循環(huán)過程特點(diǎn)循環(huán)過程特點(diǎn)經(jīng)一個(gè)循環(huán)后系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)（內(nèi)能、熵、焓等）不變。經(jīng)一個(gè)循環(huán)后系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)（內(nèi)能、熵、焓等）不變。PV012431可逆循環(huán)可逆循環(huán)pv

22、p1 不可逆循環(huán)不可逆循環(huán)1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán) Cycle 循環(huán)過程的特點(diǎn)循環(huán)過程的特點(diǎn) 凈功 A = 循環(huán)過程曲線所包圍的面積 循環(huán)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo) PerformancePerformance=得到的收益得到的收益 （Desired output）花費(fèi)的代價(jià)花費(fèi)的代價(jià) （Required input）v0Aa21QQP 1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)正向正向（動(dòng)力）（動(dòng)力）循環(huán)循環(huán) Power cycle逆向逆向（制冷（制冷/熱泵）熱泵）循環(huán)循環(huán) Refrigeration (heat pump) cycle1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)正向（動(dòng)力）循環(huán)正向（動(dòng)力）循環(huán) Power

23、 cycle1Q2Q21QQAabpVO1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)（正循環(huán)）特點(diǎn)：動(dòng)力循環(huán)（正循環(huán)）特點(diǎn)： netnetqwdwwnetdqqqqnet211-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)動(dòng)力循環(huán)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)熱效率 Thermal efficiency 根據(jù)效率的定義根據(jù)效率的定義代價(jià)收益1qwnet吸熱凈功WT1Q1Q2T21-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)逆向循環(huán)逆向循環(huán) refrigeration cycle and heat pump cycle1Q2Q21QQA1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)pVTS2112 1-6 熱力循環(huán)熱力循環(huán)逆向循環(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo)逆向循環(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo) Coefficien

24、t of Performance (COP) 制冷循環(huán) Refrigerator: 制熱循環(huán) Heat pump:代價(jià)收益netwq2代價(jià)收益netwq1WT0Q1Q2T2關(guān)于空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)第一章 總結(jié) 基本知識(shí)點(diǎn)：基本知識(shí)點(diǎn)： 熱力系平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)功量、熱量、熵p-V圖、T-S圖循環(huán)、評(píng)價(jià)指標(biāo)第一章 總結(jié) 難點(diǎn)難點(diǎn) 熱力系統(tǒng)概念，它與環(huán)境的相互作用，三種分類方法及其特點(diǎn)； 引入準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程的必要性，以及它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí)的條件。 系統(tǒng)的選擇取決于研究目的與任務(wù)，隨邊界而定，具有隨意性。選取不當(dāng)將不便于分析。 穩(wěn)定狀態(tài)與平衡狀態(tài)的區(qū)分。 注意狀態(tài)參數(shù)的特性及狀態(tài)參

25、數(shù)與過程參數(shù)的區(qū)別。 第一章 總結(jié) 基本要求：基本要求： 掌握熱力系掌握熱力系( (閉口、開口、絕熱、孤立系）、平衡狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)方程、熱力過程（可逆過程）、閉口、開口、絕熱、孤立系）、平衡狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)方程、熱力過程（可逆過程）、熱力循環(huán)的概念。熱力循環(huán)的概念。 熟練掌握絕對(duì)壓力、表壓力、大氣壓力、真空度間的換算關(guān)系。熟練掌握絕對(duì)壓力、表壓力、大氣壓力、真空度間的換算關(guān)系。 掌握容積膨脹功的計(jì)算。掌握容積膨脹功的計(jì)算。作業(yè)1-51-71-9強(qiáng)度量和廣延量判別強(qiáng)度量和廣延量判別mVTP1/2m1/2vTP1/2m1/2vTPextensiveintensive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）（廣）（廣）Velocity Kinetic EnergyHeight Potentia