第一章工程熱力學(xué)基本概念(終)

1、多媒體教學(xué)課件沈陽(yáng)工程學(xué)院能動(dòng)學(xué)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(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)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(biāo)圖平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖1-4 1-4 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程1-5 1-5 過(guò)程功和熱量過(guò)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(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)定義：實(shí)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(duì)工質(zhì)的要求對(duì)工質(zhì)的要求: :1 1）膨脹）膨脹性性 2 2）流動(dòng)）流動(dòng)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(duì)環(huán)境友善對(duì)環(huán)境友善 6 6）價(jià)廉）價(jià)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(yáng)能、地?zé)岚l(fā)電、制冷設(shè)備等太陽(yáng)能、地?zé)岚l(fā)電、制冷設(shè)備等 低沸點(diǎn)物質(zhì)：氨、氟里昂低沸點(diǎn)物質(zhì)：氨、氟里昂 內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī) 燃?xì)夂涂諝馊細(xì)夂涂諝?熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)? ?人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的分析對(duì)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(guò)通過(guò)邊界邊界進(jìn)進(jìn)行相互作用行相互作用1-鍋爐；2-汽輪機(jī)；3-凝汽器；4-水泵a）以鍋爐為熱力系統(tǒng)；b）以汽輪機(jī)為熱力系統(tǒng)； c）以整個(gè)蒸汽動(dòng)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(wù)研究任務(wù)劃分熱力系統(tǒng)舉例劃分熱力系統(tǒng)舉例選取熱力系時(shí)注意：選取熱力系時(shí)注意：v 邊界可以是實(shí)際存在的，邊界可以是實(shí)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(dòng)的。也可以是變動(dòng)的。v熱力系可以很大，但不能大到無(wú)限

4、。熱力系可以很大，但不能大到無(wú)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(jì)平均規(guī)律。以致不能遵守統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律。系統(tǒng)與外界通過(guò)邊界進(jìn)行系統(tǒng)與外界通過(guò)邊界進(jìn)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(wú)物質(zhì)交換和外界無(wú)物質(zhì)交換（控制質(zhì)量系統(tǒng)）（控制質(zhì)量系統(tǒng)）開(kāi)口系開(kāi)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(wú)熱量交換和外界無(wú)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(wú)任何相互作用和外界無(wú)任何相互作用1234mQW1 開(kāi)口系開(kāi)口系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 孤立系孤立系系統(tǒng)及邊界示例系統(tǒng)及邊界示例 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)口系統(tǒng)開(kāi)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(jìn)、排氣閥都關(guān)閉時(shí)，取氣缸進(jìn)、排氣閥都關(guān)閉時(shí)，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(jìn)排氣及燃燒膨脹過(guò)程一起研進(jìn)排氣及燃燒膨脹過(guò)程一起研究，取氣缸為系統(tǒng)究，取氣缸為系統(tǒng)開(kāi)口系統(tǒng)開(kāi)口系統(tǒng) 移動(dòng)和虛構(gòu)邊界移動(dòng)和虛構(gòu)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(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)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(cè)量可直接測(cè)量溫度、壓力、比體積、熱力學(xué)能、焓、熵溫度、壓力、比體積、熱力學(xué)能、焓、熵?zé)崃W(xué)中常用的熱力學(xué)中常用的6 6個(gè)狀態(tài)參數(shù)：個(gè)狀態(tài)參數(shù)

7、：一、溫度一、溫度 宏觀上：物體冷熱程度的標(biāo)志宏觀上：物體冷熱程度的標(biāo)志 微觀上：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的標(biāo)志微觀上：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的標(biāo)志溫度計(jì)：溫度計(jì)：測(cè)量溫度的儀器測(cè)量溫度的儀器溫標(biāo)溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法溫度的數(shù)值表示法攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)符號(hào)：符號(hào)：t單位：?jiǎn)挝唬核娜帱c(diǎn)溫度水的三相點(diǎn)溫度為為0.01常用常用熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)（又稱：絕對(duì)溫標(biāo)、（又稱：絕對(duì)溫標(biāo)、開(kāi)爾文溫標(biāo)）開(kāi)爾文溫標(biāo)）符號(hào)：符號(hào)：T單位：?jiǎn)挝唬篕 (K (開(kāi)爾文開(kāi)爾文) )規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16K273.16KT= t+273.15溫度間隔相等溫度間隔相等二者無(wú)實(shí)質(zhì)差異，二者無(wú)實(shí)質(zhì)差

8、異，僅零點(diǎn)取值不同僅零點(diǎn)取值不同常用溫標(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 華氏華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點(diǎn)冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒發(fā)燒水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)溫標(biāo)的換算溫標(biāo)的換算O 273.15T Kt CO5( 32)9t Ct F二、壓力二、壓力壓力（壓強(qiáng)）：?jiǎn)挝幻娣e上所受的垂直作用力壓力（壓強(qiáng)）：?jiǎn)挝幻娣e上所受的垂直作用力壓力計(jì)：測(cè)量工質(zhì)壓力的儀器。壓力計(jì)：測(cè)量工質(zhì)壓力的儀器。 常見(jiàn)的有常見(jiàn)的有U U型管壓力計(jì)和彈簧管壓力計(jì)。型管壓力計(jì)和彈簧管壓力計(jì)。（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(guó)際單位：國(guó)際單位：1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 PaAFp 壓力計(jì)測(cè)壓元壓力計(jì)測(cè)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(cè)得的壓測(cè)得的壓力是真實(shí)壓力力是真實(shí)壓力與環(huán)境壓力之與環(huán)境壓力之差。差。絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力p p 工質(zhì)的真實(shí)壓力工質(zhì)的真實(shí)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(shí)間熱力系有足夠時(shí)間恢復(fù)被破壞的平衡恢復(fù)被破壞的平衡 例：例： 2 2沖程活塞式內(nèi)燃機(jī)，活沖程活塞式內(nèi)燃機(jī)，活塞運(yùn)動(dòng)速度塞運(yùn)動(dòng)速度= =10 m/s10 m/s，壓力波恢，壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s350 m/s。

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

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

13、必要條件之一。 無(wú)任何耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程，無(wú)任何耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程，反之亦然。反之亦然。準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程的區(qū)別和聯(lián)系：準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程的區(qū)別和聯(lián)系： 實(shí)際過(guò)程非常復(fù)雜。熱力學(xué)中先按可逆過(guò)程處實(shí)際過(guò)程非常復(fù)雜。熱力學(xué)中先按可逆過(guò)程處理，然后考慮不可逆因素加以修正，即可得到實(shí)際理，然后考慮不可逆因素加以修正，即可得到實(shí)際過(guò)程的結(jié)果。過(guò)程的結(jié)果?？赡孢^(guò)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(guò)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(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。易于揭示過(guò)程規(guī)律和本質(zhì)。易于揭示過(guò)程規(guī)律和本質(zhì)。可

14、逆過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想極限，可作為實(shí)際可逆過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想極限，可作為實(shí)際過(guò)程的比較標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)程的比較標(biāo)準(zhǔn)。 實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程，那么研究實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程，那么研究可逆過(guò)程有何意義？可逆過(guò)程有何意義？有人說(shuō)，不可逆過(guò)程是熱力系無(wú)法恢有人說(shuō)，不可逆過(guò)程是熱力系無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？復(fù)到初始狀態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？為什么？為什么？X一、過(guò)程功一、過(guò)程功1-5 1-5 過(guò)程功和熱量過(guò)程功和熱量功的表達(dá)式WFdxWFdxWpdVWpdVp pV. .12. .WdV 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功可用準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)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(guò)程量過(guò)程量，因其不僅與初終，因其不僅與初終態(tài)相關(guān)，且與過(guò)程相關(guān)。態(tài)相關(guān)，且與過(guò)程相關(guān)。 過(guò)程量的微元用過(guò)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(zhǔn)靜態(tài)僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（包括可逆過(guò)程），非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（包括可逆過(guò)程），非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不可用，虛線下面積亦非功。過(guò)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(duì)可逆過(guò)程，有用功：對(duì)可逆過(guò)程，有用功：pp0求兩過(guò)程中氣體的膨脹功。求兩過(guò)程中氣體的膨脹功。兩過(guò)程初、終態(tài)兩過(guò)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(guò)程熱量熱量如何表達(dá)？熵的定義revQdSTrevqdsT熵的說(shuō)明示熱圖（T-s圖）21QT dS二、過(guò)程熱量二、過(guò)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(guò)邊界傳遞的能量。不同而通過(guò)邊界傳遞的能量。 規(guī)定：熱力系吸熱為正，放熱為負(fù)。規(guī)定：熱力系吸熱為正，放熱為負(fù)。 對(duì)對(duì)m kg工質(zhì)，單位：工質(zhì)，單位：J，kJ。 用用 Q 表示。表示。 對(duì)對(duì)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(guò)程熱量計(jì)算：可逆過(guò)程熱量計(jì)算： 區(qū)分：過(guò)程量和狀態(tài)量。區(qū)分：過(guò)程量和狀態(tài)量。o 功和熱量是過(guò)程量。只有在能量傳遞或轉(zhuǎn)換功和熱量是過(guò)程量。只有在能量傳遞或轉(zhuǎn)換過(guò)程中才有功和熱量。過(guò)程中才有功和熱量。o 說(shuō)物系在某狀態(tài)下有多少功或多少熱量是說(shuō)物系在某狀態(tài)下有多少功或

18、多少熱量是無(wú)意義的、錯(cuò)誤的。無(wú)意義的、錯(cuò)誤的。 熱量為熱量為過(guò)程量過(guò)程量，因其不，因其不僅與初終態(tài)相關(guān)，且與過(guò)僅與初終態(tài)相關(guān)，且與過(guò)程相關(guān)。程相關(guān)。 可逆過(guò)程熱量可用可逆過(guò)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(shuō)法對(duì)嗎？熱量，這種說(shuō)法對(duì)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(guò)程量？些是狀態(tài)量，哪些是過(guò)程量？ X2 2、熱量是指儲(chǔ)存于物體內(nèi)部的熱能量。、熱量是指儲(chǔ)存于物體內(nèi)部的熱能量。X1 1、某過(guò)程可在、某過(guò)程可在p-vp-v圖中用實(shí)線表示，則必為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程圖中用實(shí)線表示，則必為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程2 2、某過(guò)程可在、某過(guò)程可在p-vp-v圖中用實(shí)線表示，則必為可逆過(guò)程。圖中用實(shí)線表示，則必為可逆過(guò)程。3 3、某過(guò)程如圖所示，則曲線、某過(guò)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(guò)程后不能回到原狀態(tài)。、工質(zhì)經(jīng)歷一不可逆過(guò)程后不能回到原狀態(tài)。5 5、可逆過(guò)程肯定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。、可逆過(guò)程肯定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。6 6、如右圖所示，有、如右圖所示，有21212121 , babaTTwwpV. .12. .pv