基本概念與定義

1、基本概念與定義F1.1 1.1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)F1.2 1.2 狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)F1.3 1.3 強(qiáng)度參數(shù)和廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)和廣延參數(shù)F1.4 1.4 F1.5 1.5 狀態(tài)方程和坐標(biāo)圖狀態(tài)方程和坐標(biāo)圖F1.6 1.6 準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程F1.7 1.7 功功F1.8 1.8 熱量與熵?zé)崃颗c熵F1.9 1.9 循環(huán)循環(huán)定義：由某種邊界包圍，被取作研究對(duì)象的特定的物質(zhì)或空間（人為的） 分類：閉口系統(tǒng)（與外界無(wú)物質(zhì)交換） 開口系統(tǒng)（與外界有物質(zhì)交換） 絕熱系統(tǒng)（與外界無(wú)熱量交換） 簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)（與外界交換只有體積變化功）熱力系統(tǒng)1234mQW1 開口系開口系非孤立

2、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)選取的人為性鍋鍋爐爐汽輪機(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熱器過熱器只交換功只交換功只交換熱只交換熱既交換功既交換功也交換熱也交換熱 定義：外界：系統(tǒng)以外所有的物（定義：外界：系統(tǒng)以外所有的物（ surroundingssurroundings ） 邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（ boundaryboundary ）外界與邊界系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)固定、活動(dòng)狀態(tài)和狀態(tài)參

3、數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、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)的變化量 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：全微分狀態(tài)參數(shù)的積分特征 狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。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)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)設(shè) z =z (x , y)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

4、是否可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù)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)，如壓力與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)，如壓力p p、溫度溫度T 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 m、容積容積 V V、 內(nèi)能內(nèi)能 U U、焓焓 H H、熵熵S S比參數(shù)：比參數(shù)：比容比容比內(nèi)能比內(nèi)能比焓比焓比熵比熵單位：?jiǎn)挝唬?kg /kg 、/kmol /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)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）

5、（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity Velocity Kinetic EnergyKinetic EnergyHeight Height Potential EnergyPotential EnergyTemperature Temperature Internal EnergyInternal EnergyStressStressMolMol基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力 p p、溫度、溫度 T T、比容、比容 v v （容易測(cè)量）（容易測(cè)量）1 1、壓力壓力 p p ( pressure )( pressure ) 物理中壓強(qiáng)，單位物理中壓強(qiáng)，單位: Pa : P

6、a ，N/mN/m2 2常用單位常用單位UnitsUnits： 1 kPa = 101 kPa = 103 3 Pa 1bar = 10 Pa 1bar = 105 5 PaPa 1 MPa = 101 MPa = 106 6 Pa Pa 10105 5 PaPa 1 mmHg = 133.3 Pa1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm 1 at = 1 kgf/cm2 2 10104 4 PaPa壓力壓力p測(cè)量測(cè)量絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值相對(duì)值 相對(duì)壓力相對(duì)壓力注意：注意：只有絕對(duì)壓力只有絕對(duì)壓力 p p 才才是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)絕對(duì)壓力與相

7、對(duì)壓力絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)當(dāng) p p p pb b表壓力表壓力 p pe e當(dāng)當(dāng) p 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)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)例：活塞式內(nèi)燃機(jī) 20002000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分，曲柄分，曲柄 2 2沖程沖程/ /轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，米米/ /沖程沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度活塞運(yùn)動(dòng)速度=2000=2000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/s350 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）一般的工程過程都可認(rèn)為是一般的工程過程都

8、可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。具體工程問題具體分析?！巴蝗煌蝗弧薄啊薄熬従徛睖?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功p pp p外外f f初始：初始：p p A A = = p p外外 A A + +f fA A如果如果 p p外外微小微小 ，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程d dl l以汽缸中以汽缸中m mkgkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)為系統(tǒng)m mkgkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功的功 W W = = p p A A d dl l =p =pd dV V1kg1kg工質(zhì)工質(zhì) w w =p=pd dv vd dl l 很小很小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 p

9、 p 不變不變準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功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)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖示功圖 ( (p p- -V V圖圖) )pV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvWp pV V. .1 12 2. .2 2） p-V p-V 圖上用面積表示圖上用面積表示3 3）功的大小與路徑有關(guān)，）功的大小與路徑有關(guān)， 過程量過程量4 4）統(tǒng)一規(guī)定：）統(tǒng)一規(guī)定：d dV V00，膨脹，膨脹 對(duì)

10、外作功（正）對(duì)外作功（正） d dV V00，壓縮，壓縮 外內(nèi)作功（負(fù)）外內(nèi)作功（負(fù)）5 5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6 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 7）有無(wú)）有無(wú)f f，只影響外界得到功的大小，只影響外界得到功的大小1 1）單位為）單位為 kJ kJ 或或 kJ/kgkJ/kg說(shuō)明摩擦損失的影響摩擦損失的影響若有若有f f 存在，就存在損失存在，就存在損失p pp p外外2 21 1系統(tǒng)對(duì)外作功系統(tǒng)對(duì)外作功W W，外界得到的功，外界得到的功W W W W若外界將得到的功若外界將得到的功W

11、 W 再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W WW T T2 2Q Q2.2.節(jié)流過程節(jié)流過程 ( (閥門）閥門）p p1 1p p2 2p p1 1 p p2 2ThrottlerThrottler4.4.混合過程混合過程3.3.自由膨脹自由膨脹真空真空Unrestrained expansionUnrestrained expansionMixing processMixing process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 常見常見90 0 例：例：內(nèi)可逆內(nèi)可逆外不可逆外不可逆外部可逆，內(nèi)

12、部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。 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)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(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。然后考慮不

13、可逆因素加以修正。判斷下列過程是否是可逆過程？1.對(duì)剛性容器內(nèi)的水加熱，使其在恒溫下蒸發(fā)2.對(duì)剛性容器內(nèi)的水做功，使其在恒溫下蒸發(fā)3.對(duì)剛性容器內(nèi)的空氣緩慢加熱，使其從50度升高至150度功量功量WorkWork1 1、力學(xué)定義、力學(xué)定義: : 力力在力方向上的位移在力方向上的位移2 2、熱力學(xué)定義、熱力學(xué)定義熱力學(xué)定義熱力學(xué)定義IIII功的力學(xué)定義功的力學(xué)定義鍋鍋爐爐汽輪機(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熱器過熱器力力 在力方向上的位移在力方向上的位移功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義I 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)外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重

14、如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。物，此即為熱力系對(duì)外作功。功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義II 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，式，( (在力的推動(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方在力的推動(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量式傳遞的能量) )是熱力學(xué)系統(tǒng)通過邊界是熱力學(xué)系統(tǒng)通過邊界與外界傳遞的能量。與外界傳遞的能量。 Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed syst

15、em is not heat, it must be work.功的表達(dá)式功的表達(dá)式功的一般表達(dá)式功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功熱力學(xué)最常見的功 容積變化功容積變化功 其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等靈活處理功的計(jì)算靈活處理功的計(jì)算充氣球充氣球若準(zhǔn)靜態(tài)過程若準(zhǔn)靜態(tài)過程若取進(jìn)入氣球的氣體為系統(tǒng)若取進(jìn)入氣球的氣體為系統(tǒng)但但pVpV的關(guān)系不知的關(guān)系不知 ？若看外部效果，若看外部效果，p pb b不變不變外界得到功外界得到功p pb b V=V=氣體作功氣體作功1.8 1.8 熱量與熵?zé)崃颗c熵 熱量熱量定義：定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作用是熱力系與

16、外界相互作用的另一種方式，在的另一種方式，在溫度溫度差差的推動(dòng)下，以微觀的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量傳遞的能量。熱量是否可以用類似于功的式子表示？熱量是否可以用類似于功的式子表示？引入引入“熵熵”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) 過程量過程量 過程量過程量推動(dòng)力推動(dòng)力 壓力壓力 p p 溫度溫度 T T標(biāo)志標(biāo)志 d dV V , d , dv v d dS S , d, ds s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（ Entropy）的定義：revQ

17、dSTrevqdsT比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg.KkJ/kg.Kd ds s: : 可逆過程可逆過程 q qrevrev除以傳熱時(shí)的除以傳熱時(shí)的T T所得的商所得的商 廣延量廣延量 kJ/KkJ/Kreversiblereversible熵的說(shuō)明熵的說(shuō)明1 1、熵是狀態(tài)參數(shù)、熵是狀態(tài)參數(shù) 3 3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小與方向、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小與方向2 2、符號(hào)規(guī)定、符號(hào)規(guī)定系統(tǒng)吸熱時(shí)系統(tǒng)吸熱時(shí)為正為正 Q Q 0 d 0 dS S 0 0系統(tǒng)放熱時(shí)系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)為負(fù) Q Q 0 d 0 dS S 00，膨脹，膨脹 對(duì)外作功為正對(duì)外作功為正 dV 0，系統(tǒng)

18、吸熱，系統(tǒng)吸熱為正為正 Q 0，系統(tǒng)放熱，系統(tǒng)放熱為負(fù)為負(fù)2.計(jì)算公式：計(jì)算公式： 功與熱量（過程量）功與熱量（過程量）pdvw Tdsq 適用適用條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆P-VP-V圖與圖與T-ST-S圖圖pVWTSQ P-V圖圖T-ST-S圖圖 循環(huán)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)循環(huán)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)p21V循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：熱效率t=W/Q1凈效應(yīng)：對(duì)外作功、吸熱凈效應(yīng)：對(duì)外作功、吸熱正循環(huán)正循環(huán)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)： 制冷裝置制冷裝置 制冷系數(shù)制冷系數(shù) = Q= Q2 2/W/W 熱泵裝置熱泵裝置 供熱系數(shù)供熱系數(shù) = Q= Q1 1/W/W 21Vp凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功、放熱凈

19、效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功、放熱逆循環(huán)逆循環(huán)例題例例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系閉口系功量：功量：氣體對(duì)活塞作功氣體對(duì)活塞作功W WWQ熱量：熱量： 氣體通過活塞從外界吸熱氣體通過活塞從外界吸熱Q Q(當(dāng)初始溫度一樣時(shí)）(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系閉口系功量：功量： 殘留氣體對(duì)放逸氣體作功殘留氣體對(duì)放逸氣體作功W WWQ熱量：熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱殘留氣體從放逸氣體吸熱

20、Q Q(3)以放逸氣體為系統(tǒng)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系閉口系功量：功量：W W + + W W熱量：熱量：Q + QQ + QWQW Q(4)以容器為系統(tǒng)以容器為系統(tǒng)開口系開口系功量：功量：W W熱量：熱量：Q QWQ(5)以氣缸活塞為系統(tǒng)以氣缸活塞為系統(tǒng)開口系開口系功量：功量：W + WW + W熱量：熱量：Q + QQ + QWQWQ例例2.思考題思考題有人說(shuō)，不可逆過程是無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過有人說(shuō)，不可逆過程是無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？不對(duì)。關(guān)鍵看是否引起外界變化。不對(duì)。關(guān)鍵看是否引起外界變化?？赡孢^程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到可逆過程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到初態(tài)。初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。例例3.判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（1）蒸汽流經(jīng)減壓閥進(jìn)入汽