工程熱力學(xué)：第一章 基本概念 (2)

1、南京航空航天大學(xué)第一章第一章 基本概念基本概念南京航空航天大學(xué)本章基本本章基本要求要求了解幾種典型熱力系統(tǒng)的工作原理掌握工程熱力學(xué)中一些基本術(shù)語和概念：熱力系統(tǒng)、平衡態(tài)、準平衡過程、可逆過程等。掌握狀態(tài)參數(shù)的特征，基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T 的定義和單位等。掌握熱量和功量這些過程量的特征，并會用系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)對可逆過程的熱量、功量進行計算。了解工程熱力學(xué)分析問題的特點、方法和步驟。南京航空航天大學(xué)1-1 熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)換的過程熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)換的過程南京航空航天大學(xué)熱能動力裝置熱能動力裝置熱能動力裝置分為兩大類：熱能動力裝置分為兩大類：燃氣動力裝置（內(nèi)燃機、燃氣輪機）燃氣動力裝置（內(nèi)燃機

2、、燃氣輪機）蒸汽動力裝置（蒸汽輪機）蒸汽動力裝置（蒸汽輪機）熱能熱能機械能機械能化學(xué)能化學(xué)能從燃料燃燒中得到熱能，并利用熱能得到動力的設(shè)備。南京航空航天大學(xué)內(nèi)燃機工作過程內(nèi)燃機工作過程n 內(nèi)燃機（汽油機）內(nèi)燃機（汽油機）燃氣燃氣熱能熱能機械能機械能燃料燃料化學(xué)能化學(xué)能排入大氣排入大氣能量轉(zhuǎn)換：能量轉(zhuǎn)換：南京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機工作過程航空發(fā)動機工作過程n 燃氣輪機燃氣輪機燃氣燃氣熱能熱能機械能機械能燃料燃料化學(xué)能化學(xué)能排入大氣排入大氣能量轉(zhuǎn)換：能量轉(zhuǎn)換：南京航空航天大學(xué)7n 蒸汽輪機蒸汽輪機l燃料在鍋爐中燃料在鍋爐中燃燒燃燒，加熱加熱水，變?yōu)檎羝?，并水，變?yōu)檎羝?，并過熱過熱，化學(xué)能轉(zhuǎn)為熱能化

3、學(xué)能轉(zhuǎn)為熱能l高溫高壓高溫高壓蒸汽膨脹推動汽輪機作功蒸汽膨脹推動汽輪機作功（機械能）（機械能）l作功后的乏汽進入冷凝器，冷凝成水，并由泵送入鍋爐加熱作功后的乏汽進入冷凝器，冷凝成水，并由泵送入鍋爐加熱熱力發(fā)電站工作過程熱力發(fā)電站工作過程南京航空航天大學(xué)n 不同點：不同點：結(jié)構(gòu)、工作特性不同結(jié)構(gòu)、工作特性不同1.1. 存在存在媒介物質(zhì)媒介物質(zhì)獲得能量（如內(nèi)燃機中混合氣，蒸汽輪機中的獲得能量（如內(nèi)燃機中混合氣，蒸汽輪機中的水）水）2.2. 存在能提供熱能的存在能提供熱能的熱量源熱量源；3.3. 余下的熱能排向余下的熱能排向環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)n 相同點：相同點：n 結(jié)論結(jié)論 各種熱機都存在以下相同的熱

4、力過程：各種熱機都存在以下相同的熱力過程：吸熱、膨脹吸熱、膨脹作功和排熱作功和排熱兩類熱能動力系統(tǒng)的對比兩類熱能動力系統(tǒng)的對比南京航空航天大學(xué)工質(zhì)工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。熱源（高溫?zé)嵩矗嵩矗ǜ邷責(zé)嵩矗?：工質(zhì)從中吸取熱能的物系。冷源（低溫?zé)嵩矗├湓矗ǖ蜏責(zé)嵩矗?：接受工質(zhì)排出熱能的物系。南京航空航天大學(xué)工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機械能而作功，并把余下部分傳給低溫?zé)嵩?。熱能動力裝置的工作過程熱能動力裝置的工作過程熱源熱源冷源冷源熱機熱機作功作功吸熱吸熱放熱放熱南京航空航天大學(xué)1-2 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)南京航空航天大學(xué)為了研究問題方便，熱力學(xué)通常選取一定的工質(zhì)或空間作

5、為研究對象，稱為熱力系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)的定義系統(tǒng)完全由研究者自系統(tǒng)完全由研究者自己來設(shè)定。己來設(shè)定。我的系統(tǒng)，聽我的！我的系統(tǒng)，聽我的！南京航空航天大學(xué)熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)的定義外界外界：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( (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的作用都通過邊界邊界南京航空航天大學(xué)界面可以是真實的，也可以是虛擬的；可以是固定的，也可是移動的；可以是規(guī)則邊界，也可以不規(guī)則曲面圍成。熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)的定義南京航空航天大學(xué)熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)的定義南京航空航天大學(xué)思思 考考 系統(tǒng)和外界通過邊界會有哪些

6、系統(tǒng)和外界通過邊界會有哪些相互作用？相互作用？南京航空航天大學(xué)熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況開口系統(tǒng)開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，系統(tǒng)被劃定在一定容積范圍內(nèi)，也稱控制容積（control volume )閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量恒定不變，也稱控制質(zhì)量 (Control mass ) 絕熱系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱量交換(adiabatic system )孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量交換，也無物質(zhì)交換 (isolated system)南京航空航天大學(xué)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

7、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 孤立系孤立系熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類南京航空航天大學(xué)閉口系統(tǒng)是指系統(tǒng)本身質(zhì)量不改變的系統(tǒng)。閉口系統(tǒng)是指系統(tǒng)本身質(zhì)量不改變的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)的質(zhì)量一定會發(fā)生改變。開口系統(tǒng)的質(zhì)量一定會發(fā)生改變。孤立系統(tǒng)的質(zhì)量不可能發(fā)生改變。孤立系統(tǒng)的質(zhì)量不可能發(fā)生改變。閉口絕熱系統(tǒng)的溫度不可能改變。閉口絕熱系統(tǒng)的溫度不可能改變。例例 題題南京航空航天大學(xué)簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)最重要的系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)只交換只交換熱量熱量和一

8、種和一種準靜態(tài)的容積變化功準靜態(tài)的容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹功膨脹功南京航空航天大學(xué)1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)南京航空航天大學(xué)工質(zhì)在熱力變化過程中某一瞬間呈現(xiàn)出來的工質(zhì)在熱力變化過程中某一瞬間呈現(xiàn)出來的宏觀物理狀況稱為宏觀物理狀況稱為熱力學(xué)狀態(tài)熱力學(xué)狀態(tài)，簡稱，簡稱狀態(tài)狀態(tài)。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。如溫度、壓力等。熱力學(xué)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) 南京航空航天大學(xué)狀態(tài)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù) 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的全部或一部分發(fā)生變化，即表系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的全部或一部分發(fā)生變化，即表明物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化。物

9、質(zhì)的狀態(tài)變化也必然可明物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化。物質(zhì)的狀態(tài)變化也必然可由參數(shù)的變化標志出來。狀態(tài)參數(shù)一旦確定，工質(zhì)由參數(shù)的變化標志出來。狀態(tài)參數(shù)一旦確定，工質(zhì)的狀態(tài)也完全確定。因而的狀態(tài)也完全確定。因而狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)的單狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)的單值函數(shù)，其值只取決于初終態(tài)，與過程無關(guān)值函數(shù)，其值只取決于初終態(tài)，與過程無關(guān)。 南京航空航天大學(xué)狀態(tài)參數(shù)的特征：1 1、單值性單值性：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 2、狀態(tài)參數(shù)的變化量、狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)狀態(tài)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)南京航空航天大學(xué)狀態(tài)參數(shù)的積分

10、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)。數(shù)學(xué)上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz例：溫度變化山高度變化point function南京航空航天大學(xué)狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè) z =z (x , y)yxzzdzdxdyxy充要條件：22zzx yy x 可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)南京航空航天大學(xué)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：基本狀態(tài)參數(shù)：壓力、溫度、比體積壓力、溫度、比體積不可測參數(shù)：不可測參數(shù)： 熱力學(xué)能、焓、熵等熱力學(xué)能、焓、熵等復(fù)合參數(shù)：復(fù)合參數(shù)： 吉布斯函數(shù)、亥姆霍茲函數(shù)吉布斯函數(shù)、亥姆霍茲函數(shù) 南京航空航天大學(xué)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)強度量強度量：與系統(tǒng)質(zhì)量無關(guān)

11、，如與系統(tǒng)質(zhì)量無關(guān)，如P P、T T。強度。強度量不具有可加性。量不具有可加性。廣延量廣延量：與系統(tǒng)質(zhì)量成正比，如與系統(tǒng)質(zhì)量成正比，如V V、U U、H H、S S。廣延量具有可加性。廣延量的比參數(shù)。廣延量具有可加性。廣延量的比參數(shù)（單位質(zhì)量工質(zhì)的體積、熱力學(xué)能等）具（單位質(zhì)量工質(zhì)的體積、熱力學(xué)能等）具有強度量的性質(zhì)，不具有可加性。有強度量的性質(zhì)，不具有可加性。南京航空航天大學(xué)基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)溫度溫度一般定義一般定義宏觀上：物體冷熱程度的標志宏觀上：物體冷熱程度的標志微觀上：衡量分子平均微觀上：衡量分子平均動能動能的度量的度量熱力學(xué)定義熱力學(xué)定義處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某

12、處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，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一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量就是就是溫度溫度南京航空航天大學(xué)溫度溫度T T 的微觀意義的微觀意義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度 T 0.5 m v 2負的開爾文溫度?T=0 0.5mv 2=0 分子一切運動停止，零點能南京航空航天大學(xué)物理意義物理意義標志物體冷熱程度；其高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運動的強弱熱平衡狀態(tài)的判據(jù)，即溫度相等 熱平衡熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律如果兩個物體中的每一個都如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平分別與第三個物體

13、處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡處于熱平衡 溫度測量的理論依據(jù)溫度測量的理論依據(jù)C基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)溫度溫度南京航空航天大學(xué)為什么叫做熱力學(xué)第為什么叫做熱力學(xué)第零零定律定律熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律 19311931年年 熱力學(xué)第熱力學(xué)第一一定律定律 18401840 18501850年年 熱力學(xué)第熱力學(xué)第二二定律定律 18541854 18551855年年 熱力學(xué)第熱力學(xué)第三三定律定律 19061906年年南京航空航天大學(xué)定義定義：溫標是指溫度的數(shù)值表示法測溫物質(zhì)及其測溫屬性測溫物質(zhì)及其測溫屬性基準點基準點分度方法分度方法溫標三要素溫標三要素：任選一

14、種物質(zhì)的某一測溫屬性，采用以上溫標的任選一種物質(zhì)的某一測溫屬性，采用以上溫標的規(guī)定所得到的溫標稱為規(guī)定所得到的溫標稱為經(jīng)驗溫標經(jīng)驗溫標，經(jīng)驗溫標依賴，經(jīng)驗溫標依賴于測溫物質(zhì)的物理性質(zhì)。熱力學(xué)理論指出可以建于測溫物質(zhì)的物理性質(zhì)。熱力學(xué)理論指出可以建立一種不依賴于測溫物質(zhì)的性質(zhì)的溫標立一種不依賴于測溫物質(zhì)的性質(zhì)的溫標, ,即即熱力熱力學(xué)絕對溫標學(xué)絕對溫標。 溫溫 標標南京航空航天大學(xué) 開爾文在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，從理論上引入的與測溫物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的溫標。它可作為標準溫標，一切經(jīng)驗溫標均可以用此溫標來校正。 符號為T，單位為K(稱“開爾文”)。 規(guī)定水的三相點為基準點，并規(guī)定此點的溫度為273.1

15、6K。William Thomson KELVIN熱力學(xué)絕對溫標（熱力學(xué)溫度或絕對溫度）熱力學(xué)絕對溫標（熱力學(xué)溫度或絕對溫度）南京航空航天大學(xué) 攝攝 氏氏 溫溫 標標 1742年瑞典人攝氏(Anders celsius)提出的。他把一個大氣壓下純水的冰點取為0度，沸點取為100度，中間100等分作為溫標。符號t、單位。1960年國際計量會議給攝氏溫標以新的基準，即由熱力學(xué)絕對溫標來規(guī)定攝氏溫標，稱熱力學(xué)攝氏溫標，把水的三相點定為273.16K，0.01。則0273.15K，t()=T(K)-273.15攝爾修斯 1701-1744 Anders CELSIUS 南京航空航天大學(xué)華氏溫標與攝氏溫

16、標的華氏溫標與攝氏溫標的換算關(guān)系為換算關(guān)系為： t()= 0 = 32 oF 100 = 212oF32)(95FtoF 1724年由德國人華氏（ Daniel Gabriel Fahrenheit ）提出。他把水、冰和氯化銨的混合物作為制冷劑而獲得的當(dāng)時可得到的最低溫度作為0度，把人體的溫度作為96度，中間等分，這樣的數(shù)字是由于當(dāng)時廣泛使用12進位法。符號tF ，單位 F。華倫海特1686-1736Daniel Gabriel Fahrenheit華華 氏氏 溫溫 標標南京航空航天大學(xué)Comparison of temperature scales.Celsius scaleKelvin s

17、caleFahrenheit scaleRankine scale溫溫 度度 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換南京航空航天大學(xué)日常日常：水銀溫度計，酒精溫度計，：水銀溫度計，酒精溫度計， 工業(yè)工業(yè)：熱電偶：熱電偶 熱電阻熱電阻 輻射溫度計輻射溫度計測測 溫溫南京航空航天大學(xué)熱電偶工作原理熱電偶工作原理南京航空航天大學(xué) 壓力P 單位面積上的垂直作用力稱為壓力，它是表征宏觀系統(tǒng)力平衡性質(zhì)的平衡狀態(tài)參數(shù)。AFP 分子運動學(xué)說認為壓力是大量氣體分子撞擊器壁分子運動學(xué)說認為壓力是大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果的平均結(jié)果。基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力南京航空航天大學(xué)國際標準單位：帕斯卡(簡稱帕) 符號：Pa 1Pa=1N/

18、m2標準大氣壓（atm , 也稱物理大氣壓）巴（bar）工程大氣壓（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O) 工程單位：工程單位：壓力的單位壓力的單位南京航空航天大學(xué)各壓力單位之間的換算關(guān)系各壓力單位之間的換算關(guān)系南京航空航天大學(xué)壓壓 力力 p p 測測 量量壓力表中顯示的壓力即為狀態(tài)參數(shù)？注意：只有絕對壓力 p 才是狀態(tài)參數(shù)液柱式彈簧式南京航空航天大學(xué)絕對壓力與相對壓力絕對壓力與相對壓力當(dāng) p pb表壓力 peebppp當(dāng) p 有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。“突然突然”，“緩慢緩慢”南京

19、航空航天大學(xué)建立準平衡過程的好處建立準平衡過程的好處1)1)有確定的狀態(tài)參數(shù)變化描述過程有確定的狀態(tài)參數(shù)變化描述過程2)2)在參數(shù)坐標圖上用一條連續(xù)曲線表示過程在參數(shù)坐標圖上用一條連續(xù)曲線表示過程南京航空航天大學(xué) 系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系系統(tǒng)統(tǒng)與外界外界同時同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留不留下任何痕跡下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡婵赡鎟eversiblereversible過程過程南京航空航天大學(xué) 可逆過程必須是準平衡過程可逆過程必須是準平衡過程，即必須在勢差足夠小、變化足夠慢的條件下進行。這樣，每個中間狀態(tài)都可以看作是平衡狀態(tài)。

20、而且，一旦改變勢差的方向，即可改變過程的方向?？赡孢^程必須滿足的條件可逆過程必須滿足的條件 I I南京航空航天大學(xué) 可逆過程中不存在任何耗散效應(yīng)可逆過程中不存在任何耗散效應(yīng)，如摩擦、擾動、電阻、永久變形等。即可逆過程是無耗散效應(yīng)的準靜態(tài)過程?？赡孢^程必須滿足的條件可逆過程必須滿足的條件IIII南京航空航天大學(xué)可逆過程的實現(xiàn)可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)無耗散效應(yīng) = 可逆過程可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等） 不平衡勢差不可逆根源 耗散效應(yīng) 耗散效應(yīng)南京航空航天大學(xué)常見的不可逆過程常見的不可逆過程不等溫傳熱不等溫傳熱T1T2T1T2

21、Q節(jié)流過程節(jié)流過程 (閥門）p1p2p1p2南京航空航天大學(xué)常見的不可逆過程常見的不可逆過程混合過程混合過程自由膨脹自由膨脹真空南京航空航天大學(xué)引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準靜態(tài)過程是實際過程的理想化理想化過程， 但并非最優(yōu)最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)最優(yōu)過程。 可逆過程的功與熱完全完全可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì) 的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按理想理想情況（可逆過程可逆過程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正修正。南京航空航天大學(xué)可逆過程和準平衡過程的區(qū)別可逆過程和準平衡過程的區(qū)別? ?思思 考考南京航空航天大學(xué)準平衡過程與可逆過程的區(qū)別準平衡過程與可逆過程的區(qū)別準平衡過程只要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而有無外部機械摩擦對系統(tǒng)內(nèi)部平衡無影響，所以準平衡過程可以有耗散效應(yīng)。可逆過程則是分析系統(tǒng)與外界作用的總效果，不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而且要求系統(tǒng)與外界的作用可以無條件逆復(fù)，過程完成時不能存在任何能量上的耗散?？赡孢^程必是準平衡過程，準平衡過程是