動力熱力學(xué)第01章基本概念

1、第一章 基本概念基本概念（Basic concepts and definitions）1-1 熱能動力裝置（Thermal Power Plant）定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設(shè)備。分類 燃?xì)鈩恿ρb置combustion gas power plant蒸汽動力裝置steam power plant 內(nèi)燃機 gas turbineinternal combustion engine jet power plant 燃?xì)廨啓C噴氣動力裝置返回下一頁繼續(xù)蒸汽動力裝置（流程圖）鍋爐過熱器汽輪機發(fā)電機冷凝器泵返回繼續(xù)下一頁共同本質(zhì)：都是通過媒介物的： 1-2 工質(zhì)、熱源及熱力系統(tǒng)定

2、義:實現(xiàn)熱能和機械能互相轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對工質(zhì)的要求： 膨脹性 流動性 熱容量 穩(wěn)定性、安全性 環(huán)保性能 價格 物質(zhì)三態(tài)中氣體最合適1. 工質(zhì)（working substance; working medium ）吸熱膨脹做功排熱來完成從燃料燃燒產(chǎn)生的熱能向機械能的轉(zhuǎn)化。2.熱源（heat source；heat reservoir）定義：工質(zhì)從中吸取或向之排放熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。熱源 溫度高低溫度變化 高溫?zé)嵩矗嵩?heat source）低溫?zé)嵩矗ɡ湓磆eat sink）恒溫?zé)嵩矗╟onstant heat reservoir） 變溫?zé)嵩矗╲ariational heat reservoir

3、）3.熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）和 外界及邊界 系統(tǒng)（thermodynamic system or system）人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì)；外界（surrounding ）與體系發(fā)生能量和物質(zhì)交換的物質(zhì)；邊界（boundary）系統(tǒng)與外界的分界線（面）；System Boundary Surroundings 三者之間的關(guān)系：汽缸汽缸-活塞裝置（閉口系例）活塞裝置（閉口系例） 汽缸汽缸-活塞系統(tǒng)活塞系統(tǒng) 汽車發(fā)動機（開口系示例）汽車發(fā)動機（開口系示例） 注意： 系統(tǒng)與外界設(shè)定的人為性； 外界與環(huán)境介質(zhì)； 邊界可以是： 剛性的或可變形的； 固定的或可移動的； 真實存在的或

4、虛擬的。熱力系統(tǒng)分類（1） 按組元數(shù)： 單元系one component system; pure system 多元系multicomponent system 按相數(shù)： 單相系homogeneous system 多相系heterogeneous system熱力系統(tǒng)分類（2） 按系統(tǒng)與外界有無質(zhì)量交換分為： 開口系（open system）控制體積（CV） 通過邊界與外界有物質(zhì)交換； 閉口系（close system）控制質(zhì)量（CM） 沒有物質(zhì)交換。 絕熱系adiabatic system 與外界無熱量交換； 孤立系isolated system 與外界既無能量交換也無物質(zhì)交換； 簡單可

5、壓縮系simple compressible system 由可壓縮流體組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界可 逆功的交換只有體積變化功一種形式的系統(tǒng)。注意：1) 閉口系與質(zhì)量不變系的區(qū)別； 2) 開口系與絕熱系的關(guān)系； 3) 孤立系與絕熱系的關(guān)系。常見的熱力常系統(tǒng)1-3 工質(zhì)的熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)數(shù) 熱力學(xué)狀態(tài) state of thermodynamic system 某一瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況 狀態(tài)參數(shù) state of properties 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量 a) .狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，反映了大量粒子運動的宏觀平均效果，只有平衡態(tài)才有統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)。常用的狀參有：p, T，等，其中，

6、稱為基本狀態(tài)參數(shù)。）狀態(tài)參數(shù)的特性：狀態(tài)的單值函數(shù)物理上：與過程無關(guān)數(shù)學(xué)上：其微分是全微分abcadcdxdx, 0dxc)狀態(tài)參數(shù)的分類： 廣延量與系統(tǒng)質(zhì)量多少有關(guān)extensive properties 強度量與系統(tǒng)質(zhì)量多少無關(guān)intensive properties 注：廣延量的比參數(shù)又具有強度量的性質(zhì)。比如： 任意兩個系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是：所有狀參一一對應(yīng)相等。 兩個簡單可壓縮系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是：兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)分別對應(yīng)相等。mV一、溫度（temperature）溫度：物體的冷熱程度熱平衡：冷熱程度相同時，兩物體達(dá)到熱平衡熱力學(xué)第零定律熱平衡定律（the zeroth la

7、w of thermodynamics） 如果A 與 B，A與C熱平衡，則B與C熱平衡測量溫度的依據(jù) 溫標(biāo)（temperature scale）溫度的表示方法 溫標(biāo)的組成：1.基準(zhǔn)點，2.刻度 華氏溫標(biāo)基準(zhǔn)點：1atm水冰點規(guī)定為 32 F 1atm水汽點規(guī)定為 212 F 刻度：基準(zhǔn)點間1/180 熱力學(xué)溫標(biāo)基準(zhǔn)點：水的三相點規(guī)定為273.16K 刻度：基準(zhǔn)點溫度的1/273.16攝氏溫標(biāo)：基準(zhǔn)點：1atm水冰點規(guī)定為01atm水汽點規(guī)定為 100 刻度：基準(zhǔn)點間1/100熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo)（thermodynamics scale; Klvin absolute temperatur

8、e scale and Celsius temperature scale ） T=t+273.15 K華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)的關(guān)系 32) c( t)F( t32)F( t ) c( t5995。，67.459)F( t)R(T。經(jīng)驗溫標(biāo)：與測溫物質(zhì)的特性有關(guān)。二、壓力（pressure） 壓力：即物理上的壓強。單位 單位換算，一定要注意：見表1-1（P15） 壓力的測量： 1.當(dāng)被測系統(tǒng)壓力高于外界壓力時，使用壓力表測量壓力，側(cè)得的結(jié)果叫表壓力，其值是系統(tǒng)壓力與外界壓力的差。 2.當(dāng)被測系統(tǒng)壓力低于外界壓力時，使用真空計測量，測得的結(jié)果叫真空度，其值是外界壓力與系統(tǒng)壓力

9、之差。 3.大氣壓力的測量用大氣壓力計，測出的是大氣的絕對壓力。)Pa(N/m2絕對壓力 absolute pressure表壓力 gauge pressure; manometer pressure 真空度 vacuum pressure當(dāng)?shù)卮髿鈮?local atmospheric pressure)p(pgevpbp)pp(pppbvb)pp(pppbbepmVVm示例圖三、比容（specific volume）比容：單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積密度(density)；單位體積物質(zhì)的質(zhì)量1v 兩者的關(guān)系：可見，二者相關(guān)，不互相獨立。注：獨立的狀態(tài)參數(shù)，彼此不相關(guān)(可獨立變化),如p，T。作業(yè)：

10、四版1-3，9 三版1-3，8；1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖定義：如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的 狀態(tài)能夠始終保持不變，則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。一、平衡狀態(tài)(thermodynamic equilibrium state)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件：系統(tǒng)與外界之間，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間同時達(dá)到熱和力的平衡(相平衡、化學(xué)平衡等)。熱平衡(thermal equilibrium) 溫差為零力平衡(mechanical equilibrium) 和力均為零。基本狀態(tài)參數(shù)p，v，T之間的關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。T=T (p, v), p=p (T, v), v

11、=v (p, T)隱含數(shù)的形式：F=F (p, v, T)三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖簡單可壓縮系只有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，故可以在平面上以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)軸畫坐標(biāo)圖，如：pvpTTshTph坐標(biāo)圖上的點與系統(tǒng)的平衡狀態(tài)一一對應(yīng)。非平衡態(tài)不能用點在坐標(biāo)圖上表示。因無確定的狀態(tài)參數(shù)。二、狀態(tài)方程式1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程熱力過程：工質(zhì)狀態(tài)變化一、準(zhǔn)平衡過程(quasi-static process; quasi-equilibrium)例例. 放氣：對比右側(cè)：水波向左傳播打開關(guān)閥時：平衡打開閥：a)平衡破壞，狀態(tài)變化，壓力波如水波向左傳播(假定界面內(nèi)外有壓差)，過程中，系統(tǒng)內(nèi)部不均勻，無統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)。b

12、)如果閥開度極小，比如幾個分子地向外放，過 程極緩慢，系統(tǒng)內(nèi)部不均勻幾乎不存在，短時 間內(nèi)可以看作平衡狀態(tài)。 準(zhǔn)平衡過程定義：若過程進(jìn)行得相對緩慢，工質(zhì)有足夠的時間來恢復(fù)平衡，隨時都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，則這樣的過程叫準(zhǔn)平衡過程。特點：相對弛豫時間來說，準(zhǔn)平衡過程是進(jìn)行得無限緩慢的過程，偏離平衡態(tài)無窮小，隨時都能恢復(fù)到平衡狀態(tài)，準(zhǔn)平衡過程又叫準(zhǔn)靜態(tài)過程。進(jìn)行條件：不平衡勢p，T無窮??；過程進(jìn)行得無限緩慢；工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力。準(zhǔn)靜態(tài)過程可以在狀態(tài)圖上用連續(xù)實線表示。二、可逆過程和不可逆過程可逆過程(reversible process)定義：過程能經(jīng)原路徑逆行，使系統(tǒng)回復(fù)到原來狀態(tài)；相關(guān)的外界

13、也回復(fù)到原來的狀態(tài)而不留下任何改變。可逆過程的判斷 摩擦使過程不可逆 壓力差使過程不可逆 溫差使過程不可逆準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的關(guān)系可逆過程準(zhǔn)平衡過程；反之，準(zhǔn)平衡過程可逆過程。？準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的關(guān)系(自己研究，鍛煉一下邏輯思維)可逆過程準(zhǔn)平衡過程；反之，準(zhǔn)平衡過程可逆過程。？不平衡過程不可逆過程；不平衡過程。不可逆過程？原命題成立，逆命題不一定成立，逆否命題一定成立1-6 過程功和熱量)(extp折合壓力xdVpAdxpFdxWextext一、功的熱力學(xué)定義p功的定義：對微元過程(狀態(tài)發(fā)生微小變化)Wextp式中：叫微元功；叫折合壓力，是考慮外界得到的效果。當(dāng)狀態(tài)有限變化時，過程功為：

14、dVpWW21ext2121這里：1 初始狀態(tài)，2終了狀態(tài)功的單位：焦(J); 功率的單位：瓦(W)。工程中常用的單位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。二、可逆功當(dāng)過程為可逆過程時， ppext2121pdVW212112nm1pdVW面積，故可見：可逆過程的功，可由過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化來進(jìn)行計算。示功圖如右：則有，可逆過程功可用示功圖上過程線下的面積表示。0dV 0dV 0dV dV0,W 0,W 0,W 功是過程量。某一狀態(tài)時沒有功的概念。(無 )功的“正”與“負(fù)”的意義：膨脹，壓縮，定容，系統(tǒng)對外界作功，如1-2；系統(tǒng)不作功，如1-4；外界對系統(tǒng)作功，如1-3。三、廣義功 (不要求)四、過程熱量熱量(heat)：系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。單位：焦耳(J)。正負(fù)：系統(tǒng)吸熱為“正”，放熱為“負(fù)”。21d(dQT SQT S可逆過程）計算式及其在T-S圖上的表示：所以，熱是過程量。1-7熱力循環(huán) 一、循環(huán) (thermodynamic cycle)定義：系統(tǒng)經(jīng)一定的過程之后，又回到原來的狀態(tài)。特性：系統(tǒng)一切狀態(tài)參數(shù)復(fù)原?？赡嫜h(huán)(reversible cycle)：全部由可逆過程組成的循環(huán)；不可逆循環(huán)(irreversible cycle)：其中有部