工程熱力學(xué)第1章

第一章

基本概念熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過程主要概念:熱能動力裝置工質(zhì)熱源冷源動力裝置工作過程熱能動力裝置

從燃料燃燒中得到熱能，以及利用熱能得到動力的整套設(shè)備(包括輔助設(shè)備)熱能動力裝置蒸汽動力裝置燃?xì)鈩恿ρb置汽油機(jī)柴油機(jī)噴油嘴二沖程汽油機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)鍋爐過熱器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)冷凝器泵熱能動力裝置的共性經(jīng)歷相同的過程:吸熱,膨脹作功,排熱工質(zhì)

實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)熱源

工質(zhì)從中吸取熱能的物系冷源

接受工質(zhì)排出熱能的物系工作過程工質(zhì)自高溫?zé)嵩次鼰?將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而作功,并把余下部分傳給低溫?zé)嵩礋崃ο到y(tǒng)主要概念:熱力系統(tǒng)邊界熱力系統(tǒng)的分類簡單可壓縮系熱力系統(tǒng)具體制定的,用界面分離出來的,作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)邊界系統(tǒng)與外界之間的分界面邊界可以是實(shí)際的也可以是假想的,可以是固定不變的,也可以是有位移和變形的

Boundary

SurroundingsSystem

熱量功熱力系統(tǒng)分類按熱力系與外界的相互關(guān)系:閉口系(控制質(zhì)量)

系統(tǒng)與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換開口系(控制容積)

系統(tǒng)與外界有能量和物質(zhì)交換返回絕熱系統(tǒng)系統(tǒng)與外界無熱量交換孤立系統(tǒng)系統(tǒng)與外界無能量和物質(zhì)交換思考:系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎?開口系一定不可能是絕熱系?

按內(nèi)部狀況不同分類:單元系只包含有一種化學(xué)成分物質(zhì)的熱力系多元系包含有兩種以上化學(xué)成分物質(zhì)的熱力系均勻系內(nèi)部具有相同的化學(xué)成分和物理性質(zhì)非均勻系內(nèi)部具有不同的化學(xué)成分和物理性質(zhì)可壓縮系統(tǒng)

由可壓縮流體構(gòu)成的熱力系統(tǒng)(水蒸汽,燃?xì)?空氣等)簡單可壓縮系統(tǒng)

可壓縮系統(tǒng)與外界只有體積變化功(膨脹功,壓縮功)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)主要概念:狀態(tài)平衡狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的特征基本狀態(tài)參數(shù)廣延量強(qiáng)度量狀態(tài)某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)描述工質(zhì)狀態(tài)的宏觀物理量

壓力、溫度、體積、熱力學(xué)能、焓、熵狀態(tài)參數(shù)的特征狀態(tài)確定,狀態(tài)參數(shù)也確定,反之亦然狀態(tài)參數(shù)為單值函數(shù),與狀態(tài)有關(guān),與達(dá)到這一狀態(tài)的過程無關(guān)狀態(tài)參數(shù)是點(diǎn)函數(shù):廣延量

狀態(tài)參數(shù)與系統(tǒng)質(zhì)量成正比,具有可加性,對于任意給定的平衡及非平衡系,其都有確定值(體積、熱力學(xué)能、焓、熵)強(qiáng)度量

狀態(tài)參數(shù)與系統(tǒng)質(zhì)量無關(guān),不具有可加性,對于平衡狀態(tài)才有確定的數(shù)值,在非平衡狀態(tài)下一般沒有具體值(壓力、溫度)以及(廣延量的比參數(shù))一、溫度

標(biāo)志物體冷熱程度的物理量,其數(shù)值稱為溫標(biāo),其是用來判斷一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)是否處于熱平衡的狀態(tài)參數(shù)分類攝氏溫標(biāo):用t表示，單位為℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)為0℃,汽點(diǎn)為100℃熱力學(xué)溫標(biāo)：用Ｔ表示，單位為Ｋ

以水的汽、液、固三相共存的狀態(tài)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),其溫度為273.16K,即0.01℃兩者之間的關(guān)系：

二、壓力

單位面積上所承受的垂直作用力，以p表示.是表征熱力系力平衡性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)

絕對壓力⑴表壓力

當(dāng)氣體絕對壓力高于大氣壓力時，壓力計(jì)顯示的絕對壓力超過大氣壓力的部分

⑵真空度

當(dāng)氣體絕對壓力低于大氣壓力時，真空計(jì)顯示的絕對壓力低于大氣壓力的部分

如果大氣壓力發(fā)生變化，即使工質(zhì)的絕對壓力不變，測壓計(jì)的讀數(shù)也會變，所以只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)工程計(jì)算中，必須選取絕對壓力壓力單位：國際單位為Ｐa，

1Pa=1N/m21MPa=106Pa

pbpeppvp習(xí)題:測得容器內(nèi)氣體的表壓力為0.25MPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?55mmHg，求容器內(nèi)氣體的絕對壓力,并分別用:(1)MPa,(2)bar,(3)atm,(4)at表示

三、比體積

單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積

密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量

m3/kgkg/m3平衡狀態(tài)主要概念:平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)的特性狀態(tài)方程參數(shù)坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)定義:在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的宏觀性質(zhì)（狀態(tài)）不隨時間而改變的狀態(tài)，或者，一個熱力學(xué)系統(tǒng)如果沒有引起狀態(tài)變化的非平衡趨勢，那么這個系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)之中

條件:同時滿足各類平衡或各種不平衡勢差全部消失各類平衡：熱平衡，力平衡，化學(xué)平衡等非平衡趨勢：溫差，壓差，化學(xué)位能等平衡狀態(tài)的特性各狀態(tài)參數(shù)都不隨時間而變只有平衡狀態(tài)下才可以用確定的狀態(tài)參數(shù)來描述工質(zhì)的狀態(tài)特性無新的外界作用,將一直停留在這個狀態(tài),無時間上的限制微觀方面并不平衡，氣體在熱動平衡時，氣體分子總是在連續(xù)不斷的作無秩序的運(yùn)動平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系穩(wěn)定狀態(tài)是指熱力系的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化,但有可能有外界作用處于穩(wěn)定狀態(tài)并不一定是平衡狀態(tài)處于平衡狀態(tài)一定是穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)別:是否存在外界作用兩者的結(jié)合穩(wěn)定平衡熱力系經(jīng)任何擾動后，都能回到原來狀態(tài)亞穩(wěn)定平衡熱力系經(jīng)微量擾動后,仍能回到原來狀態(tài)不穩(wěn)平衡熱力系原來是平衡的,但只要存在某種擾動就能使系統(tǒng)發(fā)生大變化,它與穩(wěn)定平衡的區(qū)別是,系統(tǒng)一離開平衡狀態(tài)就不再恢復(fù)到原始狀態(tài),而是轉(zhuǎn)移到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)的關(guān)系平衡相對時間而言的，均勻是相對于空間而言的對氣相或液相系統(tǒng)等單相系統(tǒng)，達(dá)到平衡時系統(tǒng)也是均勻的對于復(fù)相系，當(dāng)處于相平衡時，雖然系統(tǒng)內(nèi)部各處壓力,溫度是均勻的，但各相的比體積或密度卻相差很大，因此，整個系統(tǒng)并不一定是均勻的問：熱力系處于均勻狀態(tài)時一定是平衡態(tài)嗎？注1：在本門課中，把平衡狀態(tài)下單相系一律當(dāng)作均勻的注2:工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)幾種狀態(tài)的關(guān)系平衡態(tài)一定是穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定態(tài)不一定是平衡態(tài)平衡態(tài)不一定是均勻態(tài)均勻態(tài)不一定是平衡態(tài)

狀態(tài)方程

處于平衡狀態(tài)的簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數(shù)，且這些參數(shù)服從一定的關(guān)系式

那么對于一個具體的系統(tǒng)需要多少個獨(dú)立變動的特性才可以確定其狀態(tài)呢？

自由度:一個熱力系的獨(dú)立自變量個數(shù)

自由度的計(jì)算:熱力學(xué)特性個數(shù)-約束方程個數(shù)例：某系統(tǒng)有特性：p,v,T,m,ρ,Ke(介電常數(shù)），約束方程：m=constantρ=m/vV=v(m,p,T)Ke=Ke(p,T)求該系統(tǒng)的熱力學(xué)自由度？狀態(tài)公理：確定一個系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需要的獨(dú)立變量的數(shù)目等于可能存在的可逆功方式的數(shù)目加一．簡單可壓縮熱力系平衡狀態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)只有兩個參數(shù)坐標(biāo)圖

由于兩個參數(shù)可以完全確定簡單可壓縮系的平衡狀態(tài)，所以由任意兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標(biāo)圖上的任意一點(diǎn)，都相應(yīng)于熱力系的某一平衡狀態(tài)，同樣，熱力系每一平衡狀態(tài)總可在這樣的坐標(biāo)圖上用一點(diǎn)來表示．

定義：用任意兩個獨(dú)立的參數(shù)組成的一個平面直角坐標(biāo)圖pv0p1p2v1v212此圖為p-v圖，稱為壓容圖只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)參數(shù)圖上的一點(diǎn)來表示Ts0T1T2s1s212此圖為T-s圖，稱為溫熵圖圖上的每一點(diǎn)表示一個平衡狀態(tài)熱力過程熱力過程工質(zhì)從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和,即熱力學(xué)狀態(tài)連續(xù)的變化分類：(1)經(jīng)歷的狀態(tài)：平衡過程，非平衡過程(2)作用的效果：可逆過程，不可逆過程(3)過程的途徑：定壓過程，定溫過程等準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）工質(zhì)從一個平衡狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài),是由一系列無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的熱力過程

條件：推動過程進(jìn)行的勢差無限小

壓力差下溫差下

特點(diǎn)：由于熱力系經(jīng)歷的過程中每一狀態(tài)均可近似稱為平衡態(tài)，因而準(zhǔn)平衡過程可在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖中用連續(xù)曲線表示，稱過程曲線．

注：準(zhǔn)平衡過程是一種理想化的過程，是實(shí)際過程進(jìn)行得足夠緩慢的極限情況，一切實(shí)際過程只能接近于準(zhǔn)平衡過程，在工程實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行的過程常?？勺鳛闇?zhǔn)平衡過程

可逆過程

當(dāng)工質(zhì)完成某一熱力過程之后，若能沿原來路徑逆向進(jìn)行，能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡．反之，為不可逆過程．

條件：過程必須是準(zhǔn)平衡過程沒有任何耗散效應(yīng)可逆過程必定是準(zhǔn)平衡過程準(zhǔn)平衡過程不一定是可逆過程可逆過程的充分必要條件是在準(zhǔn)平衡過程的基礎(chǔ)上無耗散或不可逆因素準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的關(guān)系兩者的區(qū)別準(zhǔn)平衡過程工質(zhì)的內(nèi)部平衡，過程進(jìn)行時可能有能量耗散可逆過程工質(zhì)與外界所產(chǎn)生的總效果，工質(zhì)內(nèi)部要求平衡，同時過程進(jìn)行時不存在任何能量耗散不可逆因素內(nèi)不可逆：熱力系內(nèi)部存在不可逆因素（非平衡態(tài)）外不可逆：外部存在不可逆因素（熱力系與外界之間的摩擦或溫差傳熱等）只有熱力系內(nèi)部，外部都不存在不可逆因素時，過程才是可逆過程提出可逆過程的意義可逆過程不產(chǎn)生任何能量損失,理論上熱功轉(zhuǎn)換效率最大，可作為實(shí)際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)和努力的方向不可逆因素太復(fù)雜,不容易直接去研究,可逆過程比較簡單,有助于理論上的分析研究在很多情況下,實(shí)際過程與可逆過程偏差不大,可以先按可逆過程處理,在根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正.功、熱量功的熱力學(xué)定義可逆過程的功的計(jì)算過程熱量功的熱力學(xué)定義在物理學(xué)中，把物體通過力的作用而傳遞的能量稱為功，功等于力Ｆ和物體在力的作用方向上的位移△x乘積熱力學(xué)定義：熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物功的符號和單位：用符號W表示，單位J或kJ，單位物質(zhì)所做的體積變化功用w表示，單位J/kg或kJ/kg功率可逆過程的體積功Ｗ的大小可以在p-v圖上用過程曲線下面的面積表示，如圖所示．單位質(zhì)量氣體的膨脹功為：功的大小不僅與過程的初、終狀態(tài)有關(guān)，還與工質(zhì)所經(jīng)歷的過程有關(guān)，所以說功不是狀態(tài)參數(shù)，只是一個過程量可逆過程的功體積變化功

可壓縮系統(tǒng)通過體積的變化（膨脹或壓縮）來和外界交換的功量，它只與氣體的壓力和體積的變化量有關(guān)，同形狀無關(guān)規(guī)定功是傳遞過程中的一種能量形式.它是伴隨著相互作用而產(chǎn)生的，不是系統(tǒng)所含有的能量，所以我們不能說一個系統(tǒng)具有多少功

習(xí)題某種氣體工質(zhì)從狀態(tài)１可逆膨脹到狀態(tài)２，膨脹過程中(a)工質(zhì)的壓力服從p=a-bV，其中a,b為常數(shù)，(b)工質(zhì)的pV恒定為p1V1．分別求兩過程中氣體的膨脹功．

習(xí)題某氣缸中氣體由0.1m3膨脹到0.2m3，膨脹過程中氣體的壓力和體積的關(guān)系為，其中壓力的單位為MPa，體積的單位為m3。試求：⑴氣體所做的功；⑵當(dāng)活塞和氣缸間的摩擦力為1000N，而活塞面積為0.2m2時，求減去摩擦消耗的功后，活塞輸出的功和有用功。已知環(huán)境壓力為0.1MPa。

過程熱量

在熱力學(xué)中，熱量為熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量

熱量的符號和單位：用符號Ｑ表示，單位J或kJ，１kg工質(zhì)與外界交換的熱量用q表示，單位J/kg或kJ/kg

規(guī)定：系統(tǒng)吸熱熱量為正系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)熱量的計(jì)算

Tsq１２dss1s20對于可逆過程功與熱量的共性都是能量傳遞的度量，是過程量，只有在能量傳遞過程中才有功和熱量，都不是狀態(tài)參數(shù)功與熱量的不同功是有規(guī)則的宏觀運(yùn)動能量的傳遞，在作功過程中往往伴隨有能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化，熱量則是大量微觀粒子雜亂熱運(yùn)動的能量的傳遞，傳熱過程中不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化

功與熱量的比較性質(zhì)：都是過程量標(biāo)志：

功，dV＞０，熱力系對外作功，＝０不作功，＜０，外界對熱力系作功

熱量，dS＞０，熱力系吸熱，＝０絕熱，＜０熱力系放熱計(jì)算公