工程熱力學(xué)-1-基本概念

王海偉西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院工程熱力學(xué)21-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)31-5功和熱量第1章基本概念1-1熱力系和工質(zhì)1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)4什么是熱力系？被人為地分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)，稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱熱力系或系統(tǒng)。外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)。邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面。5系統(tǒng)、外界和邊界6邊界特性

固定、活動(dòng) 真實(shí)、虛構(gòu)71-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)劃分熱力系舉例8熱力系分類1234mQW1

開(kāi)口系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3+4孤立系9簡(jiǎn)單可壓縮系定義：由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可逆體積變化功的交換的系統(tǒng)。工程熱力學(xué)中最常見(jiàn)、最重要的熱力系統(tǒng)熱能動(dòng)力裝置常用工質(zhì)都是可壓縮流體（水蒸氣、空氣、燃?xì)獾龋幌到y(tǒng)與外界只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的體積變化功（膨脹功和壓縮功）；體積變化功只與工質(zhì)的壓力和體積的變化量有關(guān)；工程熱力學(xué)中討論的大部分系統(tǒng)都是簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)。10熱源定義：熱力系與外界僅有熱量交換，而且有限熱量的交換不引起熱力系溫度變化的系統(tǒng)。高溫?zé)嵩础獰嵩吹蜏責(zé)嵩础湓?1工質(zhì)的舉例火力發(fā)電、核電等水蒸氣太陽(yáng)能、地?zé)岚l(fā)電、制冷設(shè)備等低沸點(diǎn)物質(zhì)：氨、氟里昂內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)夂涂諝?2什么是工質(zhì)？定義：實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)制冷工程中又稱為制冷劑對(duì)工質(zhì)的要求:1）膨脹性2）流動(dòng)性3）熱容量4）穩(wěn)定性，安全性5）對(duì)環(huán)境友善6）價(jià)廉，易大量獲取物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜作為工質(zhì)131-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)14定義狀態(tài)：某一瞬間工質(zhì)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量工程熱力學(xué)中常用狀態(tài)參數(shù)溫度T、壓力p、體積V、熱力學(xué)能U、焓H、熵S強(qiáng)度參數(shù)：與工質(zhì)的數(shù)量無(wú)關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，如p，T廣延參數(shù)：與工質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，如V，U，H，S比參數(shù)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的廣延參數(shù)，具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)。15狀態(tài)參數(shù)的特征基本狀態(tài)參數(shù)：壓力p，比體積v，溫度T狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然狀態(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)。狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分16基本狀態(tài)參數(shù)：溫度熱力學(xué)定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)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為溫度。熱平衡：熱力系相互接觸時(shí)，相互間無(wú)宏觀熱量傳遞，稱它們處于熱平衡狀態(tài)。宏觀：表示物體的冷熱程度。微觀：標(biāo)志物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度，是衡量分子平均動(dòng)能的量度。17熱力學(xué)第零定律如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。1930年由福勒（R.H.Fowler）正式提出溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)18溫度單位開(kāi)氏（絕對(duì)）溫標(biāo)：T(K)攝氏溫標(biāo)：t(℃)華氏溫標(biāo)：t(F)溫標(biāo)換算關(guān)系19基本狀態(tài)參數(shù)：壓力單位面積上承受的垂直作用力物理中壓強(qiáng)，單位Pa，N/m2常用單位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105

Pa（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa（工程大氣壓）20絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力絕對(duì)壓力p真實(shí)壓力相對(duì)壓力絕對(duì)壓力p與環(huán)境壓力（大氣壓力）pb之差是否高于環(huán)境壓力：

p>pb,表壓力pg(GagePressure)，p=pg+pbp<pb,真空度pv(VacuumPressure)，p=pb-pv注意：只有絕對(duì)壓力p才是狀態(tài)參數(shù)21p>pb表壓力

pgp<pb真空度

pvpbpgpvp相對(duì)壓力：表壓力與真空度p22環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境的壓力。大氣壓力指當(dāng)?shù)卮髿獾膲毫Νh(huán)境壓力一般為大氣壓，但不絕對(duì)大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化在計(jì)算時(shí)絕對(duì)壓力時(shí)要看清楚環(huán)境壓力是否為大氣壓力。23溫度和壓力都是強(qiáng)度量壓力的變化速度快，以音速傳播溫度的變化慢，隨著熱量的傳遞而改變壓力的改變具有即時(shí)性溫度的改變具有滯后性24基本狀態(tài)參數(shù)：比體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積，v（m3/kg）表征工質(zhì)聚集的疏密程度物理中常用的是密度，ρ（kg/m3）在熱力學(xué)中使用比體積更方便251-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)26平衡狀態(tài)定義：在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。引起不平衡的因素：溫差—

存在熱不平衡壓差—

存在力不平衡相變—

存在相不平衡化學(xué)反應(yīng)—

存在化學(xué)不平衡平衡的本質(zhì)：不存在任何不平衡作用達(dá)到熱平衡、力平衡、相平衡、化學(xué)平衡27平衡狀態(tài)特點(diǎn)有確定的狀態(tài)參數(shù)，能夠在坐標(biāo)圖上用一點(diǎn)表示（如T、p、v等）。非平衡狀態(tài)能夠自發(fā)地趨于平衡狀態(tài)（熱二律，熵增原理使之趨于平衡狀態(tài)）。例：氣體混合平衡狀態(tài)是靜態(tài)，沒(méi)有能量交換，那么如何描述非平衡狀態(tài)？平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換28平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化。（銅棒）穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差，若去掉外界影響，則狀態(tài)變化（去掉熱源、冷源）。平衡一定穩(wěn)定，穩(wěn)定不一定平衡。29狀態(tài)方程平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)。狀態(tài)公理：對(duì)組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)數(shù)目N=n+1想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)數(shù)目N=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n:體積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等30簡(jiǎn)單可壓縮系狀態(tài)方程簡(jiǎn)單可壓縮系（僅體積變化功）：N=1+1=2狀態(tài)方程：描述基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系的方程，具體形式取決于工質(zhì)的形式，如理想氣體、實(shí)際氣體。31狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖簡(jiǎn)單可壓縮系N=2，是平面坐標(biāo)圖。pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上。2）過(guò)程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)。3）非平衡態(tài)無(wú)法在圖上用實(shí)線表示。21321-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)33如何描述非平衡過(guò)程平衡狀態(tài)能量交換狀態(tài)變化破壞平衡非平衡狀態(tài)如何描述熱力系從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過(guò)程。平衡、靜態(tài)與過(guò)程是矛盾的，熱力學(xué)引入準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過(guò)程的概念。系統(tǒng)經(jīng)歷的一系列中間狀態(tài)都無(wú)限接近于平衡狀態(tài)的熱力過(guò)程稱為準(zhǔn)平衡過(guò)程。34一般過(guò)程p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T0突然加上重物最終p2

=p0+重物T2

=T0pv2.1.p2，T235準(zhǔn)平衡過(guò)程假如重物有無(wú)限多層每次只加上無(wú)限薄一層pv2.1.系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T036準(zhǔn)平衡過(guò)程有實(shí)際意義嗎？疑問(wèn)：理論上準(zhǔn)平衡過(guò)程應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？既是平衡，又是變化；既可用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。37準(zhǔn)平衡過(guò)程的工程條件例：活塞式內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞平均運(yùn)動(dòng)速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）340m/s破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）>>恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)平衡過(guò)程38

系統(tǒng)經(jīng)歷某一熱力過(guò)程后，再沿原路徑逆向進(jìn)行時(shí)，能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何改變，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。注意

可逆過(guò)程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程?？赡孢^(guò)程39準(zhǔn)平衡過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，磁阻，非彈性變性等）

不平衡勢(shì)差

不可逆根源耗散效應(yīng)耗散效應(yīng)可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn)40關(guān)于可逆過(guò)程可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)平衡過(guò)程，同時(shí)過(guò)程中不存在任何耗散效應(yīng)；可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上的連續(xù)實(shí)線表示；實(shí)際過(guò)程都是不可逆的，可逆過(guò)程是不引起任何熱力學(xué)損失的理想過(guò)程。對(duì)于實(shí)際過(guò)程應(yīng)盡量減少不可逆因素，使其盡可能接近可逆過(guò)程；可逆過(guò)程完全理想化，對(duì)于工程熱力學(xué)的研究范圍內(nèi)用可逆過(guò)程的概念，而準(zhǔn)平衡過(guò)程很少用。411-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)42功的定義力學(xué)定義:力乘以在力方向上的位移。熱力學(xué)定義：功是熱力系統(tǒng)通過(guò)邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。功的單位：J、kJ；功率的單位：W、kW。規(guī)定系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)。43功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見(jiàn)的功體積變化功

其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等。功的表達(dá)式44壓容圖或示功圖（p-V圖）m

kg工質(zhì)：1

kg工質(zhì)：45可逆過(guò)程體積變化功的說(shuō)明可在p-V圖（壓容圖或示功圖）上用面積表示；功是過(guò)程量，功的大小與路徑有關(guān)；體積變化功包括膨脹功和壓縮功；dV>0膨脹對(duì)外作功（正）

dV<0壓縮外內(nèi)作功（負(fù)）適用于可逆過(guò)程下的任何工質(zhì)（理想氣體、水蒸氣等）；工程熱力學(xué)中的功多指體積變化功。46熱量定義：熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過(guò)邊界傳遞的能量。熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動(dòng)下，以微觀粒子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)的方式傳遞的能量。國(guó)際單位：J，kJ，和功的單位相同。非法定單位：cal，kcal。熱功當(dāng)量：1cal=4.1868J。規(guī)定系統(tǒng)吸熱取為正，系統(tǒng)放熱取為負(fù)。47熱量如何表達(dá)？熱量是否可以用類似于功的形式表示？引入“熵”W=pdV48熵的定義Reversible:可逆的熵的簡(jiǎn)單引入比熵[J/(kg·K)]ds：可逆過(guò)程

除以傳熱時(shí)的T所得的商。廣延量[J/K]49熵的說(shuō)明熵是狀態(tài)參數(shù)符號(hào)規(guī)定系統(tǒng)吸熱時(shí)為正Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)Q<0dS<0熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過(guò)程傳熱的大小與方向。用途判斷熱量方向計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量50溫熵圖或示熱圖（T-s圖）511-5功和熱量第1章基本概念1-2狀態(tài)參數(shù)1-3平衡狀態(tài)1-4熱力過(guò)程1-6熱力循環(huán)1-1熱力系和工質(zhì)52熱力循環(huán)定義：工質(zhì)從某一初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列中間過(guò)程又回到初始狀態(tài)，稱工質(zhì)經(jīng)歷了一個(gè)熱力循環(huán)。要實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的連續(xù)作功，必須構(gòu)成熱力循環(huán)。特點(diǎn)：狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上為一閉合曲線。分類：可逆循環(huán)和不可逆循環(huán)?？赡嫜h(huán)：全部由可逆過(guò)程組成的循環(huán)。不可逆循環(huán)：循環(huán)中有部分過(guò)程或全部過(guò)程是不可逆的循環(huán)。根據(jù)循環(huán)目的不同，