熱力學(xué)基本概念1-狀態(tài)參數(shù)、熱力學(xué)溫標(biāo)

工程熱力學(xué)

Engineering

Thermodynamics主講教師介紹安青松

天津大學(xué)熱能工程系

天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

中低溫發(fā)電技術(shù)主要研究方向環(huán)保工質(zhì)

納米流體技術(shù)主講教師介紹Address：金工樓510Tel：27407617-mail:

an1715@助教介紹Name:劉良旭博士生Address：金工樓510Tel：27407617-mail:

liuliangxu@126.com課程公郵：eng_thermodymics@163.com緒論工程熱力學(xué)是重要的技術(shù)基礎(chǔ)課工程熱力學(xué)

是一門(mén)研究熱能有效利用及

熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱能電能機(jī)械能風(fēng)能水能化學(xué)能核能地?zé)崮芴?yáng)能一次能源(天然存在)二次能源光電轉(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵?chē)水輪機(jī)風(fēng)車(chē)熱機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)換直接利用利用生物質(zhì)

風(fēng)力發(fā)電WindenergyWindmill

水力發(fā)電Waterpower火電廠(chǎng)SteamPowerStation鍋爐Boiler車(chē)Vehicle火車(chē)Train船Ship飛機(jī)Airplane梟龍航天哥倫比亞號(hào)長(zhǎng)征系列神九俄聯(lián)盟燃料電池秦山核電站Nuclearpowerstation大亞灣核電站Nuclearpowerstation核潛艇Nuke

地?zé)酖eothermal新西蘭云南騰沖西藏羊八井北京

太陽(yáng)能熱利用

太陽(yáng)能光電Solarcell

COH2氣體燃料汽、煤、柴油醇、醚生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)換制備清潔燃料示意圖定向轉(zhuǎn)換

生物質(zhì)

燃燒

biomassFutureEnergytoLow-CarbonTowninChinaNew

Energy

TechnologiesRenewableenergyConventionalEnergycleanFutureenergy工程熱力學(xué)與節(jié)能工程熱力學(xué)

是一門(mén)研究熱能有效利用及

熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)(1)中國(guó)能源資源缺乏(2)中國(guó)能源利用效率低下(3)能源環(huán)境問(wèn)題突出

熱力學(xué)的分類(lèi)工程熱力學(xué)：熱能與機(jī)械能物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué)熱力學(xué)能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系

熱能電能機(jī)械能風(fēng)能水能化學(xué)能核能地?zé)崮芴?yáng)能光電轉(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵?chē)水輪機(jī)風(fēng)車(chē)熱機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)換供暖生物質(zhì)

熱機(jī)種類(lèi)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）25-35%航空發(fā)動(dòng)機(jī)

20-30%

輪船發(fā)動(dòng)機(jī)25-35%發(fā)電（火力、核能）40-50%

制冷空調(diào)(非熱機(jī)，同理）

>200%

能量利用率heatengineEnergyefficiency內(nèi)燃機(jī)裝置空氣、油廢氣吸氣壓縮點(diǎn)火膨脹排氣internalcombustionengine發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造（內(nèi)燃機(jī)）

圖6-15單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖-火花塞2-氣缸蓋3-出水口4-氣缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞銷(xiāo)9-進(jìn)水口10-連桿11-飛輪12-曲軸13-機(jī)油管14-曲軸箱15-機(jī)油泵16-曲軸正時(shí)齒輪17-凸輪正時(shí)齒輪18-凸輪軸19-排氣管20-進(jìn)氣管21-進(jìn)氣門(mén)22排氣門(mén)23-化油器engine汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)（內(nèi)燃機(jī)）內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）高壓透平燃燒室壓氣機(jī)低壓透平燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣火電廠(chǎng)系統(tǒng)圖SteamPowerStation國(guó)產(chǎn)流化床鍋爐(蘇盛熱電廠(chǎng))山東日照發(fā)電廠(chǎng)350MW汽輪機(jī)（透平Turbine）機(jī)組刨面圖660MW發(fā)電機(jī)內(nèi)部（邯鄲發(fā)電廠(chǎng))generator凝汽器（蘇盛熱電廠(chǎng))condenser凝汽器Condenser和冷卻塔系統(tǒng)圖火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn)鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)制冷空調(diào)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán)

(加壓、放熱、膨脹、吸熱)熱力裝置共同基本特點(diǎn)1、熱源，冷源

heatreservoir

2、工質(zhì)

medium,workingsubstance

3、容積變化功

moving

boundarywork

4、循環(huán)

cycle熱機(jī)

高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤1Q2W動(dòng)力循環(huán)簡(jiǎn)圖熱效率Thermalefficiency思考題？2、為何要有兩個(gè)熱源，能否不要低溫?zé)嵩?不放熱，W=Q是否可以進(jìn)行？4、普通發(fā)電廠(chǎng)效率高的只有40%左右，可否有途徑提高，最高效率是否有極限？極限為多少？1、為什么永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)？Perpetual–motionmachine3、動(dòng)力裝置為什么都要先升壓，再吸熱，能否先吸熱，再升壓?工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容

1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律

2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過(guò)程3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理4、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)1、宏觀(guān)方法：連續(xù)體(continuum)，用宏觀(guān)物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)

特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣

經(jīng)典

（宏觀(guān),平衡）熱力學(xué)classical(macroscopic,equilibrium)工程熱力學(xué)研究方法√2、微觀(guān)方法：從微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律

特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似

微觀(guān)（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué)

microscopic(statistical)thermodynamics工程熱力學(xué)研究方法1、有幾位科學(xué)家在熱力學(xué)作出了貢獻(xiàn)，獲諾貝爾獎(jiǎng)？小知識(shí)2、中國(guó)哪位教授與美國(guó)教授合作提出的狀態(tài)方程得到普遍認(rèn)可？4、為什么恩格斯說(shuō)“卡諾定理”是頭重腳輕的定理？3、Maxwell妖是什么？熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（1）

J.D.范.德瓦爾斯

JohannesvanderWaals(1837-1923)

荷蘭氣體和液體狀態(tài)方程

1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（2）

M.普朗克

MaxPlanck(1858-1947)

德國(guó)發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）熱二律

1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（3）

W.H.能斯脫

WaltherHermannNernst(1864-1941)

德國(guó)熱化學(xué)，熵基準(zhǔn)

1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（4）L.昂薩格

LarsOnsager(1903-1976)

美國(guó)不可逆過(guò)程熱力學(xué)理論

1968年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（5）I.普里戈金

IlyaPrigogine(1917-2003)

比利時(shí)熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論

1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（6）K.G.威爾遜

KennethG.Wilson(1936-)

美國(guó)臨界重整化群理論

1982年諾貝爾物理獎(jiǎng)參考書(shū)1、工程熱力學(xué)

沈維道等高教出版社2、工程熱力學(xué)

曾丹苓等高教出版社3、工程熱力學(xué)朱明善等高教出版社4、工程熱力學(xué)

龐麓鳴等高教出版社教學(xué)要求及考核方式1、弄清基本概念，注意每章后的思考題2、獨(dú)立完成作業(yè)，每?jī)芍芩纳险n時(shí)按時(shí)交3、有問(wèn)題及時(shí)解決，不要拖至考試clearunderstandingandfirmgraspofthebasicprinciples1、平時(shí)作業(yè)20%2、期中考試20%3、期末考試60%緒論完

EndofPreface基本概念BasicConcepts熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對(duì)象1、系統(tǒng)的定義ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy熱力系統(tǒng)外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、系統(tǒng)、外界與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過(guò)邊界surroundingsboundary熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)fixed、movablereal

、imaginary熱力系統(tǒng)分類(lèi)以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無(wú)是否傳質(zhì)開(kāi)口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系TypesofSystem開(kāi)口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系A(chǔ)diabaticsystem1234mQW1

開(kāi)口系熱力系統(tǒng)非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系熱力系統(tǒng)其它分類(lèi)方式

其它分類(lèi)方式物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類(lèi)多元系單元系相態(tài)多相單相簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork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(guān)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Stateandstateproperties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)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)12abpointfunctiondz=0狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)Totaldifferentials強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性

如

質(zhì)量m、容積

V、熱力學(xué)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比熱力學(xué)能比焓比熵單位：/kg/kmol具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)IntensivepropertiesExtensiveproperties強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動(dòng)能高度

位能

熱力學(xué)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v（容易測(cè)量）1、壓力p(pressure)

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa(Pascal),N/m2常用單位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104

PaBasicstateproperties壓力p測(cè)量示意圖絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值

——相對(duì)壓力注意：只有絕對(duì)壓力p才是狀態(tài)參數(shù)U-tubemanometerBourdonTube絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)

p>pb表壓力pe當(dāng)

p<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure環(huán)境壓力與大氣壓力指壓力表所處環(huán)境注意：

環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。環(huán)境壓力Environmentalpressure大氣壓力Atmosphericpressurebarometrichbarometer大氣壓力Atmosphericpressure大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化物理大氣壓

1atm=760mmHg當(dāng)h變化不大，ρ常數(shù)1mmHg=ρgh=133.322Pa當(dāng)h變化大，ρρ(h)OtherPressureMeasurementDevices高精度測(cè)量：活塞壓力計(jì)

pistonmanometer工業(yè)或一般科研測(cè)量：壓力傳感器

PressuretransducersPiezoelectriceffect基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測(cè)量）2、溫度T(Temperature)Basicstateproperties溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺(jué)，導(dǎo)熱，熱容量微觀(guān)：衡量分子平均動(dòng)能的量度

T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣2)0.5mw2總0,T0,1951年核磁共振法對(duì)氟化鋰晶體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)的開(kāi)爾文溫度3)T=00.5mw

2=0分子一切運(yùn)動(dòng)停止，零點(diǎn)能溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

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。溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B溫度計(jì)TheZerothLawofThermodynamics

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。

Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.為什么叫做熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準(zhǔn)溫度的熱力學(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(guān)特征彼此相同，用于描述此宏觀(guān)特征的物理量溫度。

溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量Temperaturemeasurement溫度計(jì)物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基