工程熱力學(xué)資料

工程熱力學(xué)資料第1頁/共54頁返回繼續(xù)下一頁第2頁/共54頁返回繼續(xù)下一頁第3頁/共54頁返回繼續(xù)下一頁第4頁/共54頁四沖程汽油機(jī)第5頁/共54頁四沖程柴油機(jī)第6頁/共54頁二沖程汽油機(jī)第7頁/共54頁返回下一頁繼續(xù)第8頁/共54頁蒸汽動力裝置（流程圖）鍋爐過熱器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)冷凝器泵返回繼續(xù)下一頁第9頁/共54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)定義:實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對工質(zhì)的要求：①膨脹性②流動性③熱容量④穩(wěn)定性、安全性⑤環(huán)保性能⑥價格}

物質(zhì)三態(tài)中氣體最合適1.工質(zhì)（workingsubstance;workingmedium）吸熱膨脹做功排熱來完成從燃料燃燒產(chǎn)生的熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。第10頁/共54頁2.熱源（heatsource；heatreservoir）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嵩础猦eatsource）低溫?zé)嵩矗ɡ湓础猦eatsink）恒溫?zé)嵩矗╟onstantheatreservoir）變溫?zé)嵩矗╲ariationalheatreservoir）3.1熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）和外界及邊界

系統(tǒng)（thermodynamicsystemorsystem）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）；第11頁/共54頁SystemBoundary

Surroundings

三者之間的關(guān)系：第12頁/共54頁第13頁/共54頁第14頁/共54頁注意：①系統(tǒng)與外界設(shè)定的人為性；②外界與環(huán)境介質(zhì)；③邊界可以是：ⅰ剛性的或可變形的；ⅱ固定的或可移動的；ⅲ真實(shí)存在的或虛擬的。第15頁/共54頁3.2邊界示意圖第16頁/共54頁3.3熱力系統(tǒng)分類（1）?按組元數(shù)：

單元系—onecomponentsystem;puresystem

多元系—multicomponentsystem?按相數(shù)：

單相系—homogeneoussystem

多相系—heterogeneoussystem注意：1)不計恒外力場的影響;2)多相系未必不均勻（濕蒸汽亦可均勻分布）；3)單元系未必均勻（汽液平衡分離）。第17頁/共54頁3.4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（opensystem）控制體積（CV）

通過邊界與外界有物質(zhì)交換；

閉口系（closesystem）控制質(zhì)量（CM）

沒有物質(zhì)交換。第18頁/共54頁?絕熱系—adiabaticsystem

與外界無熱量交換；?孤立系—isolatedsystem

與外界既無能量交換也無物質(zhì)交換；?簡單可壓縮系—simplecompressiblesystem

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)第19頁/共54頁3.5熱力系統(tǒng)示例圖剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)有電熱絲加熱紅線內(nèi)—閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲—閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲—閉口絕熱系藍(lán)線內(nèi)—孤立系第20頁/共54頁3.6熱力系示例圖剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)—閉口系取噴管為系統(tǒng)—開口系絕熱系？第21頁/共54頁§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)—

stateofthermodynamicsystem

—某一瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況?狀態(tài)參數(shù)—stateofproperties—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(yùn)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，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等，

其中ｐ，Ｔ，Ｖ稱為基本狀態(tài)參數(shù)。ｂ）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：其微分是全微分第22頁/共54頁c)狀態(tài)參數(shù)的分類：

廣延量—與系統(tǒng)質(zhì)量多少有關(guān)

extensiveproperties強(qiáng)度量—與系統(tǒng)質(zhì)量多少無關(guān)

intensiveproperties

注：廣延量的比參數(shù)又具有強(qiáng)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(dú)立的狀態(tài)參數(shù)分別對應(yīng)相等。第23頁/共54頁一、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（thezerothlawofthermodynamics）

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)第24頁/共54頁

溫標(biāo)（temperaturescale）－溫度的表示方法

溫標(biāo)的組成：1.基準(zhǔn)點(diǎn)，2.刻度

華氏溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)：1atm水冰點(diǎn)規(guī)定為32°F

1atm水汽點(diǎn)規(guī)定為212°F

刻度：基準(zhǔn)點(diǎn)間1/180熱力學(xué)溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)：水的三相點(diǎn)規(guī)定為273.16K刻度：基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的1/273.16攝氏溫標(biāo)：基準(zhǔn)點(diǎn)：1atm水冰點(diǎn)規(guī)定為0℃1atm水汽點(diǎn)規(guī)定為100℃刻度：基準(zhǔn)點(diǎn)間1/100第25頁/共54頁熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo)（thermodynamicsscale;KlvinabsolutetemperaturescaleandCelsiustemperaturescale）

T=t+273.15K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

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：與測溫物質(zhì)的特性有關(guān)。第26頁/共54頁二、壓力（pressure）壓力：即物理上的壓強(qiáng)。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。第27頁/共54頁絕對壓力—absolutepressure表壓力

—gaugepressure;manometerpressure

真空度

—vacuumpressure當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

—localatmosphericpressure第28頁/共54頁示例圖三、比容（specificvolume）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)量兩者的關(guān)系：可見，二者相關(guān)，不互相獨(dú)立。注：獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，彼此不相關(guān)(可獨(dú)立變化),如p，T。作業(yè)：四版1-3，9

三版1-3，8；第29頁/共54頁§1-4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖討論：平衡與穩(wěn)定、平衡與均勻的關(guān)系定義：如果在外界對其影響不變的條件下，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)(thermodynamicequilibriumstate)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(thermalequilibrium)

—溫差為零力平衡(mechanicalequilibrium)

—和力均為零。第30頁/共54頁穩(wěn)定未必平衡平衡未必均勻反之如何？請思考！非平衡狀態(tài)：有不平衡勢存在！穩(wěn)定與平衡均勻與平衡平衡狀態(tài)可用狀態(tài)參數(shù)描述，非平衡狀態(tài)不能。第31頁/共54頁二、狀態(tài)方程式狀態(tài)公理：例.1)單組分氣體系統(tǒng)：2=1-1+2如p和T，當(dāng)p一定時，T不同則狀態(tài)不同。

2)液或汽態(tài)的水：2=1-1+2。飽和水和飽和水蒸汽：1=1-2+2;

3)水的三相點(diǎn)：0＝1－3＋2第32頁/共54頁狀態(tài)方程：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=v(p,T)隱含數(shù)的形式：F=F(p,v,T)這種關(guān)系是否一定存在呢？狀態(tài)公理能回答此問題。三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖簡單可壓縮系只有兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，故可以在平面上以獨(dú)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(diǎn)與系統(tǒng)的平衡狀態(tài)一一對應(yīng)。非平衡態(tài)不能用點(diǎn)在坐標(biāo)圖上表示。因無確定的狀態(tài)參數(shù)。第33頁/共54頁§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-staticprocess;quasi-equilibrium)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)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)。第34頁/共54頁準(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(diǎn)：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無窮小；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(shí)線表示。第35頁/共54頁二、可逆過程和不可逆過程可逆過程(reversibleprocess)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)的外界也回復(fù)到原來的狀態(tài)而不留下任何改變。第36頁/共54頁例：氣缸活塞系統(tǒng)正逆正逆摩擦的影響：a)無摩擦正過程逆過程{

b)有摩擦{

正過程逆過程逆過程使系統(tǒng)復(fù)原，但外界多耗功。結(jié)論：摩擦使過程不可逆。第37頁/共54頁溫差的影響：a)無溫差b)有溫差(假設(shè))結(jié)論：溫差使過程不可逆。進(jìn)一步分析，為使Q能傳回，需加熱泵，但要消耗一定的功，也不可逆(比較水泵)。但，Q不能傳回。壓力差的影響：壓力差使過程不可逆。{正逆{

正逆第38頁/共54頁P(yáng)Fαf非準(zhǔn)靜態(tài)過程—nonequilibriumprocess

準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆第39頁/共54頁準(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，逆否命題一定成立第40頁/共54頁無耗散效應(yīng)(如摩擦、電阻等)的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程。即可逆過程=準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散過程；2.準(zhǔn)平衡過程只從系統(tǒng)內(nèi)部平衡的角度考慮問題；可逆過程除考慮平衡外，還考慮了耗散效應(yīng)的問題(更全面)；討論：3.一切實(shí)際過程均不可逆；4.內(nèi)部可逆過程；外部可逆過程5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的實(shí)線表示。第41頁/共54頁§1-6過程功和熱量一、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)式中：叫微元功；叫折合壓力，是考慮外界得到的效果。第42頁/共54頁當(dāng)狀態(tài)有限變化時，過程功為：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)。第43頁/共54頁二、可逆功當(dāng)過程為可逆過程時，，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。第44頁/共54頁功是過程量。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。第45頁/共54頁幾點(diǎn)討論：a)有用功(usefulwork)pb

f其中W—膨脹功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wr—排斥大氣功；

Wu—有用功。例題一第46頁/共54頁b)用外部參數(shù)計算不可逆過程的功：?作業(yè)：四版1-12，16；三版1-9，13第47頁/共54頁三、廣義功(不要求)未言明“不要求”的，一律自學(xué)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)”。計算式及其在T-S圖上的表示：所以，熱是過程量。第48頁/共54頁功與熱量的相同與區(qū)別：1.二者均為過程量，是傳遞的能量；2.只有在