工程熱力學(xué)第一章基本概念

工程熱力學(xué)第一章基本概念第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章重點(diǎn)理解下述概念的實(shí)質(zhì)熱力系狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)方程過程功和熱量第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-1熱力系系統(tǒng)與邊界熱力系（統(tǒng)）：用界面分離出的熱力學(xué)研究對(duì)象，其選取決定于所提出的研究任務(wù)。邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界閉口系：與外界無物質(zhì)交換開口系：與外界無物質(zhì)交換第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱§1-1熱力系第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-1熱力系邊界特性固定/運(yùn)動(dòng)真實(shí)/虛構(gòu)第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-1熱力系——熱力系分類物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)復(fù)相單相熱力系內(nèi)部情況第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-1熱力系——熱力系分類以系統(tǒng)與外界相互情況劃分：是否傳質(zhì)開口系閉口系

有無是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1234mQW1

開口系熱力系統(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孤立系第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：熱力系在指定瞬間所呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)的總稱。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：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，循環(huán)積分為0狀態(tài)參數(shù)是點(diǎn)函數(shù)第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：可直接用儀表測(cè)量，使用最多溫度T、壓力p、比容v其他三個(gè)狀態(tài)參數(shù)為：熱力學(xué)能U焓H熵S第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1、壓力（物理學(xué)中的壓強(qiáng)）p定義：?jiǎn)挝幻娣e上承受的垂直作用力絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力（表壓力pg、真空度pv）常見壓力單位換算pgpb第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)p>pb表壓力pg當(dāng)p<pb真空度pvpbpgp1pvp2pg第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常用壓力單位1Pa=1N/m21bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104

Pa第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)2、比體積（比容）v定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)所占有的體積比體積是密度的倒數(shù)比體積單位m3/kg第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)3、溫度T傳統(tǒng)定義：物體的冷熱程度微觀定義：衡量分子平均動(dòng)能的量度第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一絕對(duì)K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.67常用溫標(biāo)第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫標(biāo)的換算第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)4、熱力學(xué)能U定義：組成熱力系的大量微觀粒子本身具有的能量，單位J。包括：分子的動(dòng)能Uk、分子力所形成的位能Up、構(gòu)成分子的化學(xué)能和原子的原子能等比熱力學(xué)能定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)的熱力學(xué)能,單位J/kg1kcal=4186.8J=4.1868kJ第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)5、焓H焓（單位J）：H=U+pV比焓（單位J/kg）：h=H/m=u+pv工程單位制中定義：H=U+ApVh=u+Apv焓的物理意義對(duì)流動(dòng)工質(zhì)(開口系統(tǒng))，表示沿流動(dòng)方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量對(duì)不流動(dòng)工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)思考：對(duì)理想氣體h=f(T)第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)6、熵S導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)定義式：比熵定義式：熵的單位J/K，比熵的單位J/(kg·K)第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-3平衡狀態(tài)定義熱力系在沒有外界作用（能量交換、物質(zhì)交換）的情況下宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢(shì)溫度差—熱不平衡勢(shì)壓差—力不平衡勢(shì)化學(xué)反應(yīng)—化學(xué)不平衡勢(shì)第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-3平衡狀態(tài)平衡態(tài)與均勻性處于平衡狀態(tài)的單相流體，如果忽略重力的影響，又沒有其他外場(chǎng)作用，它內(nèi)部的各種性質(zhì)都是均勻一致的。平衡不一定均勻單相平衡態(tài)一定是均勻的第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為什么引入平衡概念如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度……）描述平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-4狀態(tài)方程和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢(shì)差的數(shù)目=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目=各種作功的方式+熱量=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)？n容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-4狀態(tài)方程和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)(只交換熱量和一種內(nèi)平衡態(tài)的容積變化功)N

=n

+1=2狀態(tài)方程基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)理想氣體的狀態(tài)方程

實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？§1-4狀態(tài)方程和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一簡(jiǎn)單熱力系平衡態(tài)N=2，平面坐標(biāo)圖1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說明：2）過程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上表示常見p-v圖和T-s圖21§1-4狀態(tài)方程和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖vp第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-5過程和循環(huán)過程熱力系從一個(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)的總合內(nèi)平衡過程熱力系從一個(gè)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(gè)平衡狀態(tài)，該過程成為內(nèi)平衡過程（準(zhǔn)平衡過程）第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-5過程和循環(huán)平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡(jiǎn)單描述熱力學(xué)引入內(nèi)平衡過程第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一般過程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=

p0T2

=

T0pv12..第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)平衡過程p1

=

p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)平衡過程有實(shí)際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換理論上內(nèi)平衡應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)平衡過程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過程第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-5過程和循環(huán)循環(huán)：封閉的過程熱力系從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)后，又回復(fù)到原來狀態(tài)。2121內(nèi)平衡循環(huán)內(nèi)不平衡循環(huán)第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-6功和熱量功熱力系通過界面和外界進(jìn)行的機(jī)械能的交換量稱為作功量，簡(jiǎn)稱功熱量熱力系通過界面和外界進(jìn)行的熱能的交換稱為傳熱量，簡(jiǎn)稱熱量功W，熱量Q單位質(zhì)量的熱力系：功w，熱量q第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他內(nèi)平衡功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-6功和熱量第36頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-6功和熱量關(guān)于功和熱量的其他說明功和熱量是和熱力系的狀態(tài)變化（過程）聯(lián)系在一起的，是過程量，不是狀態(tài)量熱力系對(duì)外界作功為正（W>0），外界對(duì)熱力系作功為負(fù)（W<0）熱力系從外界吸熱為正（Q>0），熱力系向外界放熱為負(fù)（Q<0）國(guó)際單位制W和Q的單位為J或kJ工程單位制中，W的單位為kgf·m

Q的單位為kcal第37頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章小結(jié)熱力系狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)方程過程功和熱量第38頁(yè)，