《工程熱力學》 課件 第一章 基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition本章主要內(nèi)容：工質(zhì)、熱力系統(tǒng)；熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)；平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖；準平衡過程、可逆過程；功、熱量;熱力循環(huán)、正向循環(huán)、逆向循環(huán)。一、熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。2.分類內(nèi)燃機(internalcombustiongasengine)燃氣輪機動力裝置(gasturbinepowerplant)蒸汽動力裝置(steampowerplant)……噴氣動力裝置(jetpowerplant)1-1熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程energyconversiontypicalexamples3.典型舉例(制冷裝置的特殊性)

吸熱、膨脹逆行內(nèi)燃機：送燃料（油+空氣）────→作功────→排氣蒸汽動力裝置:送燃料→燃燒(放熱)→過熱蒸汽(吸熱)→作功(汽體膨脹)

↑←──送回鍋爐←──冷凝水←────↓能量轉(zhuǎn)換的媒介---工質(zhì)（燃氣、蒸汽）。膨脹性---作功。雙熱源---吸熱、放熱。4.動力裝置的普遍規(guī)律二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義在能量轉(zhuǎn)換裝置中，實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)2.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）對環(huán)境友善；6）價廉，易大量獲取。物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。三、熱源(heatsource;heatreservoir)定義工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。2.分類高溫熱源（熱源—

heatsource

）---低溫熱源（冷源—heatsink）恒溫熱源(constantheatreservoir)---變溫熱源（variationalheatreservoir）1-2熱力系統(tǒng)(thermodynamicsystem)1、熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))---system：人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)；人為分離出來的研究對象。外界--surrounding

：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。邊界--boundary：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。邊界面特征：真假性---邊界面可以是真可以是假；動靜性---邊界面可以是運動的也可以是靜止的；多變性---邊界面尺寸和形狀可以變化。熱力系統(tǒng)選取的人為性：鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器只交換質(zhì)量只交換熱量既交換質(zhì)量也交換熱量2.熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無是否傳質(zhì)開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳熱、質(zhì)非孤立系孤立系1234mQW1

開口系非孤立系＋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4.熱力系統(tǒng)示例圖剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設有電熱絲。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——閉口絕熱系藍線內(nèi)——孤立系1-3工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)(Stateandstateproperties)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)的描述1.熱力學狀態(tài)—stateofthermodynamicsystem—系統(tǒng)工質(zhì)在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況，稱為工質(zhì)的熱力學狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。2.狀態(tài)參數(shù)—stateproperties—用來描述系統(tǒng)所呈現(xiàn)的物理狀況的物理量。1）狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的平均效應，只有工質(zhì)處于平衡狀態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如2）狀態(tài)參數(shù)的特性

狀態(tài)參數(shù)—狀態(tài)的單值函數(shù)：狀態(tài)一定，狀態(tài)參數(shù)一定；反之狀態(tài)參數(shù)一定，所描述的狀態(tài)一定；

狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關(guān)：狀態(tài)參數(shù)的變化，僅與狀態(tài)變化過程的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)，與變化過程無關(guān)；其變化量等于起始狀態(tài)和終了狀態(tài)參數(shù)的差值；工質(zhì)完成一個循環(huán)（封閉過程）時，狀態(tài)參數(shù)變化量為零。狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)pointfunction1

2ab例：溫度變化山高度變化←3）狀態(tài)參數(shù)分類：

強度參數(shù)(Intensiveproperties

)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)。如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)(Extensiveproperties

)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)

可加性。如質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S。比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度參數(shù)的性質(zhì)。強度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動能高度位能內(nèi)能溫度應力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol二、基本狀態(tài)參數(shù)(Basicstateproperties)壓力

p、溫度T、比容v（容易測量）1、壓力p(pressure)

物理中壓強，單位:Pa(Pascal),N/m21）常用單位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104

Pa2）壓力p測量絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值—相對壓力（表壓、真空度）注意：只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力當p

>pb表壓力pe當p

<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure溫度的熱力學定義？熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計2、溫度T(Temperature)傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量。溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系統(tǒng)，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

溫度。溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。Temperaturemeasurement溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度Scale溫標TemperaturescaleReferencestate3）溫標(Temperaturescale)

熱力學溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用溫標之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.67朗肯R溫標的換算3、比容v(specificvolume)[m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度，物理上常用密度density

[kg/m3]。重度與密度關(guān)系：1-4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖一、平衡狀態(tài)（Equilibriumstate

）1.定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。2.平衡的類型(ManytypesofEquilibrium)熱平衡Thermalequilibrium:

力平衡Mechanicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium化學平衡Chemicalequilibrium

1）熱平衡若熱力系統(tǒng)內(nèi)部的溫度各部分均勻一致且等于外界的溫度，則此熱力系統(tǒng)處于熱平衡。

溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢Unbalancedpotentials2）力平衡若熱力系統(tǒng)內(nèi)部無不平衡的力且作用在邊界上的力和外力相平衡，則此熱力系統(tǒng)即處于力平衡。壓差

Pressuredifferential力不平衡勢Unbalancedpotentials3）化學平衡4）相平衡Phaseequilibrium:不平衡的動力：相不平衡勢Unbalancedpotentials平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢。Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials.3.平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定。二、狀態(tài)方程式（Equationofstate）平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)獨立狀態(tài)參數(shù)想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)方程式2）定義：基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系。1）純物質(zhì)：各部分組成均勻、化學成分恒定不變的物質(zhì)稱為純物質(zhì)。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(Ideal-GasEquationofState)三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖(diagramofstateproperties)簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上；說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)；常見p-v圖、T-s圖和h-s圖213）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示。1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1.定義系統(tǒng)從一個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)變化到另一狀態(tài)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)的綜合，稱為熱力過程。一、熱力過程2.應用熱力過程中，熱力系與外界常伴有功和熱的交換，要研究功和熱的總結(jié)果只需分析兩端狀態(tài)；要研究功和熱的過程（損失）變化，則需剖析不同的具體過程。二、準平衡（靜態(tài)）過程(quasi-static,orquasi-equilibrium)1.準平衡（靜態(tài)）過程引入平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學引入準平衡（靜態(tài)）過程恩格斯指出：“只有微分學才能使自然科學有可能用數(shù)學來不僅僅表明狀態(tài)，并且也表明過程：運動。”1）一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0p12..V2）準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=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，系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)。pv12...3）準靜態(tài)過程實際意義既是平衡，又是變化。既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換。疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>Relaxationtime有足夠時間恢復新平衡

準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程的工程應用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=2000

2

0.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程。具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛?.準平衡過程定義由無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組成的過程稱為準平衡過程。3.準平衡與平衡態(tài)的區(qū)別平衡態(tài)△p=0,△T=0；準平衡△p→0,△T→0；4.準平衡過程特征1）平衡態(tài)的破壞離平衡態(tài)非常近；2）破壞平衡態(tài)的速度遠遠小于工質(zhì)內(nèi)部分子運動的速度。三、可逆過程和不可逆過程(ReversibleProcessandirreversibleProcess)1.可逆過程對于一個系統(tǒng)，當它發(fā)生一個過程，可以逆向運行，系統(tǒng)和外界與原來初態(tài)比較都不發(fā)生任何變化，稱此過程為可逆過程。系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。1）定義2）實例FPαf非準靜態(tài)過程—nonequilibriumprocess準靜態(tài)過程，不可逆。準靜態(tài)過程，可逆。

3）可逆過程特點：工質(zhì)和外界恒處于平衡狀態(tài)，且無任何摩擦現(xiàn)象；過程進行無限緩慢；變化過程中，無任何能量的不可逆損失，或者無任何耗散效應。準靜態(tài)過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）耗散效應Dissipativeeffect2.不可逆過程1）定義除了可逆過程以外的熱力過程。在工程實際中的過程都是不可逆過程，只是有些我們可以近似簡化成可逆過程。不平衡勢差

不可逆根源耗散效應

irreversibility2）不可逆根源Heattransfer3）常見的不可逆過程

Frequentlyencounteredirreversibilities不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2Throttler混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????其它不可逆過程：如摩擦、燃燒、爆炸、電流能量損失等。3.準靜態(tài)過程與可逆過程區(qū)別準靜態(tài)過程：工質(zhì)內(nèi)部平衡過程，外部可以不平衡?？赡孢^程：工質(zhì)內(nèi)部，工質(zhì)與外界處于平衡狀態(tài)，且無摩擦。可逆過程必然是準靜態(tài)過程，而準靜態(tài)過程卻不一定是可逆過程?；蛘哒f：可逆的一個條件是準靜態(tài)過程；另一個條件是“無耗散效應”?？赡孢^程的實質(zhì)：過程中能量耗損=0，理論上由熱變功應為最大（MAX），而在需功過程中，輸入功為最?。∕in）。相反，不可逆總是降低工程的效率。準靜態(tài)及可逆過程均可以在坐標圖中表示和分析。1-6過程功和熱量(Work,HeatandEntropy)一、功1.功的定義熱力學定義1：當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對外作功。熱力學定義2：功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。力學定義：力

在力方向上的位移。2.容積功定義由于工質(zhì)容積的變化而與外界交換的功叫做容積功。它包括膨脹功和壓縮功，均可以表示為注意：1）只要有熱能與機械能間轉(zhuǎn)換，則一定存在膨脹功和壓縮功；2）容積功適用于封閉熱力系，也適用于開口熱力系。原因在于

3.可逆過程中功的導出取1kg工質(zhì)，過程1-2所做的功：

取mkg工質(zhì)，過程1-2所做的功：

容積變化功在p-v圖上的表示。4.有用功(usefulwork)概念其中

W—膨脹功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wp=排斥大氣功pbf5.不可逆過程功的計算?6.關(guān)于功的討論功不是狀態(tài)參數(shù)，而是過程函數(shù)。容積功是一種邊界效應，是通過邊界的一種能量交換。工質(zhì)膨脹對外界做功（膨脹功）為正，壓縮工質(zhì)所消耗的功（壓縮功）為負。容積功既適用于封閉熱力系也適用于開口熱力系。二、熱量1.熱量定義依靠溫差而傳遞的能量稱為傳熱量，簡稱熱量。[能量：是物質(zhì)運動的量度，它表明物質(zhì)運動的形式和運動的激烈程度。][熱能：是組成物質(zhì)的大量分子、原子做雜亂而不規(guī)則運動所具有的能量，也稱為無序能。][機械能：是物質(zhì)整體做規(guī)則運動所具有的能量，也稱為有序能。]熱量單位：

2.熱量的特點熱量是熱傳遞過程中，物質(zhì)內(nèi)部熱能改變的量度。熱量是系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量是過程函數(shù)，而不是狀態(tài)參數(shù)。在相同的初、終狀態(tài)條件下，定壓過程所加的熱量比定容過程多（因為定壓過程還要額外做膨脹功）。傳入熱力系的熱量為正值，傳出熱力系的熱量為負值。3.熵和溫熵圖1）功和熱量對比引出熵功和熱量是能量傳遞的兩種形式；功---由壓差的作用而傳遞的能量，熱量---有溫差的作用而傳遞的能量；在可逆過程中：熱力系與外界交換的功量為，即或；在可逆過程中：熱力系與外界交換的熱量為，即；因此，引入新的狀態(tài)參數(shù)s，它的改變標志有傳熱。2）示功圖與示熱圖對比pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖3）T-S圖分析熱力系熵增，表示對工質(zhì)加熱，過程曲線向右延伸；熱力系熵減，表示工質(zhì)對外界放熱，過程曲線向左延伸；熱力系