《工程熱力學(xué)》教案（第一章） 基本概念及定義

《工程熱力學(xué)》：第一章基本概念及定義PAGEPAGE4教案首頁課程名稱《工程熱力學(xué)》任課教師吳建第一章基本概念及定義計劃學(xué)時4教學(xué)目的和要求：了解熱力系統(tǒng)的定義、平衡狀態(tài)的概念和應(yīng)滿足的平衡條件；掌握基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T的定義、計量及不同單位間的換算；了解準靜態(tài)過程的定義及提出準靜態(tài)過程的意義和作用；對不同的熱力循環(huán)極其作用建立起初步的概念。重點：平衡狀態(tài)的概念和應(yīng)滿足的平衡條件狀態(tài)參數(shù)的特點狀態(tài)方程式、狀態(tài)參數(shù)坐標圖準靜態(tài)過程的定義及提出準靜態(tài)過程的意義功和熱量難點：平衡狀態(tài)的概念狀態(tài)參數(shù)的特點準靜態(tài)過程思考題：狀態(tài)參數(shù)有什么特點？狀態(tài)參數(shù)坐標圖有什么用途？引入準靜態(tài)過程的意義何在？實施準靜態(tài)過程需要什么條件？P33：1-1、1-2、1-3、1-4、1-6、1-7、1-8第一章基本概念及定義§1－1熱力學(xué)系統(tǒng)一熱力學(xué)系統(tǒng)（系統(tǒng)）以氣缸內(nèi)氣體受熱膨脹推動活塞移動、在管道內(nèi)氣體的流動為例說明：在分析能量能量轉(zhuǎn)換過程時，需要確定分析研究的對象，也就是通過觀察所研究的對象的變化來討論能量轉(zhuǎn)化的情況。定義：在熱力學(xué)分析中，需選取的某些確定的物質(zhì)或某個確定空間中的物質(zhì)作為熱力學(xué)研究的對象，稱其為熱力學(xué)系統(tǒng)。簡稱為系統(tǒng)。外界（或環(huán)境）：熱力系統(tǒng)之外的、在能量轉(zhuǎn)換過程中與熱力系統(tǒng)發(fā)生相互作用的一切其它物質(zhì)，成為外界或環(huán)境。在熱力學(xué)分析中，對于外界與系統(tǒng)之間的相互作用主要是能量和物質(zhì)的交換。邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。固定邊界、移動邊界、真實邊界、假象邊界二工質(zhì)和熱源工質(zhì)：在能量轉(zhuǎn)換裝置中，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)，稱為工質(zhì)。由于能量轉(zhuǎn)換是在工質(zhì)狀態(tài)變化的過程中實現(xiàn)的，所以在熱力學(xué)分析中通常選取裝置中的工質(zhì)作為熱力系統(tǒng)。熱源：在熱力學(xué)分析中，常遇到這樣一類物質(zhì)，它們具有無限大的熱容量。當(dāng)它們吸入或?qū)ν夥懦鲇邢逕崃繒r，其溫度保持不變。稱這類物質(zhì)為熱源。根據(jù)熱源的溫度可以分為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?。在熱力學(xué)分析中，熱源通常是外界的物質(zhì)，在能量轉(zhuǎn)換中，工質(zhì)和熱源之間會發(fā)生熱量的交換。三系統(tǒng)的分類系統(tǒng)與外界相互作用，主要表現(xiàn)為能量和質(zhì)量的交換，因此，系統(tǒng)的分類也是根據(jù)系統(tǒng)與外界之間的能量和質(zhì)量的交換情況劃分的：閉口系統(tǒng)：熱力系統(tǒng)與外界之間沒有物質(zhì)的交換，也就是沒有物質(zhì)穿過邊界。此類系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)。取一定的物質(zhì)為研究對象?？刂瀑|(zhì)量。系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)量不變；存在能量交換。例：在一個封閉的氣缸中的流體。開口系統(tǒng)：熱力系統(tǒng)與外界之間有物質(zhì)的交換，也就是有物質(zhì)穿過邊界。此類系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)。把對象規(guī)劃在一定的空間范圍內(nèi)?？刂迫莘e。系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)量可以變化；存在能量交換。例：在一個發(fā)動機氣缸中的進排氣過程。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有熱量的交換?？梢杂匈|(zhì)量交換和功量交換。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界即沒有質(zhì)量的交換也沒有能量的交換。系統(tǒng)與外界不發(fā)生任何聯(lián)系。例：把進行能量交換的一切有關(guān)物質(zhì)如工質(zhì)、熱源、耗功設(shè)備等取為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)的選取，取決與分析問題的需要和方法；正確選擇系統(tǒng)，是進行正確的熱力學(xué)分析的前提。§1－2系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)能量轉(zhuǎn)換是通過系統(tǒng)工質(zhì)狀態(tài)的變化實現(xiàn)的，所以首先要了解狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)的概念。一系統(tǒng)的狀態(tài)定義：系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。因為一般都是把設(shè)備中的工質(zhì)作為研究對象，所以系統(tǒng)的狀態(tài)就是工質(zhì)所呈現(xiàn)的物理狀況。二狀態(tài)參數(shù)定義：用來描述系統(tǒng)所呈現(xiàn)的物理狀況的物理量。狀態(tài)參數(shù)的特點：1）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；2）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)狀態(tài)參數(shù)的差值；只要不同狀態(tài)變化過程的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)分別相同，則狀態(tài)參數(shù)的變化量相同。3）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。三基本狀態(tài)參數(shù)壓力p、溫度T、比容v是最基本的狀態(tài)參數(shù)，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。它們是可以測量的物理量。壓力p：定義：單位面積上所受到的垂直作用力。根據(jù)分子運動學(xué)，氣體的壓力是氣體分子運動撞擊表面，而在單位面積上所呈現(xiàn)的平均作用力。對理想氣體：n0：單位體積內(nèi)的分子數(shù)：分子的平均移動動能1）壓力的測量、表壓力、絕對壓力壓力測量：壓力計，工程上有彈簧管壓力計和U型管，實際上是測量壓差的。壓力計的讀數(shù)為系統(tǒng)真實壓力與大氣壓力的壓力差。當(dāng)真實壓力大于大氣壓力時，壓力計讀數(shù)稱為表壓力pe。當(dāng)真實壓力大于小氣壓力時，壓力計讀數(shù)稱為真空度pv。系統(tǒng)的真實壓力稱為絕對壓力p。絕對壓力、表壓力、真空度的關(guān)系：當(dāng)時：當(dāng)時：2）壓力的單位采用國際單位制，基本單位為帕斯卡，Pa常用單位為：兆帕MPa巴bar溫度T：1)熱平衡及熱力學(xué)第零定律熱平衡：冷熱不同的兩個系統(tǒng)發(fā)生熱接觸，兩系統(tǒng)的狀態(tài)都會發(fā)生變化，直到兩系統(tǒng)達到冷熱程度相同時，它們所達到的新狀態(tài)不再發(fā)生變化，這種新的狀態(tài)就是熱平衡狀態(tài)。熱力學(xué)第零定律：實驗結(jié)果表明，如果A、B兩個系統(tǒng)分別與C系統(tǒng)處于熱平衡，則A、B兩系統(tǒng)也必然處于熱平衡。2)溫度對于所有處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)而言，必然有一個數(shù)值相等的狀態(tài)參數(shù)來描述所處的熱平衡狀態(tài)，這個參數(shù)就稱為溫度。溫度是描述系統(tǒng)熱平衡特性的狀態(tài)參數(shù)，溫差是驅(qū)動熱流的不平衡勢。3)溫度的標尺用來表示溫度高低的尺度，簡稱溫標。測溫原理：根據(jù)熱平衡的概念，只要溫度計與被測系統(tǒng)處于熱平衡，就可以按溫度計中測溫物質(zhì)的溫度來表示被測系統(tǒng)的溫度。溫標的建立：除選擇一定的測溫手段外，還需確定溫標的基準點以及分度方法。1）攝氏溫標t：取水在一個大氣壓下的冰點為0度，汽點為100度，其間分成100個分度。單位符號記為℃2）華氏溫標：取水在一個大氣壓下的冰點為55度，汽點為215度，其間分成160個分度。單位符號記為3）熱力學(xué)溫標T：水的三相點作為固定點，規(guī)定該點的熱力學(xué)溫度為273.16K，熱力學(xué)溫度單位K為1/273.16。熱力學(xué)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系：t=T－273.15K根據(jù)分子運動學(xué)理論，比體積v：定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的體積。m3/kg單位體積物質(zhì)所具有的質(zhì)量為密度。kg/m3從微觀意義上講，對一定氣體而言，密度和比體積均為描述分子聚集疏密程度的物理量。§1－3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標圖舉例說明：狀態(tài)參數(shù)無法描述非平衡狀態(tài)，引出平衡狀態(tài)概念一平衡狀態(tài)舉例說明：力平衡、熱平衡定義：在沒有外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而變化，則系統(tǒng)所處的狀態(tài)為平衡狀態(tài)。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件：系統(tǒng)內(nèi)部存在熱平衡、力平衡。二獨立狀態(tài)參數(shù)的個數(shù)1）系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)變化到另一個平衡狀態(tài)，取決于系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞。能量傳遞方式是相互獨立的。2）確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數(shù)的個數(shù)決于系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞方式的數(shù)目。對于常見的氣體物質(zhì)組成的系統(tǒng)，在沒有化學(xué)反應(yīng)時，能量傳遞方式主要有傳熱和容積變化作功2種，所以，確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數(shù)的個數(shù)就是2。只要確定了2個狀態(tài)參數(shù)，就可以確定一個平衡狀態(tài)，其它的狀態(tài)參數(shù)也就相應(yīng)確定了。如：當(dāng)p、T已知時，系統(tǒng)的狀態(tài)也就相應(yīng)確定了，其它狀態(tài)參數(shù)可以表示為p、T的函數(shù)。三狀態(tài)參數(shù)坐標圖定義：以2個獨立狀態(tài)參數(shù)為縱橫坐標所得到的坐標圖。常用的有壓容圖（p–v圖）、溫熵圖（T–s圖）圖上的任意一點都代表了一個平衡狀態(tài)?！?－4狀態(tài)方程式上節(jié)講到：對于氣體系統(tǒng)，只要確定了2個狀態(tài)參數(shù)，就可以確定一個平衡狀態(tài)，其它的狀態(tài)參數(shù)也就相應(yīng)確定了。就是說：對于平衡狀態(tài)而言，狀態(tài)參數(shù)之間存在著某種確定的函數(shù)關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系成為熱力學(xué)函數(shù)（或熱力學(xué)關(guān)系式）。狀態(tài)方程式：基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。或：理想氣體模型的概念：兩個條件高壓、低溫時分子體積和分子引力的影響小，基本上滿足理想氣體條件。在工程上，常見的氣體工質(zhì)在常溫常壓下均可視為理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程式：1mol理想氣體：R：摩爾氣體常數(shù)8.3145J/mol.K1kg理想氣體：Rg：氣體常數(shù)J/kg.KM：理想氣體的摩爾質(zhì)量nmol理想氣體：mkg理想氣體：§1－5熱力過程準靜態(tài)過程一熱力過程定義：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。系統(tǒng)狀態(tài)變化，都是由于系統(tǒng)的平衡被破壞的結(jié)果，是系統(tǒng)向新的平衡過度的歷程二準靜態(tài)過程以傳熱、作功過程為例說明實際過程的中間狀態(tài)都是非平衡狀態(tài)，無法用狀態(tài)參數(shù)的變化來描述過程。引出準靜態(tài)過程概念。舉例：沙子、微小溫差定義：過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的是一系列平衡狀態(tài)并在每次狀態(tài)變化時僅無限小地偏離平衡狀態(tài)，這樣的過程稱為準靜態(tài)過程。說明：1）變化微小，有足夠的時間恢復(fù)平衡，過程的進行相對于恢復(fù)平衡的速度是緩慢的。2）實際過程：分子熱運動速度、壓力傳播速度快，恢復(fù)所需時間極短，而設(shè)備運行速度相對慢，所以可以視為準靜態(tài)過程。準靜態(tài)過程可以在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上用實線表示。§1－6準靜態(tài)過程的功一功的定義在力學(xué)中，定義功為：力與物體在力作用方向上的位移的乘積，即在熱機中，1）氣體膨脹推動活塞運動，氣體對活塞作功；2）氣流作用在葉輪使葉輪旋轉(zhuǎn)，氣體對葉輪作功。均為機械功。還有一些功雖不表現(xiàn)為力和位移，但通過轉(zhuǎn)換可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，如電池輸出電能，而電能可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，所以也說電池輸出電功。因此，在熱力學(xué)中，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換觀點，對功有如下定義：功是熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間通過邊界而轉(zhuǎn)移的能量，且其全部效果可以表現(xiàn)為舉起重物。注意：動能和位能是系統(tǒng)本身具有的機械能，不是功。二容積變化功定義：由于系統(tǒng)容積變化和外界發(fā)生作用而傳遞的功，稱為容積變化功。有壓縮功、膨脹功。三容積變化功的計算微元過程：F：氣體對活塞的作用力；Wf：摩擦擾動等引起的功的損失在無功耗散的準靜態(tài)過程中，容積變化功為：A：活塞截面積過程1-2：單位質(zhì)量氣體：式中：過程方程式舉例說明：等溫過程功的單位：J、J/kg氣體膨脹時：dv>0，w1-2>0，對外界做功，正功；氣體受壓縮時：dv<0，w1-2<0，外界對氣體做功，負功。四容積變化功在p-v圖上的表示1）容積變化功的大小可以用過程曲線下的面積來表示；2）相同的起點和終點，若過程不同，則容積變化功也不同。本節(jié)所推出的公式只適用于沒有功耗散的準靜態(tài)過程（即可逆過程），在熱力學(xué)分析時，可以把實際過程先按照沒有功耗散的準靜態(tài)過程進行分析，再根據(jù)功耗散的具體情況進行修正。§1－7熱量一熱量的定義定義：熱量是系統(tǒng)與外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。用氣體分子運動學(xué)說明。二功和熱量的類比共同點：都是系統(tǒng)與外界之間通過邊界傳遞的能量。不同點：發(fā)生能量傳遞的原因不同。傳熱：紊亂的分子運動相互作用作功：有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動相互作用三熱能定義：物體內(nèi)部分子紊亂熱運動所具有的能量。是可以儲存在物體內(nèi)部的能量。四準靜態(tài)過程熱量的計算系統(tǒng)與外界之間的能量傳遞，都可以看成是在某種作用的推動下使系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)坐標的改變而進行能量傳遞的。推動作用的大小代表了能量傳遞的強度，反映推動作用的參數(shù)稱為勢參數(shù)。狀態(tài)坐標是能量傳遞作用的標志。作功：p是勢參數(shù)，v是狀態(tài)坐標參數(shù)。傳熱：T是勢參數(shù)，s是狀態(tài)坐標參數(shù)。類比容積功的計算，在無功耗散的準靜態(tài)過程中，有：式中：五熱量在T-s圖上的表示1）熱量的大小可以用過程曲線下的面積來表示；2）相同的起點和終點，若過程不同，則熱量也不同。3）吸熱時：ds>0，q1-2>0。放熱時：ds<0，q1-2<0。六利用比熱計算熱量比熱容的定義：1kg物質(zhì)溫度升高1K所需的熱量稱為物質(zhì)的比熱容。記為c。即：定容比熱：定壓比熱：摩爾比熱：1mol物質(zhì)溫度升高1K所需的熱量稱為物質(zhì)的比熱容。有定壓摩爾比熱Cp,m和定容摩爾比熱CV,m。容積比熱：1Nm3物質(zhì)溫度升高1K所需的熱