熱工基礎(chǔ) 課件第1章 熱力學(xué)基本概念

第1章基本概念工質(zhì)和熱力系統(tǒng)定義：從燃料燃燒中得到熱能，并利用熱能得到動(dòng)力的設(shè)備。熱能機(jī)械能化學(xué)能分類燃?xì)鈩?dòng)力裝置

蒸汽動(dòng)力裝置內(nèi)燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)噴氣動(dòng)力裝置熱力設(shè)備名詞定義工質(zhì):

實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。熱源溫度高低溫度變化高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩矗ɡ湓矗┖銣責(zé)嵩?/p>

變溫?zé)嵩礋嵩?

工質(zhì)從中吸取或向之排放熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。膨脹性；

流動(dòng)性；

熱容量；

穩(wěn)定性、安全性；環(huán)保性能；價(jià)格。

常見(jiàn)工質(zhì)：蒸汽、燃?xì)?、空氣等。制冷裝置：實(shí)現(xiàn)熱量從低溫物體向高溫物體的轉(zhuǎn)移。吸熱放熱耗功蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖熱動(dòng)裝置原理E'T1T2Q1Q2W0E'T1T2Q1Q2W0制冷裝置原理熱力設(shè)備工作（能量轉(zhuǎn)換）原理定義：人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面外界（環(huán)境）：熱力系統(tǒng)以外的部分系統(tǒng)與外界之間的質(zhì)量和能量交換都通過(guò)邊界System

Boundary

Surroundings

熱力系統(tǒng)注意：邊界特性真實(shí)/虛構(gòu)固定/活動(dòng)幾種重要的系統(tǒng)閉口系統(tǒng)：與外界無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)，也叫做控制質(zhì)量系統(tǒng)。開(kāi)口系統(tǒng)：與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，一般為控制容積系統(tǒng)。簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)熱力學(xué)中最常見(jiàn)、最重要的系統(tǒng)，除與外界交換質(zhì)量外，只交換熱量和一種體積變化功體積變化功壓縮功膨脹功狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)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、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、微分特征：全微分狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況6個(gè)常用參數(shù)：p、T、v、u、h、s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)例如：山的高度變化12ab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比參數(shù)：比體積比熱力學(xué)能比焓比熵單位：/kg/kmol

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、體積V、熱力學(xué)能

U、焓H、熵S基本狀態(tài)參數(shù)-溫度T一般定義：微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度

T

0.5mw2傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺(jué)，導(dǎo)熱，熱容量熱力學(xué)定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量—

溫度。基本狀態(tài)參數(shù)-溫度T熱力學(xué)第零定律：如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則這兩個(gè)系統(tǒng)之間必然處于熱平衡。溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B：溫度計(jì)溫度T的測(cè)量溫度計(jì)物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點(diǎn)刻度

溫標(biāo)

常見(jiàn)溫標(biāo)及其換算絕對(duì)

K攝氏

℃

100373.150.01273.160273.150-273.15熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）

國(guó)際攝氏溫標(biāo)

冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水沸點(diǎn)基本狀態(tài)參數(shù)-壓力p壓力p

：大量分子碰撞器壁形成的宏觀效果物理中壓強(qiáng)，單位:Pa,N/m2常用單位：

1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013

105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104Pa壓力p的測(cè)量測(cè)量值：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)

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

pvpbpeppvp基本狀態(tài)參數(shù)-比體積v比體積v:單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的的體積。[m3/kg]反映工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用的密度

[kg/m3]平衡狀態(tài)定義：在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)?；瘜W(xué)平衡相平衡不存在相變不存在化學(xué)反應(yīng)不存在溫差熱平衡不存在力差力平衡

平衡的本質(zhì)：不平衡勢(shì)消失狀態(tài)參數(shù)方程和坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)：可用一組確定的狀態(tài)參數(shù)描述根據(jù)狀態(tài)公理，對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù)N=2想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)參數(shù)方程簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N=2

狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T

)之間的關(guān)系對(duì)理想氣體：狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)

N=2pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說(shuō)明：2）過(guò)程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無(wú)法在圖上表示常見(jiàn)有p-v圖和T-s圖21平面坐標(biāo)圖熱力過(guò)程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無(wú)法簡(jiǎn)單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過(guò)程矛盾？過(guò)程的描述一般過(guò)程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0p12..v

準(zhǔn)平衡過(guò)程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有無(wú)限多層每次只去掉無(wú)限薄一層pv12...則系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)準(zhǔn)平衡過(guò)程所經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都無(wú)限地接近平衡狀態(tài)的過(guò)程。

在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過(guò)程可以近似地用連續(xù)的實(shí)線表示。

pv12在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢(shì)（如壓力差、溫度差等）較小、過(guò)程進(jìn)行較慢、弛豫時(shí)間非常短的情況下，可以將實(shí)際過(guò)程近似地看作準(zhǔn)平衡過(guò)程。準(zhǔn)平衡過(guò)程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）：350m/s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）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程的體積變化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果p外微小

可視為準(zhǔn)平衡過(guò)程dx以汽缸中m

kg工質(zhì)為系統(tǒng)m

kg工質(zhì)發(fā)生體積變化，對(duì)外界作的功：

W=p

Adx=pdV1

kg工質(zhì)：

w=pdv活塞移動(dòng)，但dx很小，可近似認(rèn)為

p

不變準(zhǔn)平衡過(guò)程的體積變化功pp外2mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdv1注意：僅適用于準(zhǔn)平衡過(guò)程舉例：氣缸活塞系統(tǒng)若有摩擦f存在，就存在功的損失pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界和系統(tǒng)：不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。舉例：氣缸活塞系統(tǒng)若摩擦f＝0pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’=W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界和系統(tǒng)：可同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。可逆過(guò)程定義：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，沿原過(guò)程反向進(jìn)行，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。注意可逆過(guò)程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。實(shí)際的不可逆過(guò)程：如不等溫傳熱、混合、擴(kuò)散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等?？赡孢^(guò)程的實(shí)現(xiàn)條件準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差溫差、力差等通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢(shì)差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)引入可逆過(guò)程的意義可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。功和熱量功的定義力學(xué)定義:力

力作用方向上的位移熱力學(xué)定義I：當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。熱力學(xué)定義II：功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，是在力差的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。體積變化功和示功圖mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdvpp外21pV.12.W對(duì)體積變化功的說(shuō)明.12.pV1）單位為[kJ]或[kJ/kg]Ww2）p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，是過(guò)程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對(duì)外作功（正）

dV<0，壓縮對(duì)內(nèi)作功（負(fù)）5）適用于：準(zhǔn)靜態(tài)or可逆過(guò)程；任何工質(zhì)熱量的定義熱量：是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。？引入“熵”s

容積變化功

傳熱量

性質(zhì)過(guò)程量

過(guò)程量

推動(dòng)力壓力p

溫度

T

標(biāo)志dV,dv

dS,ds公式

條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆

可逆

w=pdv

q=Tds狀態(tài)參數(shù)-熵s

q=Tds

對(duì)可逆過(guò)程

定義熵：1、熵是狀態(tài)參數(shù)2、符號(hào)規(guī)定系統(tǒng)吸熱時(shí)為正

Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)

Q<0dS<03、用途：判斷傳熱方向、計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量

說(shuō)明：示功圖和示熱圖pVWTSQ

示功(壓容)圖

示熱(溫熵)圖熱力循環(huán)熱力循環(huán)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化回到初態(tài)，