第一章热力系统第一部分课件

第一章第一章 热力系统热力系统1-11-1 热力系统的基本概念热力系统的基本概念热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为地：人为地 研究对象研究对象1、系统系统的定义的定义systemA quantity of matter or a region in space chosen for study1-11-1 热力系统的基本概念热力系统的基本概念外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、系统、外界系统、外界与边界与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界surroundingsboundary边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed、movablereal、imaginary热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系吸压爆排内燃机工作原理图Types of System开口系开口系绝热系绝热系孤立系孤立系Closed system Control massIsolated systemOpen systemControl volume闭口系闭口系Adiabatic system热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功Simple compressible system3、状态和状态参数状态和状态参数状态：工质状态：工质在热力变化的某一瞬间所呈现的在热力变化的某一瞬间所呈现的 宏观物理状况宏观物理状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的状态参数的变化量变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z=z z(x,y)dz z是全微分是全微分充要条件：充要条件：可可判断是否判断是否是状态参数是状态参数Total differentials基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度温度 T、比容比容 v （容易测量）容易测量）1 1、压力压力 p (pressure)（绝对压力）绝对压力）物理中物理中压强压强，单位单位:Pa(Pascal),N/m2Basic state properties常用单位常用单位Units：1 kPa=103 Pa 1bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=1 kgf/cm2=9.80665 104 Pa压力压力p测量测量绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p pb表表压力压力 pe当当 p pb真空度真空度 pvpbpeppvprelative pressureabsolute pressureGage pressureVacuum pressure环境压力与大气压力环境压力与大气压力指压力表所处环境指压力表所处环境注意：注意：环境压力环境压力一般为一般为大气压大气压，但不一定。但不一定。环境压力环境压力Environmental pressure大气大气压力压力 Atmospheric pressurebarometric hbarometer大气压力大气压力Atmospheric pressure大气压大气压随时间、地点变化随时间、地点变化物理大气压物理大气压 1atm=760mmHg当当h变化不大，变化不大，常数常数1mmHg=gh=133.322Pa当当h变化大，变化大，(h)Other Pressure Measurement Devices高精度测量：高精度测量：活塞压力计活塞压力计 piston manometer工业或一般科研测量：工业或一般科研测量：压力传感器压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度温度 T、比容比容 v （容易测量）容易测量）2 2、温度温度 T (Temperature)Basic state properties温度温度T 的一般定义的一般定义传统：传统：物体冷热程度的度量。感觉，导热，热容量物体冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：微观：大量基本微粒作无规则热运动的激烈大量基本微粒作无规则热运动的激烈程度程度 T 0.5 m w 21)同同T,0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw 2总总 0,T 0,1951年核磁共振法对年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3)T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，分子一切运动停止，零点能零点能Temperature measurement温度温度计计物质物质（水银，铂电阻水银，铂电阻）特性特性（体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度 Scale温标温标 Temperature scaleReference state温标温标Temperature scale 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标摄氏温标Celsius scale (Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标华氏温标Fahrenheit scale (German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标朗肯温标Rankine scale (W.Rankine,1820-1872)常用温标之间的关系常用温标之间的关系绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点559.67温标的换算温标的换算Temperature Measurement Devices日常日常：水银温度计：水银温度计，酒精温度计，酒精温度计，thermometer工业工业：热电偶：热电偶 Thermocouple 热电阻热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计辐射温度计Radiation thermometer计量计量：铂电阻温度计：铂电阻温度计 Platinum基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度温度 T、比容比容 v （容易测量）容易测量）3 3、比容比容 v (specific volume)Basic state propertiesm3/kg工质聚集的疏密程度工质聚集的疏密程度物理上常用物理上常用密度密度d density kg/m3平衡状态平衡状态Equilibrium state定义：定义：在在不受外界影响不受外界影响的条件下（重力场除的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。则该系统处于平衡状态。A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.4、热力学平衡状态热力学平衡状态热力平衡：热力平衡：热热的平衡、的平衡、力力的平衡的平衡1、热平衡、热平衡Thermal equilibrium:温度处处均匀一致温度处处均匀一致Q热的不平衡热的不平衡 热平衡热平衡 系统各部分间没有热量传递系统各部分间没有热量传递Many types of Equilibrium2、力平衡力平衡Mechanical equilibrium:压力、密度、比容等处处均匀一致压力、密度、比容等处处均匀一致P力的不平衡力的不平衡 力平衡力平衡 系统各部分间没有相对位移系统各部分间没有相对位移1、不平衡状态，在无外界影响的条件下会自发的趋于平衡。2、平衡状态，不会自发的破坏。3、热得交换或功的交换，都将破坏平衡状态P（热力）平衡状态（热力）平衡状态 工程热力学主要研究平衡状态，不平衡状态不去研究 因为不平衡状态无法用状态参数来表示，故无法研究。1-2 状态方程、坐标图状态方程、坐标图平衡状态平衡状态可用可用一组一组状态参数描述其状态状态参数描述其状态状态公理状态公理：对组元一定的：对组元一定的闭口系闭口系，独立状态参数个数独立状态参数个数 N=n+1想确切描述某个热力系，是想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？否需要所有状态参数？状态公理状态公理State postulate闭口系：闭口系：而而不平衡势差彼此独立不平衡势差彼此独立 独立参数数目独立参数数目N=不平衡势差数不平衡势差数 =能量转换方式的数目能量转换方式的数目 =各种功的方式各种功的方式+热量热量=n+1n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等等不平衡势差不平衡势差 状态变化状态变化 能量传递能量传递消除一种消除一种 达到某一达到某一 消除一种能量消除一种能量不平衡势差不平衡势差 方面平衡方面平衡 传递方式传递方式简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：简单可压缩系统：N=n+1=绝热简单可压缩系统绝热简单可压缩系统 N=?2只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功 The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties状态方程状态方程Equation of state状态方程状态方程 基本状态参数（基本状态参数（p,v,T)之间之间 的关系的关系理想气体的状态方程理想气体的状态方程The Ideal-Gas Equation of State简单可压缩系统：简单可压缩系统：N=2 只要知道两个独立的状只要知道两个独立的状态参数即可确定状态态参数即可确定状态 P P、V V、T.T.均可确定均可确定 状态参数座标图状态参数座标图简单可压缩系统简单可压缩系统 N=2，平面平面坐标图坐标图pv1 1）系统任何平衡态可系统任何平衡态可 表示在坐标图上表示在坐标图上说明：说明：2 2）过程线中任意一点过程线中任意一点 为平衡态为平衡态3 3）不平衡态无法在图不平衡态无法在图 上用实线表示上用实线表示常见常见p-v图和图和T-s图图21