工程热力学第一篇03

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一篇,工程热力学,（,Engineering Thermodynamics,）,1,第一章 基本概念,1-1,热力系统,1-2,平衡状态及状态参数,1-3,状态方程与状态参数坐标图,1-4,准平衡过程与可逆过程,1-5,功量和热量,1-6,热力循环,2,1-1,热力系统,热力学中常把研究的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。这种人为的分割出来的研究对象称为,热力系统,，简称,热力系,或,系统,。,外界,（,surrounding,）,边界,（,boundary,）,热力系统,（,thermodynamic system,）,热力系以外与之相互作用的周围物体统称为,外界,或,环境,。,为了避免把热力系和外界混淆起来，设想有分界面将它们分开，这个分界面称为,边界,。,边界可以是,真实的,，也可以是,假想的,；可以是,固定的,，也可以是,运动的,。热力系的边界常用虚线表示。,3,举例说明,4,热力系统分类,根据热力系与外界之间的能量和物质交换情况，热力系可分为：,（,1,）,闭口系（,closed system,）,与外界无物质交换的系统,。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量,（,control mass,，,简写为,CM,）,。,5,（,2,）,开口系（,open system,）,与外界有物质交换的系统,。,通常总是取一相对固定空间，把研究对象限制在这一空间范围内,，,也称为控制容积（,control volume,简写为,CV,）。,注意：,1,）,闭口系与开口系都可能通过边界与外界发生能量的传递。,2,）,区分闭口系和开口系的关键是有没有物质越过了边界，并不是系统内物质的质量是不是发生了变化。,进口,出口,6,（,3,）,绝热系（,adiabatic system,）,与外界无热量交换的系统。,（,4,）,孤立系（,isolated system,）,外界既无能量交换又无质量交换的系统。,闭口系绝热系,开口系绝热系,Q,0,7,A,、,B,两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”,A,B,A,部落为系统,A+B,部落为系统,孤立系,闭口系,注意：,1,）,绝热系与孤立系都是抽象的概念,，,是完全理想化了的情况,。,2,）,选取何类热力系对研究问题的结果并无影响，仅与解决问题的繁复程度有关。,3,）,在作热力学分析时，不仅要考虑热力系内部的变化，同时还要考虑热力系通过边界与外界发生的能量与物质的交换，至于外界的变化则不必研究。,8,热机（,heat-engine,）,：,凡能将热能转换为机械能的机器统称为热机。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等等，或称热能动力装置。,热源（,heat source,）,：,与热力系有热量交换的物质系统的统称。,高温热源,热源 恒温热源,低温热源,冷源 变温热源,简单可压缩系（,simple compressible system,）,：,热力系由可压缩流体构成，与外界只有可逆体积变化功（可逆过程的膨胀功或压缩功）的交换的系统。,工质（,working substance,）,：,实现能量相互转换的媒介物称为工质。,介绍几个常用概念,9,1-2,平衡状态及基本状态参数,1.,平衡状态,（,equilibrium state,）,（,1,）热力状态,系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的,热力状态,，,简称,状态,。,（,2,）平衡状态,在没有外界影响的条件下（重力场影响除外），热力系的宏观性质不随时间而变化的状态。,处于平衡状态的热力系，必须同时具备,热平衡,和,力平衡,，对于有化学反应的系统同时还应具备,化学平衡,。,10,热平衡,在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处温度相等。,温差是驱动热传递的不平衡势差,，,温差的消失则是系统建立热平衡的必要条件,。,力平衡,在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力相等。,力差也是驱使系统状态变化的一种不平衡势差,，,力差的消失是使系统建立起力平衡的必要条件,。,对于有化学反应,的,系统,，,化学势差的消失才能建立起,化学平衡,。,建立平衡状态的充要条件,：,系统内部或者系统与外界之间各种不平衡势差的消失,。,11,2.,状态参数,（,parameter of state,）,用来描述系统状态的宏观物理量称为状态参数。常用的状态参数有,6,个，即压力（,p,）、温度（,T,）、比体积（,v,）、热力学能（,U,）、焓（,H,）和熵（,S,）。,状态参数,强度参数,:,与系统内所含工质的数量无关,的,状态参数,，,如,p,、,T,等。不具有,可加性,。,广延,参数,:,与系统内所含工质的数量有关的,状态参数,。,如,V,、,U,、,H,、,S,等。,具有可加性,。,单位质量的广延参,数，具有强度参数的性质，称为,比参数,，,如,v,、,h,、,u,、,s,等,。,12,状态参数的特点,状态参数是状态的单值函数，热力系的状态一定，其状态参数的数值也一定。系统状态变化时，初、终状态参数的变化值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的路径无关,。,当系统经历一系列状态变化而又回复到初态，其状态参数的变化为零,。,如果能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数。,13,处于,平衡状态,的热力系，,状态参数具有确定的数值,。,而非平衡状态,的热力系,其,状态参数,是不确定的。,工程热力学通常只研究平衡状态,，它,是经典热力学理论框架得以建立的重要基础。,14,3.,基本状态参数,压力（,p,）、温度（,T,）、比体积（,v,）可以直接或间接地用仪表测量出来，称为,基本状态参数。,（,1,）压力,（,pressure,）,单位面积上所受到的垂直作用力（压强）。,P,为工质的真实压力，即,绝对压力。,根据分子热运动学说，气体的压力是大量气体分子运动撞击容器壁面所产生的平均结果。,力,面积,15,常用非,SI,压力单位：,国际单位制,:,Pa,（帕），,1,Pa=,1,N/m,2,1,MPa=,10,3,kPa=,10,6,Pa,1,bar,（巴）,=10,5,Pa,1,atm,（标准大气压）,=1.013,10,5,Pa,1,at,（工程大气压）,=0.981,10,5,Pa,1,mmH,2,O,（毫米水柱）,=9.81,Pa,1,mmHg,（毫米汞柱）,=133.3,Pa,16,压力测量,：,只有绝对压力,p,才是状态参数。,绝对压力,p,表压力,p,e,（,p,g,）,真空度,p,v,当地大气压,p,b,负压,正压,17,（,2,）温度,（,temperature,）,温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。,当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到,热平衡,（即温度相等）。所以,温度是热平衡的判据,。,1,）温度的物理意义,温度相等,热平衡,18,2,）热力学第零定律,如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。,热力学第零定律是温度测量的理论依据,。,A,B,C,3,）温标,温度的数值表示法。,国际单位制（,SI,）采用热力学温标作为基本温标。,19,用热力学温标确定的温度称为,热力学温度,，用符号,T,表示，单位为,K,（开）,。,热力学温标（绝对温标）,:,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为,273.16 K,。温差,1K,相当于水的三相点温度的,1/273.16,。,摄氏温标,:,用,摄氏,温标确定的温度称为,摄氏温度,，用符号,t,表示，单位为,（摄氏度）,。,摄氏温度的定义式为,：,摄氏温度的零点相当于热力学温度,的,273.15K,，,1,=1K,20,（,3,）比体积,（,specific volume,）,定义：,单位质量的工质所占有的体积，用符号,v,表示，单位为,m,3,/kg,。,密度：,单位体积的工质所具有的质量，用符号,表示，单位为,kg/m,3,。,比体积和密度不是两个互相独立的状态参数,。,通常以,比体积作为状态参数,。,21,1-3,状态方程与状态参数坐标图,（,1,）状态公理,对于简单可压缩系统，只需,给出,两个,相互,独立,状态的参数（如,p,、,T,）便可确定它的平衡状态。,（,2,）状态方程式,表示基本,状态参数之间关系的方程式称为,状态方程式,。如：,22,（,3,）状态参数坐标图,在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态，而非,平衡状态无法在图上表示。,以独立状态参数为坐标的坐标图。,23,1-4,准平衡过程和可逆过程,（,1,）热力过程,热力系从一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态称为,热力过程,，简称,过程,。,P,P,b,P,P,P,b,P,=,P,+,P,b,P,=,P,b,P,P,b,24,（,2,）准平衡过程,（,quasi-equilibrium process,）,由一系列非常接近平衡状态的状态所组成的过程就称为,准平衡过程,，也称为,准静态过程（,quasi-static process,）,。,准平衡过程的实现条件是：破坏平衡状态存在的不平衡势差（除力差外，还包括温差、化学势差等）应无限小。,25,准平衡过程是,实际过程的理想化，是实际过程进行得非常缓慢的一个极限,。实际设备中所进行的过程都是在有限势差作用下进行的，都是非平衡过程。但在热力学中，为便于分析，,常把实际过程当作准平衡过程来处理,。这是因为系统在平衡状态被破坏后自动恢复平衡所需的时间，即所谓,弛豫时间,非常短,，,而过程进行的时间远大于弛豫时间，系统一旦偏离平衡状态，系统很快重新恢复平衡状态。因此，将某些实际设备中进行的过程视为准平衡过程是可以被允许的。如果在某些情况下这样的处理会带来较大的误差时，应引入考虑不平衡影响而进行的修正。,在状态参数坐标图上，准平衡过程可以用连续的实线表示。,p,v,1,2,26,（,3,）,可逆过程（,reversible process,）,当系统完成了某一过程之后，如果系统能沿原路径逆行而回复到原来状态，同时外界也随之回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。,27,可逆过程的特征是：,1,）,准平衡过程,，因为在有限势差作用下进行的非平衡过程必然导致不可逆。,2,）,在可逆过程中不应有任何诸如摩擦、电阻、磁阻等的,耗散效应,（通过摩擦、电阻、磁阻等使功变为热的效应称为,耗散效应,，由此造成可用功的损失称为,耗散损失,）。,实现可逆过程的的充要条件,，,一是,过程没有势差（或势差无限小）,如传热没有温差，作膨胀功没有力差等，二是,过程没有耗散效应,，如机械运动没有摩擦，导电没有电阻等。,也可以说，,只有准平衡过程且过程中无任何耗散效应的过程才是可逆过程,。,28,准平衡过程与可逆过程,的,联系,与,区别,：,1,）,两个过程都是由一系列平衡状态所组成，在状态参数坐标图上都能用一条连续的曲线来表示。,2,）,有无耗散损失,可逆过程是一切实际过程的理想化极限，实际上是不可能实现的。引入可逆过程是一种研究方法。,可逆过程,一定是,准平衡过程，但准平衡过程则不一定是可逆,过程,。,29,引入可逆过程的概念对分析实际过程有何意义,？,实际过程都或多或少地存在着各种不可逆因素，都是不可逆的。在对不可逆过程进行分析计算时往往是相当困难的，为了简便起见，通常把实际过程当作可逆过程来进行分析计算，然后再用一些经验系数加以修正。另外，可逆过程是一切实际过程的理想化极限模型，可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失，因而可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限。,30,1-5,功量与热量,1.,功,量,（,work,）,功的力学定义：,力与沿力作用方向产生位移的乘积,。,功的热力学定义：,热力系与外界间通过边界而传