工程热力学第讲基本概念资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,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,*,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,2010-9-5,*,过程装备与控制工程专业,工程热力学,第二讲,山东大学机械工程学院,过程装备与控制工程研究所,本讲内容,CH0,基本概念,1.1,热力系统,系统,边界,外界,1.2,热力状态,状态参数,平衡状态,状态方程,1.3,热力过程,准静态（准平衡）,过程,可逆过程,热力,循环,学习要求,CH1,基本概念,1,理解并掌握热力系统、状态、过程的基本概念：,系统、边界、外界、封闭系统、敞开系统、简单热力系统、绝热系统、孤立系统；,状态、状态参数、基本状态参数、导出状态参数、强度参数、广度参数、平衡状态、自由度、状态方程；,过程、准静态过程、可逆过程、循环、正循环、逆循环、可逆循环、不可逆循环；,压力、绝压、表压、真空度、温度、温标、比容；,过程量、状态量，,p,V,图、,T,S,图；,等等。,2,掌握热力学第零定律,1.1,热力系统,基本概念：,热力系统,(,热力系、系统,),：作为研究对象的人为指定范围内的物质。,边界（控制面）：系统和外界之间的分界面。,外界：系统之外的物质。,边界：,边界的作用：系统与外界通过边界交换,能量,和,质量,。,边界的特性：可以是,固定,的，也可以是,运动,的；可以是,真实,的，也可以是,假想,的。,1.1,热力系统,热力系统选取的人为性：,热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，但选取不当将不便于分析。,举例：,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1.1,热力系统,热力系统的分类：,系统与外界,是否,传质,：,开口系,/,闭口系,系统与外界是否,传热,：,非绝热系,/,绝热系,系统与外界是否,传功,：,非绝功系,/,绝功系,系统与外界是否,传,热、功、质,：,非孤立系,/,孤立系,系统物理化学性质是否,均匀,：,均匀系,/,非均匀系,系统工质种类是否,单一,：,单元系,/,多元系,系统工质相态是否,单一,：,单相系,/,多相系,最重要的,热力系统,_,简单可压缩系统：,只交换,热量,和,一种准静态的,容积变化功（,压缩功,或,膨胀功,）,！,1.1,热力系统,热力系统的分类图解：,1,2,3,4,m,Q,W,1,开口系,非孤立系相关外界孤立系,1+2,闭口系,1+2+3,绝热闭口系,1+2+3+4,孤立系,1.2,热力状态,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况。,状态参数：描述热力系状态的物理量。,状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。,状态参数的分类,：,(,是否可以直接测量,),1,、基本状态参数：,p T V,2,、导出状态参数：,H S U A G,状态参数的特征：,可判断是否是状态参数,1,、积分特征：点函数,状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。,2,、微分特征：全微分,设,z,=,z,(,x,y,),1,2,a,b,1.2,热力状态,基本状态参数,_,压力,p,：,就是物理中的压强。,基本单位,:Pa(Pascal),N/m,2,常用单位：,1 mmHg=133.3 Pa,1 kPa =10,3,Pa,1 bar =10,5,Pa,1 MPa =10,6,Pa,1 atm =760 mmHg =1.013,10,5,Pa,1 bar,1 at =1 kgf/cm,2,=9.80665,10,4,Pa,工业或一般科研测量：,压力传感器、压力表,1.2,热力状态,基本状态参数,_,压力,p,：,绝对压力,p,：系统的真实压力。,环境压力,p,b,：,指压力表所处环境,的压力,表压,p,e,：绝对压力与环境压力的相对值,真空度,p,v,：绝对压力小于环境压力时，二者的相对值,注意,：,只有绝对压力,p,才,是状态参数。,环境压力一般为大气压,，,但不一定,。,环境压力,的确定：,1,）大气压随时间、地点变化,，,常取,0.1MPa,或者取,1atm=760mmHg,=1.013,10,5,Pa,。,2,）当,h,变化大，,=,(,h,),p,b,p,e,p,p,v,p,1.2,热力状态,基本状态参数,_,温度,T,：,温度的定义：,传统：冷热程度的度量。,感觉,微观：衡量分子平均动能的量度。,T,0.5,mw,2,热力学定义：温度是确定一个系统是否与其它系统处于,热平衡,的,宏观,物理量。,温度的常用单位：,K,，,温度的测量：,理论基础,热力学第零定律。,测量工具,温度计。工业或一般科研测量：,水银温度计，酒精温度计，热电偶，热电阻，辐射温度计，铂电阻温度计。,温度计组成：,物质特性,、,基准点,、,刻度,。,温标：温度的数值表示法。,四种,常用温标,1.2,热力状态,热力学第零定律（,R.W.Fowler in 1931,）：,如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，,则两个系统彼此必然处于热平衡,。,具体表述如下：,1.,可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体,系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。,2.,当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。,3.,一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达；或者也可以通过第三个体系的温度来表达。,意义：,热力学第零定律用来作为进行体系测量的基本依据，其重要性在于它说明了温度的定义和温度的测量方法,。,1.2,热力状态,基本状态参数,_,温度,T,：,四种常用温标之间的关系：,绝对,K,摄氏,华氏,F,朗肯,R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,注意：,绝对温标与测温物质无关。,1.2,热力状态,基本状态参数,_,比容,v,：,定义：单位质量物质所占的体积,比容是密度的倒数,单位：,m,3,/kg,意义：工质聚集的疏密程度,1.2,热力状态,强度参数与广延参数：,(,是否与物质的量有关,),强度参数：,与物质的量无关的参数。如,压力,p,、温度,T,、,速度,c,、,高度,z,广延参数：,与物质的量有关的参数,可加性。,如,质量,m,、摩尔数,n,、容积,V,、熵,S,、,内能,U,、焓,H,、动能,Ek,、,位能,Ep,比参数：,单位：,/kg /kmol,具有强度参数的性质,比,容积,比,内能,比,焓,比,熵,1.2,热力状态,平衡状态：,定义：,在不受外界影响的条件下（重力场除外），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。,平衡的本质,：不存在不平衡势,平衡的条件,：,1,、热平衡,温差,热不平衡势,2,、力平衡,压差,力不平衡势,3,、相平衡,相变,相不平衡势,4,、化学平衡,化学反应,化学不平衡势,研究平衡状态的意义：,只有系统处于平衡状态时，才能用状态参数描述，系统所处的状态也确定；反之亦然。,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述，但平衡状态是死态，没有能量交换。,1.2,热力状态,平衡状态可用一组状态参数描述其状态。然而，要确切的描述热力系统的状态，却不必知道所有的状态参数。,系统的自由度：描述系统状态所需要的独立变量的数目。,状态公理（吉布斯相律）：,平衡态自由度,=,系统内的组分数,系统相数,+2,独立参数数目,N,=,不平衡势差的数目（,不平衡势差彼此独立,）,=,能量转换方式的数目,=,各种功的方式,+,热量,=,n,+1,n,容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功,等,简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功，简单可压缩系统的独立变量数：,N,=,n,+1=2,不平衡势差,状态变化 能量传递,1.2,热力状态,状态方程：,定义：将任一因变量表示为自变量的函数关系式。,单组分单相系统：,f,(,p,v,T,)=0,理想气体状态方程：,实际气体状态方程：,?,p,-,v,图（示功图）：,对简单可压缩系统,N,=2,，可用,两个独立状态参数,在,平面,坐标图上表示系统所处的状态。,说明：,1,）系统任何平衡态可表示在坐标图上；,2,）过程线中任意一点为平衡态；,3,）不平衡态无法在图上用实线表示。,p,v,p,-,v,图,2,1,1.2,热力状态,平衡与稳定：,稳定：参数不随时间变化。,稳定但可以存在不平衡势差，去掉外界影响，则状态变化。,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。,平衡与均匀：,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。,平衡：时间上,均匀：空间上,1.3,热力过程,准静态,（准平衡）,过程的引入：,准静态,（准平衡）,过程：,有足够时间恢复新平衡,准静态过程,工程条件：,非平衡状态,无法简单描述,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,热力学引入,准静态过程,状态变化,破坏平衡所需时间,（外部作用时间）,恢复平衡所需时间,（驰豫时间）,1.3,热力过程,一般过程：,p,，,T,p,0,突然去掉重物,p,1,=,p,0,+,重物重量,/A,T,1,=,T,0,最终,p,2,=,p,0,T,2,=,T,0,p,v,1,2,.,.,1.3,热力过程,准静态,（准平衡）,过程：,不平衡势差无限小、无限缓慢。,由连续的、无限接近平衡的状态所组成的过程。,p,，,T,p,0,假如重物有无限多层,p,1,=,p,0,+,重物重量,/A,T,1,=,T,0,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统,随时,接近于平衡态,1.3,热力过程,准静态（准平衡）过程：,既是平衡，又是变化。,准静态过程既可用状态参数描述，又可进行热功转换。,只有准静态过程才能在坐标图中用连续实线表示，才可以用热力学方法分析。,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,一般的工程过程都可认为是准静态过程！,例：,活塞式内燃机,2000,转,/,分，曲柄,2,冲程,/,转，,0.15,米,/,冲程。,活塞运动速度,=2000,2 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）,350 m/s,具体工程问题具体分析。注意,“突然”“缓慢”！,1.3,热力过程,可逆过程：,定义：系统经历某一过程后，如果能使,系统与外界同时,恢复到初始状态，,而不留下任何痕迹,，则此过程为,可逆过程。,注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的,功与热完全可用系统内工质的状态参数表达,，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。,可逆过程与准静态过程的区别：,准静态过程是实际过程的,理想化,过程，但并非最优过程，可逆过程是,最优,过程。,可逆过程一定是准静态过程，准静态过程不一定是可逆过程。,可逆过程完全理想，以后经常用可逆过程的概念。准静态过程很少用。,准静态过程,+,无耗散效应,=,可逆过程,1.3,热力过程,不可逆过程：,不可逆根源：不平衡势差、耗散效应,功变热的效应,(,摩阻、电阻、非弹性变性、磁阻等）。,实际过程都是不是可逆过程,，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以,修正,。,常见的不可逆过程：,不等温传热,T,1,T,2,T,1,T,2,Q,(,阀门）节流过程,p,1,p,2,p,1,p,2,混合过程,自由膨胀,真空,1.3,热力过程,热力循环：,定义：热力系统经过一系列变化,回到初态,，这一系列变化过程称为热力循环。,意义：要实现,连续,热功转换，必须构成,循环。,分类：,正循环，逆循环,不可逆循环，可逆循环,逆循环,制冷、热泵循环,方向：逆时针,净效应：,消耗功，放热,。,