工程热力学第一章

第一章第一章 基本概念基本概念 教学目标教学目标: : 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。知识点：知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。重重 点：点：三种典型的热力系统；三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。的计算；可逆过程的判定准则。难难 点：点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。是本章的难点。1-1 热力系统热力系统 一、系统、边界与外界一、系统、边界与外界热力系统的定义热力系统的定义：将所要研究的对象与周围分隔开来，这种将所要研究的对象与周围分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为人为分隔出来的研究对象，称为热力系统热力系统（简称系统）（简称系统） 。 系统以外的一切物质统称为系统以外的一切物质统称为外界外界。系统与外界的界面称。系统与外界的界面称为为边界边界。 系统与外界之间，通过系统与外界之间，通过边界边界进行能量的传递与物质的迁进行能量的传递与物质的迁移移。界面的特性界面的特性:可以是可以是真实的真实的， 也可以是也可以是虚拟的虚拟的；可以是可以是固定的固定的， 也可以是也可以是运动的运动的。界面热热源源外界外界热力系统热力系统、界面、外界例系系 统统系系 统统热力系统、界面、外界例研究气缸中的气体研究气缸中的气体(打开阀门打开阀门)。是什么热力系？。是什么热力系？系系 统统外界外界热力系、界面、外界例例例二、热力系统的分类二、热力系统的分类( (一一) )按系统与外界之间的相互联系划分：按系统与外界之间的相互联系划分：1.1.闭口系统闭口系统系统与外界无物质交换的热力系统。系统与外界无物质交换的热力系统。2.2.开口系统开口系统系统与外界有物质交换的热力系统。系统与外界有物质交换的热力系统。3.3.绝热系统绝热系统系统与外界无热量交换的热力系统。系统与外界无热量交换的热力系统。4.4.孤立系统孤立系统系统与外界之间不发生任何能量传系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。递和物质交换的系统。1234mQW1 开口系开口系 热力系统非孤立系非孤立系相关外界相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系三、按照系统内部的情况可划分三、按照系统内部的情况可划分1.1.单相系单相系系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一个相，由单一物相组成的系统称为个相，由单一物相组成的系统称为单相系单相系。2.2.复相系复相系有两个相以上组成的系统称为有两个相以上组成的系统称为复相系复相系，如固、液、，如固、液、气组成称三相系。气组成称三相系。3.3.单元系单元系由一种化学成分组成的系统称为由一种化学成分组成的系统称为单元系单元系。4.4.多元系多元系由两种或两种以上物质组成的系统称为由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系多元系。5.5.均匀系均匀系成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系均匀系6.6.非均匀系非均匀系在整个系统空间非均匀分布称为在整个系统空间非均匀分布称为非均匀系非均匀系热力系统的分类1-21-2工质的热力状态及其基本状态参数工质的热力状态及其基本状态参数一、状态与状态参数一、状态与状态参数热力状态定义热力状态定义: :工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为热力性质的总状况，称为热力状态热力状态（简称为状态简称为状态） 。状态参数定义状态参数定义: : 描述工质宏观特性的物理量称为描述工质宏观特性的物理量称为状态参数状态参数。状态参数的数学特性：状态参数的数学特性：2211dxxx或或0dx 热力学中常用的状态参数：热力学中常用的状态参数：温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。二、基本状态参数二、基本状态参数基本状态参数基本状态参数： 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为为。如如 ：温度、压力、比容：温度、压力、比容1.1.温度温度）热力学第零定律热力学第零定律 如果两个物体分别和第三个物如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。力学第零定律。）温度温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。）温标温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。度的标尺称为温标。建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。温标的基准点及分度方法。状态参数温度状态参数温度热力学温标热力学温标 常用的温标常用的温标摄氏温标摄氏温标 t 基基 准准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为点，规定冰点温度为0。沸点温度为。沸点温度为100。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。的。00与与100100这两个基准点之间分成这两个基准点之间分成100100等分等分, , 每一等分为每一等分为1 1度。度。基基 准准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点( (三相三相 点点) )为基准点，并规定它的温度为为基准点，并规定它的温度为273.16K。 t = T273.15热力学温标与热力学温标与摄氏温标之间的关系：摄氏温标之间的关系：常用的温标常用的温标. .压力压力 单位面积上所受到的垂直作用力。单位面积上所受到的垂直作用力。2N/mFpA表达式表达式或或Pa上式计算出的是热力系的真实压力称为上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力绝对压力 p。由压力表测量出来的压力称为由压力表测量出来的压力称为表压力表压力 pg。由气压计测量出来的压力称为由气压计测量出来的压力称为大气压力大气压力 B。表压力表压力pg、大气压力大气压力B和绝对压力和绝对压力p之间的关系如下：之间的关系如下：3561kPa10 Pa1bar10 Pa1MPa=10 Pa常用的压力单位间的关系常用的压力单位间的关系gppp真空度U形管式压力计示意图BBpBP有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”可逆过程的定义：可逆过程的定义： 当系统进行正反两个过程后，系当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态而统与外界均能完全回复到初始状态而不留下任何痕迹不留下任何痕迹，则此过程称为可逆，则此过程称为可逆过程过程可逆过程的描述注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程二、可逆过程可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应典型的不可逆过程不等温传热不等温传热节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）自由膨胀自由膨胀混合过程混合过程可逆过程与准平衡过程的区别：可逆过程与准平衡过程的区别：1.1.可逆过程一定是准平衡过程；可逆过程一定是准平衡过程；2.2.准平衡过程不准平衡过程不一定是可逆过程。一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程，但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界的复表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，用系）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆，因素加统参数加以分析，然后考虑不可逆，因素加以以修正。修正。三、可逆过程的膨胀功（体积功）三、可逆过程的膨胀功（体积功）Fdxw 1 1、力学力学定义定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位位移移 2 2、功是系统与外界相互作用的一种方、功是系统与外界相互作用的一种方式，在式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方式传运动方式传递的能量递的能量。功功的一般表达式的一般表达式Fdxw功的单位功的单位: :J,kJJ,kJ可逆过程功的推导可逆过程功的推导 pdVpAdxFdxW212121)(dVVfpdVW212121)( dvvfpdvw示功图pV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW注意：注意：微元功微元功 不是全微分，不是全微分， 表表示微小量，而不是微小增量示微小量，而不是微小增量wwww1212w所以所以功可功可正正可可负负也可以为也可以为零零即：功是过程量即：功是过程量, ,不是状态量，其大小与初不是状态量，其大小与初、终状态有关终状态有关, , 也与路径有关也与路径有关四、可逆过程的热量四、可逆过程的热量1 1、热量定义热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能量量中，除了中，除了功功的部分。的部分。 另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界是热力系与外界相互作用的另一种方式，在相互作用的另一种方式，在温度温度的推的推动下，以微观动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能能量量。热量计算公式热量计算公式: :Tdsq 2121Tdsq热量单位热量单位:J,kJ:J,kJ微小热量微小热量 ：dQ 0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。表示系统向外界放热。总热量：总热量： QdQ12积分与过程有关积分与过程有关 。u 热量是过程量热量是过程量热量与容积变化功的对比能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量 推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T 标志标志 dV , dv dS , ds公式公式wpdvTdsq pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆循环过程循环过程工质从某一初态工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。为循环过程（简称为循环）。 如图：循环如图：循环1-2-3-4-1PV01243循环概念循环概念 循环过程的特点循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。经一个循环后系统的内能不变。 净功净功 A = 循环过程曲线所包围的面积循环过程曲线所包围的面积 V0Aa21QQPq循环的经济性花费的代价得到的收获经济性指标q可逆循环与不可逆循环全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。一、正循环q定义把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功热源冷源热机Q2Q112netWQQ正循环pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向2112正循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）1netWQ收 益代 价净 功吸 热WnetT1Q1Q2T2动力循环：热效率动力循环：热效率二、逆循环q定义把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功热源冷源热机Q2Q112netWQQ逆循环pVTS净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向2112逆循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）WnetT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数制热循环：制热系数2netqwnetwq1