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Engineering Thermodynamics,第一章 基本概念 BASIC CONCEPTS,1,1 热力系统 Thermodynamics System 2 状态与状态参数 State and State Properties 3 基本状态参数 4 平衡状态 Equilibrium 5 状态方程 6 准静态过程和可逆过程 Reversible Process 7 热量和功 Energy Transfer by Work and Heat 8 热力循环 Thermodynamics Cycles,主要内容,2,本章重点,取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。,3,1-1 热力系统,压缩机 Compressor 热电厂 Steam power plant 飞机 Aircraft 空调热泵 Heat Pump,4,压缩机,5,热电厂,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,6,飞机,7,空调热泵,8,制冷热泵系统示意图,房屋,蒸发器,冷凝器,膨胀阀,压缩机,Q1,Win,Q2,9,1-1 热力系统,系统、外界与边界 （System 、Surrounding、 Boundary） 系统：用界面分离出的研究对象。 A quantity of matter or a region in space chosen for study 外界：系统以外的所有物质。 边界：系统与外界的分界面。 Boundary: The real or imaginary surface that separates the system from its surroundings,系统与外界的作用都通过边界,10,边界,11,边界特性,边界可以： 真实或虚构； real or imaginary 固定或移动；fixed or movable 没有厚度和体积，不含有任何物质。no thickness and volume , does not contain any substance.,12,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,13,系统分类 Classification,1-1 热力系统,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,14,系统分类 Classification 闭口系 Closed system 开口系 Open system 孤立系 Isolated system 绝热系 Adiabatic system,1-1 热力系统,15,闭口系,系统和外界（边界处）只有能量交换，无质量交换 A system that only energy can cross the boundary but no mass can enter or leave ( also known as control mass ) 闭口系例子 密闭容器 气缸-活塞系统 piston-cylinder system,16,系统和外界（边界处）既可有能量交换，也有质量交换 A system that not only energy but also mass can cross the boundary (also known as control volume ) 闭口系例子 泵 pumps, 压缩机 compressor, 汽轮机 热交换器 heat exchanger.,开口系,17,孤立系 Isolated system,系统和外界（边界处）既无能量交换，也无质量交换 A system that neither energy nor mass can cross the boundary (a special closed system),The Universe,18,绝热系 Adiabatic System,19,1 开口系,热力系统,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,20,1、下列系统类型？,问题？,2、下列系统之间的关系？,1）闭口系和定质量系统 closed system and constant mass system? 2）闭口系和绝热系？closed system and adiabatic system? 3）孤立系和闭口绝热系？ isolated system and adiabatic system?,21,例题 1-1,例1：一刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,红线内 闭口绝热系,粉红线内不包含电热丝 闭口系,粉红线内包含电热丝 闭口绝热系,兰线内 孤立系,22,例题 1-2,热力系示例2 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,A+B部落为 孤立系,闭口系,23,1-2 状态和状态参数State and State Properties,状态 某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 the condition of a system 状态参数 State Properties 描述热力系状态的物理量 any characteristic of a system 常用状态参数 压力 pressure P, 温度 temperature T, 体积 volume V, 质量 mass M，内能 internal energy U ,熵 entropy S , 焓 enthalpy H,24,1-2 状态和状态参数,状态参数分类 强度量 Intensive property： 与物质的量无关的参数 independent of the size of system. such as:如压力 p、温度T 广延量 Extensive property： 与物质的量有关的参数可加性 depend on the size or extent of the system. such as：质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 比参数 Specific properties 单位质量的广延状态参数 Extensive properties per unit mass Such as: 比容 specific volume u (u=V/m) 比焓 specific enthalpy h (h=H/m) 具有强度量的性质,25,强度量和广延量判别,extensive,intensive,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,26,1-2 状态和状态参数,状态参数特性 Character of Property 状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 状态参数的积分特征：状态参数的变化量路径无关，只与初终态有关 They depend on the states only, but have nothing to do with the path from one state to another 状态参数的微分特征：全微分,27,状态参数的积分特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,28,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,29,1-2 状态和状态参数,基本状态参数（容易测量） 温度T 压力p 比容v,30,What is temperature?,温度Temperature and temperature scale,温度T 的一般定义 传统： 冷热程度的度量。 热力学定义： ？ 热力学第零定律：（the zeroth law of thermodyn） 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。,温度测量的理论基础 B 温度计,31,温度Temperature and temperature scale,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准,为什么叫做热力学第零定律？,32,温度Temperature and temperature scale,温度的热力学定义 处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。,33,温度测量,温标 Temperature scale 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907） 摄氏温标 Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标 Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736) 朗肯温标 Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),34,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,559.67,35,温标 Temperature scale,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,36,压力 Pressure,Definition 物理中压强 单位： SI: Pa-N/m2 (bar,atm,kgf/cm2) English: psi-lbf/in2 其他单位间关系：,1bar=105 Pa = 0.1 Mpa =100 kPa 1atm=101,325 Pa = 101.325 kPa =1.01325 bar =14.696 psi,37,压力 Pressure,如何测量？,38,压力Pressure,表压和真空度 Gage Pressure and Vacuum Pressure 绝对压力 Absolute Pressure (p) The actual pressure at a given position is called the absolute pressure. 环境压力 Atmospheric pressure (pb ) 指压力表所处环境压力。 表压力 Gage pressure (pg) 当p pb 表压力 pe 真空度 Vacuum pressure (pv) 当 p pb 真空度 pv,39,压力Pressure,Absolute vacuum,Absolute vacuum,p,pv,p,pg,绝对压力和相对压力,40,压力测量Pressure,压力测量 Manometer Bourdon tube,41,例题 1-3,某地环境压力为98 kPa，已知某容器真空表读数为30 kPa， 试求该容器内的绝对压力？ 解:,42,容器分成 1 和2两室. 压力表A 读数为 300 kPa ，压力表B 读数为120 kPa. 已知当地大气压为 720 mmHg,试求A和B内的绝对压力以及气压表C的读数？,例题 1-4,解: 大气压力为 室1 的绝对压力 室 2 的绝对压力 压力表 C 读数,43,比容和密度 Specific Volume and Density,比容 为强度量。,m3/kg,44,1-3 平衡状态 Equilibrium State,平衡状态 如果在不受外界影响的条件下（重力场除外），系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。 平衡类型 热平衡 Thermal equilibrium 力平衡 Mechanical equilibrium 化学平衡 Chemical equilibrium 相平衡 Phase equilibrium 平衡条件（实质） 不存在不平衡势差 温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,There are no unbalanced potentials。,45,思考?,1）平衡与均匀 Equilibrium and homogeneous,2）平衡与稳定 Equilibrium and Steady, 平衡可不均匀, 稳定未必平衡,平衡：时间上 均匀：空间上,46,1-3 平衡状态,为什么引入平衡概念？ 工程热力学研究平衡问题。 如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述。,状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1,具体需要多少参数？,47,1-3 平衡状态,n 各种功的方式 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 1 热量传递 N 独立参数数目（能量转换方式的数目）,状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1,简单可压缩系统：只交换热量和一种容积变化功,简单可压缩系统：N = n + 1 =2,48,1-3 平衡状态,状态方程 基本状态参数（p,v,T )之间的关系 状态方程的具体形式 理想气体的状态方程 实际工质的状态方程？,简单可压缩系统：N = n + 1 =2,49,1-3 平衡状态,例：R134a的维里型状态方程,50,坐标图 diagram,简单可压缩系统 N=2，即可用两个参数确定系统 状态，可选取此2参数组成平面坐标系，常见的参数 坐标： T-s图 P-v图 h-s图等,p,v,常见p-v图和T-s图,2,1,51,准静态过程 偏离平衡态无穷小随时恢复平衡的状态变化过程。即系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程，又称准平衡过程。 A process proceeds in a such manner that the system remains infinitesimally close to an equilibrium state at all times.,1-4 准静态过程和可逆过程 Quasi-equilibrium and reversible Process,理论上无限缓慢, Note,A quasi-equilibrium is an idealized process. But many actual processes approximate it.,52,一般过程 Process,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,53,准静态过程 Quasi-static process,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,54,准静态过程,55,1-4 准静态过程和可逆过程,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？ 准静态过程的工程条件：,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）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,56,1-4 准静态过程和可逆过程,准静态过程的实现:,热、力平衡,57,1-4 准静态过程和可逆过程,气缸,活塞,飞轮,热 源,工质、机器和热源组成的系统,过程假设： 1、无摩擦； 2、热源与工质温差无限小； 3、工质与外界压差无限小。,58,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,可逆过程模拟,59,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,续41,60,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,续41,61,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,续41,62,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,续41,63,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,续41,64,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,续41,65,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,续41,66,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,续41,67,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,68,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,69,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,70,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,71,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,72,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,73,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,74,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,75,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,76,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,77,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,续41,78,可逆过程 Reversible Process 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。 可逆过程的实现条件 准静态过程 （internally reversible) 无耗散效应 no dissipative effect (externally reversible) - 摩擦、电阻、磁阻、非弹性变形等. 不可逆根源 不平衡势差 和 耗散效应 实际过程都是不可逆的。,1-4 准静态过程和可逆过程,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。,79,1-4 准静态过程和可逆过程,思考？,Nonequili. Irrever.,Equii. Rever.,Nonequil.,Equii. Irrever,Equili. Rever.,80,1-4 准静态过程和可逆过程,常见的不可逆过程,81,总结:,1-4 准静态过程和可逆过程,1、可逆=准静态+没有耗散效应 2、准静态着眼于系统内部平衡 可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的 总效果 3、一切实际过程不可逆 4、可逆过程可用状态参数图上实线表示,82,1-5 功和热 Work and Heat,功 Work 定义 is a form of energy transferred associated with a force acting through a distance. 符号规定 系统对外做功 膨胀 dV0 + 对系统做功 压缩 dV0 - 功的类型 体积功 Moving boundary work 轴功 Shaft work 弹性功 Spring work 表面拉伸功 Work associated with the stretching 电功 Electrical work 磁功 Magnetic work,83,体积功 Moving boundary work,1-5 功和热,1kg工质:,84,1-5 功和热,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,又称示功图,85,1-5 功和热,P-v diagram,1,2,86,回顾,准静态过程 进行无限缓慢，系统处于平衡状态； 工程上问题可近似用准静态过程处理。 可逆过程 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 条件 准静态 无耗散,87,回顾,功 符号规定 ( 对外“+”, 对系统 “-”) 体积功计算（可逆过程） 热 符号规定 (吸热 “+”, 放热 “-”) 热量表达式,88,热量 定义 热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温 度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。 符号规定 系统吸热时为正 Q 0 系统放热时为负 Q 0,1-5 功和热,又称示热图,ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商,清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,89,1-5 容积变化功与热量,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,90,1-5 容积变化功与热量,是过程量，不是状态量。 其大小与初、终状态有关，也与路径有关。,T,s,1,2,a,b,S1,S2,91,例题 1-4,1 kg 气体以下列关系a) 和 (b) 膨胀。试计算各过程的膨胀功。并示意在p-v图上。,解：,（1）,（2）,92,1-6 热力循环 Cycle,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。 分类 可逆和不可逆 Reversible / Irre. Cycle Reversible cycle consist entirely of reversible processes. 循环过程特点 经一个循环后系统的状态参数（内能、熵、焓等）不变。,93,1-6 热力循环 Cycle,循环过程的特点 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积 循环经济性评价指标 Performance,Performance=,得到的收益 （Desired output）,花费的代价 （Required input）,94, 1-6 热力循环,正向（动力）循环 Power cycle 逆向（制冷/热泵）循环 Refrigeration (heat pump) cycle,95,1-6 热力循环,正向（动力）循环 Power cycle,96,1-6 热力循环,动力循环（正循环）特点： 净效应1：对外做功 净效应2：吸热 在P-v/T-s 图上循环顺时针方向 对外做净功等于吸收净热量,动力循环收益,动力循环代价,97,1-6 热力循环,动力循环经济性指标 热效率 Thermal efficiency 根据效率的定义,W,T1,Q1,Q2,T2,98,1-6 热力循环,逆向循环 refrigeration cycle and heat pump cycle,99,1-6 热力循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,制冷（逆）循环：逆时针方向,2,1,1,2,100, 1-6 热力循环,逆向循环评价指标 Coefficient of Performance (COP) 制冷循环 Refrigerator: 制热循环 Heat pump:,W,T0,Q1,Q2,T2,101,关于空调器标准,102,第一章 总结,基本知识点： 热力系 平衡态 准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数 功量、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、评价指标,103,第一章 总结,难点 热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点； 引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。 系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。 稳定状态与平衡状态的区分。 注意状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。,104,第一章 总结,基本要求： 掌握热力系(闭口、开口、绝热、孤立系）、平衡状态、状态参数、状态方程、热力过程（可逆过程）、热力循环的概念。 熟练掌握绝对压力、表压力、大气压力、真空度间的换算关系。 掌握容积膨胀功的计算。,105,作业,1-5 1-7 1-9,106,
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