《工程熱力學(xué)課件》PPT課件.ppt

工程熱力學(xué)課件,華北電力大學(xué)（北京） 動(dòng)力工程系 工程熱物理教研室制作 2005年5月,第一章 基本概念,Basic Concepts and Definition,1-1 熱力系統(tǒng)thermodynamic system,熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)):人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì),1、系統(tǒng)(system)與邊界(boundary),邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面,系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界,系統(tǒng)、邊界和外界（ surrounding ）,邊界特性,真實(shí)、虛構(gòu),固定、活動(dòng),熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：,有 無 是否傳質(zhì) 開口系 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕功系 絕功系,是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系,熱力系統(tǒng)其他分類方式,其他類方式,物理化學(xué)性質(zhì),均勻系 非均勻系,工質(zhì)種類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,簡單可壓縮系統(tǒng) simple compressible system,最重要的系統(tǒng) ,簡單可壓縮系統(tǒng),只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功,容積變化功,壓縮功膨脹功,2.工質(zhì)working substance; working medium,定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì) 對(duì)工質(zhì)的要求: 1）膨脹性; 2）流動(dòng)性 3）熱容量 4）穩(wěn)定性，安全性 5）對(duì)環(huán)境友善 6）價(jià)廉，易大量獲取 物質(zhì)三態(tài)中 氣態(tài)最適宜。,3.熱源(heat source; heat reservoir),定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。 高溫?zé)嵩矗嵩? heat source ） 低溫?zé)嵩矗ɡ湓磆eat sink） 恒溫?zé)嵩?constant heat reservoir) 變溫?zé)嵩?1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況,狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量,狀態(tài)參數(shù)的特征：,1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然,2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān),3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分,狀態(tài)參數(shù)的積分特征,狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。,數(shù)學(xué)上：,點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù),1,2,a,b,例：溫度變化,山高度變化,狀態(tài)參數(shù)的微分特征,設(shè) z =z (x , y),dz是全微分,充要條件：,可判斷是否是狀態(tài)參數(shù),強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)intensive property extensive property,強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù) 如壓力 p、溫度T,廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性 如 質(zhì)量m、容積 V、內(nèi)能 U、焓 H、熵S,比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì),比容,比內(nèi)能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol,1-3 基本狀態(tài)參數(shù),壓力 p、溫度 T、比容 v （容易測量）,1、壓力 p 物理中壓強(qiáng)，單位: Pa , N/m2 絕對(duì)壓力 pabsolute pressure 表壓力 pe（pg）- gauge pressure; 真空度 pvvacuum; vacuum pressure 當(dāng)?shù)卮髿鈮簆blocal atmospheric pressure,絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力,當(dāng) p pb,表壓力 pe,當(dāng) p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,環(huán)境壓力與大氣壓力,環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境,注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。,大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。,物理大氣壓 1atm=760mmHg,當(dāng)h變化不大常數(shù),1mmHg= gh=133.3Pa,當(dāng)h變化大， (h),常用單位：,1kPa=103Pa 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1mmH2O=9.81Pa 1 at=1kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,例題： 如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi) 汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數(shù)為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數(shù)pgA,解：,2.溫度T 的一般定義,傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量,微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度 T 0.5 m w 2,熱力學(xué)第零定律,溫度的熱力學(xué)定義,熱力學(xué)第零定律（R.W. Fowler） 如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測量的理論基礎(chǔ) B 溫度計(jì),溫度的熱力學(xué)定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫度。,溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,溫度的測量,溫度計(jì),物質(zhì) （水銀，鉑電阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準(zhǔn)點(diǎn),刻度,溫標(biāo),常用溫標(biāo)（temperature scale）,絕對(duì)K,攝氏,華氏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,冰熔點(diǎn),水三相點(diǎn),鹽水沸點(diǎn),發(fā)燒,水沸點(diǎn),559.67,溫標(biāo)的換算,3.比體積v (specific volume),m3/kg,工質(zhì)聚集的疏密程度,定義：單位質(zhì)量工質(zhì)的體積。又稱為比容。,比體積與密度(density),密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量,1-4 平衡狀態(tài)thermodynamic equilibrium state,1、定義： 在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,溫差 熱不平衡勢 壓差 力不平衡勢 化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)不平衡勢,平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢,2.平衡與穩(wěn)定,穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化,穩(wěn)定但存在不平衡勢差,去掉外界影響，則狀態(tài)變化,穩(wěn)定未必平衡,若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？,穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定,3.平衡與均勻,平衡：時(shí)間上 均勻：空間上,平衡可不均勻,平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的,為什么引入平衡概念？,如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述,但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換,能量交換,狀態(tài)變化,破壞平衡,如何描述,4.狀態(tài)公理,閉口系：,不平衡勢差 狀態(tài)變化 能量傳遞,消除一種不平衡勢差 達(dá)到某一方面平衡 消除一種能量傳遞方式,而不平衡勢差彼此獨(dú)立, 獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù) =能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目 =各種功的方式+熱量= n+1,n 容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等,5.狀態(tài)方程,簡單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2,絕熱簡單可壓縮系統(tǒng) N = ?,狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間 的關(guān)系,狀態(tài)方程的具體形式,理想氣體的狀態(tài)方程,實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？,狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì),范德瓦爾方程,（a,b為物性常數(shù)）,BWR方程,維里型方程,可見，實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程是很復(fù)雜的,6.坐標(biāo)圖,簡單可壓縮系 N=2，平面坐標(biāo)圖,p,v,1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示在坐標(biāo)圖上,說明：,2）過程線中任意一點(diǎn) 為平衡態(tài),3）不平衡態(tài)無法在圖 上用實(shí)線表示,常見p-v圖和T-s圖,1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,平衡狀態(tài),狀態(tài)不變化,能量不能轉(zhuǎn)換,非平衡狀態(tài),無法簡單描述,熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程,一般過程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最終,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,1.準(zhǔn)靜態(tài)過程（quasi-static process）,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有無限多層,每次只去掉無限薄一層,p,v,1,2,.,.,.,系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài),準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件,破壞平衡所需時(shí)間 （外部作用時(shí)間）,恢復(fù)平衡所需時(shí)間 （馳豫時(shí)間）,有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過程,準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用,例：活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)/分 曲柄 2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程,活塞運(yùn)動(dòng)速度=20002 0.15/60=10 m/s,壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s,破壞平衡所需時(shí)間 （外部作用時(shí)間）,恢復(fù)平衡所需時(shí)間 （馳豫時(shí)間）,一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程,具體工程問題具體分析。“突然”“緩慢”,準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功,p,p外,f,初始：pA = p外A +f,A,如果 p外微小,可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程,dl,以汽缸中工質(zhì)為系統(tǒng),mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功,W = pA dl =pdV,1kg工質(zhì),w =pdv,dl 很小，近似認(rèn)為 p 不變,準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功,p,p外,2,mkg工質(zhì)：,W =pdV,1kg工質(zhì)：,w =pdv,1,注意： 上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程,示功圖,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工質(zhì)：,W =pdV,1kg工質(zhì)：,w =pdv,W,準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明,p,V,.,1,2,.,1）單位為 kJ 或 kJ/kg,2） p-V 圖上用面積表示,3）功的大小與路徑有關(guān) 功，是過程量,4）統(tǒng)一規(guī)定：dV0，膨脹 對(duì)外作功（正） dV0，壓縮 外內(nèi)作功（負(fù)）,5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）,6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù),7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別,例題： 1kg某種氣態(tài)工質(zhì)，在可逆膨脹過程中分別遵循： （1）,（2） 從初態(tài)1到達(dá)終態(tài)2 求：兩過程中各作功多少？ （a，b為常數(shù)）,解：,（1）,（2）,摩擦損失的影響,若有f 存在，就存在損失,p,p外,2,1,系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W W,若外界將得到的功W 再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功WW,則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。,摩擦損失的影響,若 f 0,p,p外,2,1,系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W W,若外界將得到的功W 再返還給系統(tǒng),則外界、活塞、系統(tǒng)同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。,2.可逆過程（reversible process）,定義：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。,注意：可逆過程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過程。,可逆過程的實(shí)現(xiàn),準(zhǔn)靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng) = 可逆過程,無不平衡勢差,通過摩擦使功 變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）,不平衡勢差 不可逆根源 耗散效應(yīng)：,耗散效應(yīng),典型的不可逆過程,不等溫傳熱,T1,T2,T1T2,Q,自由膨脹,真空,典型的不可逆過程,節(jié)流過程 (閥門）,p1,p2,p1p2,混合過程,引入可逆過程的意義, 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程， 但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。, 可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。, 實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先 按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。,1-6 過程功和熱量,1、力學(xué)定義: 力 在力方向上的位移,2、熱力學(xué)定義(外文參考書） a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。,b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。,功的表達(dá)式,功的一般表達(dá)式,熱力學(xué)最常見的功 容積變化功,其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等,熱量-heat,定義：僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量。,符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱“-”,單位：,熱量與T-s圖,熱量與功的異同：,1.通過邊界傳遞的能量； 2.都是過程量； 3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志;熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志； 4.功是物系間通過宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的 能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。 5。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菬o條件的；熱轉(zhuǎn)化為功是有條件、限度的。,1-7 熱力循環(huán)thermodynamic cycle,要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán),定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。,不可逆循環(huán),分類：,可逆,過程,不可逆,循環(huán),可逆循環(huán),正循環(huán)（direct cycle ）,p,V,T,S,凈效應(yīng)：對(duì)外作功,凈效應(yīng)：吸熱,正循環(huán)：順時(shí)針方向,2,1,1,2,逆循環(huán)(reverse cycle),p,V,T,S,凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功,凈效應(yīng)：放熱,逆循環(huán)：逆時(shí)針方向,2,1,1,2,熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo),正循環(huán)（動(dòng)力循環(huán)）：對(duì)外作功，吸熱,W,T1,Q1,Q2,T2,熱效率thermal efficiency,制冷系數(shù)coefficient of performance for the refrigeration cycle,逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）,W,T0,Q1,Q2,T2,1）制冷循環(huán)：制冷系數(shù),W,T1,Q1,Q2,T0,2）制熱循環(huán)（熱泵循環(huán)）：制熱系數(shù)、熱泵系數(shù)、供暖系數(shù),第一章 小 結(jié),基本概念： 熱力系 平衡、穩(wěn)定、均勻 準(zhǔn)靜態(tài)、可逆 過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù) 功、熱量、熵 p-V圖、T-S圖 循環(huán)、工作系數(shù),第一章 討論課, 熱力系,種類：,閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系,熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。,一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。,例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣,試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。,(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng),閉口系,功量：,氣體對(duì)活塞作功W,W,Q,熱量：,氣體通過活塞從外界吸熱Q,(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng),閉口系,功量：,殘留氣體對(duì)放逸氣體作功W,W,Q,熱量：,殘留氣體從放逸氣體吸熱Q,(3)以放逸氣體為系統(tǒng),閉口系,功量：,W + W,熱量：,Q + Q,W,Q,W,Q,(4)以容器為系統(tǒng),開口系,功量：,W,熱量：,Q,W,Q,(5)以氣缸為系統(tǒng),開口系,功量：,W + W,熱量：,Q + Q,W,Q,W,Q,強(qiáng)度量與廣延量,速度,動(dòng)能,高度,位能,內(nèi)能,溫度,摩爾數(shù),（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（強(qiáng)）,（廣）,（廣）,（廣）,（廣）,思考題7,有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對(duì)嗎？,不對(duì)。關(guān)鍵看是否引起外界變化。,可逆過程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到初態(tài)。,可逆過程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。,可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系,可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程 準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是可逆過程,可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程無耗散,可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準(zhǔn)靜態(tài)過程很少用。,判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（1）,以冰水混合物為熱力系,90 ,0 ,緩慢加熱,外部溫差傳熱,準(zhǔn)靜態(tài)過程,系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無耗散,內(nèi)可逆,外不可