工程熱力學(xué)第一篇.ppt

第一篇,工程熱力學(xué),（EngineeringThermodynamics）,第一章基本概念,1-1熱力系統(tǒng),1-2平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù),1-3狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,1-4準(zhǔn)平衡過程與可逆過程,1-5功量和熱量,1-6熱力循環(huán),1-1熱力系統(tǒng),熱力學(xué)中常把研究的對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種人為的分割出來的研究對象稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。,外界（surrounding）,邊界（boundary）,熱力系統(tǒng)（thermodynamicsystem）,熱力系以外與之相互作用的周圍物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。,為了避免把熱力系和外界混淆起來，設(shè)想有分界面將它們分開，這個分界面稱為邊界。,邊界可以是真實的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運動的。熱力系的邊界常用虛線表示。,舉例說明,熱力系統(tǒng)分類,根據(jù)熱力系與外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系可分為：,（1）閉口系（closedsystem）與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量（controlmass，簡寫為CM）。,（2）開口系（opensystem）與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。通?？偸侨∫幌鄬潭臻g，把研究對象限制在這一空間范圍內(nèi)，也稱為控制容積（controlvolume簡寫為CV）。,注意：1）閉口系與開口系都可能通過邊界與外界發(fā)生能量的傳遞。2）區(qū)分閉口系和開口系的關(guān)鍵是有沒有物質(zhì)越過了邊界，并不是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量是不是發(fā)生了變化。,（3）絕熱系（adiabaticsystem）與外界無熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系（isolatedsystem）外界既無能量交換又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。,閉口系絕熱系,開口系絕熱系,Q0,A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng)孤立系,閉口系,注意：1）絕熱系與孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情況。2）選取何類熱力系對研究問題的結(jié)果并無影響，僅與解決問題的繁復(fù)程度有關(guān)。3）在作熱力學(xué)分析時，不僅要考慮熱力系內(nèi)部的變化，同時還要考慮熱力系通過邊界與外界發(fā)生的能量與物質(zhì)的交換，至于外界的變化則不必研究。,熱機（heat-engine）：凡能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器統(tǒng)稱為熱機。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、噴氣發(fā)動機等等，或稱熱能動力裝置。,熱源（heatsource）：與熱力系有熱量交換的物質(zhì)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。高溫?zé)嵩礋嵩春銣責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩蠢湓醋儨責(zé)嵩?簡單可壓縮系（simplecompressiblesystem）：熱力系由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可逆體積變化功（可逆過程的膨脹功或壓縮功）的交換的系統(tǒng)。,工質(zhì)（workingsubstance）：實現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物稱為工質(zhì)。,介紹幾個常用概念,1-2平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1.平衡狀態(tài)（equilibriumstate）,（1）熱力狀態(tài),系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。,（2）平衡狀態(tài),在沒有外界影響的條件下（重力場影響除外），熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化的狀態(tài)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，必須同時具備熱平衡和力平衡，對于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)同時還應(yīng)具備化學(xué)平衡。,熱平衡在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。溫差是驅(qū)動熱傳遞的不平衡勢差，溫差的消失則是系統(tǒng)建立熱平衡的必要條件。,力平衡在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。力差也是驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種不平衡勢差，力差的消失是使系統(tǒng)建立起力平衡的必要條件。,對于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)勢差的消失才能建立起化學(xué)平衡。,建立平衡狀態(tài)的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與外界之間各種不平衡勢差的消失。,2.狀態(tài)參數(shù)（parameterofstate）,用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個，即壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S）。,狀態(tài)參數(shù),強度參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，如p、T等。不具有可加性。,廣延參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。如V、U、H、S等。具有可加性。單位質(zhì)量的廣延參數(shù)，具有強度參數(shù)的性質(zhì)，稱為比參數(shù)，如v、h、u、s等。,狀態(tài)參數(shù)的特點,狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，熱力系的狀態(tài)一定，其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也一定。系統(tǒng)狀態(tài)變化時，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的路徑無關(guān)。,當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而又回復(fù)到初態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)的變化為零。,如果能證明某物理量具有上述數(shù)學(xué)特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，狀態(tài)參數(shù)具有確定的數(shù)值。而非平衡狀態(tài)的熱力系其狀態(tài)參數(shù)是不確定的。,工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)，它是經(jīng)典熱力學(xué)理論框架得以建立的重要基礎(chǔ)。,3.基本狀態(tài)參數(shù),壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）可以直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。,（1）壓力（pressure）,單位面積上所受到的垂直作用力（壓強）。,P為工質(zhì)的真實壓力，即絕對壓力。,根據(jù)分子熱運動學(xué)說，氣體的壓力是大量氣體分子運動撞擊容器壁面所產(chǎn)生的平均結(jié)果。,力,面積,16,常用非SI壓力單位：,國際單位制:Pa（帕），1Pa=1N/m2,1MPa=103kPa=106Pa,1bar（巴）=105Pa,1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=1.013105Pa,1at（工程大氣壓）=0.981105Pa,1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa,1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa,壓力測量：,只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。,絕對壓力p表壓力pe（pg）真空度pv,當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b,負(fù)壓,正壓,18,（2）溫度（temperature）,溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運動的強弱。,當(dāng)兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達(dá)到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。,1）溫度的物理意義,2）熱力學(xué)第零定律,如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。,熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。,3）溫標(biāo),溫度的數(shù)值表示法。,國際單位制（SI）采用熱力學(xué)溫標(biāo)作為基本溫標(biāo)。,用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用符號T表示，單位為K（開）。,熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）:,熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點為基準(zhǔn)點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點溫度的1/273.16。,攝氏溫標(biāo):,用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為（攝氏度）。,攝氏溫度的定義式為：,攝氏溫度的零點相當(dāng)于熱力學(xué)溫度的273.15K，1=1K,（3）比體積（specificvolume）,定義：,單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg。,密度：,單位體積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號表示，單位為kg/m3。,比體積和密度不是兩個互相獨立的狀態(tài)參數(shù)。通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。,1-3狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,（1）狀態(tài)公理,對于簡單可壓縮系統(tǒng)，只需給出兩個相互獨立狀態(tài)的參數(shù)（如p、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。,（2）狀態(tài)方程式,表示基本狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。如：,（3）狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)，而非平衡狀態(tài)無法在圖上表示。,以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的坐標(biāo)圖。,1-4準(zhǔn)平衡過程和可逆過程,（1）熱力過程,熱力系從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)稱為熱力過程，簡稱過程。,P,Pb,P,P=P+Pb,P=Pb,PPb,（2）準(zhǔn)平衡過程（quasi-equilibriumprocess）,由一系列非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的過程就稱為準(zhǔn)平衡過程，也稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程（quasi-staticprocess）。,準(zhǔn)平衡過程的實現(xiàn)條件是：破壞平衡狀態(tài)存在的不平衡勢差（除力差外，還包括溫差、化學(xué)勢差等）應(yīng)無限小。,準(zhǔn)平衡過程是實際過程的理想化，是實際過程進(jìn)行得非常緩慢的一個極限。實際設(shè)備中所進(jìn)行的過程都是在有限勢差作用下進(jìn)行的，都是非平衡過程。但在熱力學(xué)中，為便于分析，常把實際過程當(dāng)作準(zhǔn)平衡過程來處理。這是因為系統(tǒng)在平衡狀態(tài)被破壞后自動恢復(fù)平衡所需的時間，即所謂弛豫時間非常短，而過程進(jìn)行的時間遠(yuǎn)大于弛豫時間，系統(tǒng)一旦偏離平衡狀態(tài)，系統(tǒng)很快重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。因此，將某些實際設(shè)備中進(jìn)行的過程視為準(zhǔn)平衡過程是可以被允許的。如果在某些情況下這樣的處理會帶來較大的誤差時，應(yīng)引入考慮不平衡影響而進(jìn)行的修正。,在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過程可以用連續(xù)的實線表示。,（3）可逆過程（reversibleprocess）,當(dāng)系統(tǒng)完成了某一過程之后，如果系統(tǒng)能沿原路徑逆行而回復(fù)到原來狀態(tài)，同時外界也隨之回復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。,可逆過程的特征是：1）準(zhǔn)平衡過程，因為在有限勢差作用下進(jìn)行的非平衡過程必然導(dǎo)致不可逆。2）在可逆過程中不應(yīng)有任何諸如摩擦、電阻、磁阻等的耗散效應(yīng)（通過摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)稱為耗散效應(yīng)，由此造成可用功的損失稱為耗散損失）。,實現(xiàn)可逆過程的的充要條件，一是過程沒有勢差（或勢差無限小）如傳熱沒有溫差，作膨脹功沒有力差等，二是過程沒有耗散效應(yīng)，如機械運動沒有摩擦，導(dǎo)電沒有電阻等。也可以說，只有準(zhǔn)平衡過程且過程中無任何耗散效應(yīng)的過程才是可逆過程。,準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的聯(lián)系與區(qū)別：,1）兩個過程都是由一系列平衡狀態(tài)所組成，在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上都能用一條連續(xù)的曲線來表示。,2）有無耗散損失,可逆過程是一切實際過程的理想化極限，實際上是不可能實現(xiàn)的。引入可逆過程是一種研究方法。,可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程，但準(zhǔn)平衡過程則不一定是可逆過程。,引入可逆過程的概念對分析實際過程有何意義？,實際過程都或多或少地存在著各種不可逆因素，都是不可逆的。在對不可逆過程進(jìn)行分析計算時往往是相當(dāng)困難的，為了簡便起見，通常把實際過程當(dāng)作可逆過程來進(jìn)行分析計算，然后再用一些經(jīng)驗系數(shù)加以修正。另外，可逆過程是一切實際過程的理想化極限模型，可逆過程進(jìn)行的結(jié)果不會產(chǎn)生任何能量損失，因而可以作為實際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)和極限。,1-5功量與熱量,1.功量（work）,功的力學(xué)定義：力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積。,功的熱力學(xué)定義：熱力系與外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。,功是與過程性質(zhì)有關(guān)的過程量。功不是狀態(tài)參數(shù)。,國際單位制：J（焦耳）或kJ（千焦）,比功：單位質(zhì)量的物質(zhì)所作的功。單位：J/kg或kJ/kg。,功率：單位時間內(nèi)完成的功。單位：W（瓦）或kW（千瓦）。,1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W,熱力學(xué)中規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功取為正值，外界對系統(tǒng)作功取為負(fù)值。,1J=1Nm，1kJ=103J,體積功（膨脹功或壓縮功）,工質(zhì)通過體積變化（膨脹或壓縮）所做的功。,討論可逆過程的體積功,對于微元可逆過程,對于可逆過程12,若工質(zhì)質(zhì)量為mkg,1kg,膨脹：dv0,w0,壓縮：dv0,w0,系統(tǒng)放熱：q0,熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量。,在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。,功量：,熱量：,s稱為比熵。比熵同比體積v一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。,比熵的定義式：,（可逆過程）,比熵的單位為J/(kgK)或kJ/(kgK)。,對于質(zhì)量為m的工質(zhì),S為質(zhì)量為m的工質(zhì)的熵，單位是J/K。,根據(jù)熵的變化判斷一個可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：,（2）示熱圖（T-s圖）,在可逆過程中單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量可以用T-s圖（溫熵圖）上過程曲線下的面積來表示。,溫熵圖也稱示熱圖。,1-6熱力循環(huán),工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，又回復(fù)到初態(tài)的封閉熱力過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)（cycle）