工程熱力學(xué)PPT

1、 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng))：用界面分：用界面分 離出的研究對(duì)象。離出的研究對(duì)象。 外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì) 1、系統(tǒng)與邊界、系統(tǒng)與邊界 邊界邊界(界面界面)：系統(tǒng)與外界的分界面：系統(tǒng)與外界的分界面 系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界外界的作用都通過(guò)的作用都通過(guò)邊界邊界 鍋鍋 爐爐 汽輪機(jī)汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 給水泵給水泵 凝凝 汽汽 器器 過(guò)熱器過(guò)熱器 只交換功只交換功 只交換熱只交換熱 既交換功既交換功 也交換熱也交換熱 固定、活動(dòng)固定、活動(dòng) 以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無(wú)無(wú) 是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開(kāi)口系開(kāi)口系 閉口系閉口系 是否傳熱是否傳熱 非

2、絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系 是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系 是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 12 34 m q w 1 開(kāi)口系開(kāi)口系 非孤立系相關(guān)外界非孤立系相關(guān)外界 孤立系孤立系 1+2 閉口系閉口系 1+2+3 絕熱閉口系絕熱閉口系 1+2+3+4 孤立系孤立系 其它分類(lèi)方式其它分類(lèi)方式 物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系 工質(zhì)種類(lèi)工質(zhì)種類(lèi) 多元系多元系 單元系單元系 相態(tài)相態(tài) 多相多相 單相單相 最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng) 只交換只交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積

3、變化功 容積變化功容積變化功 壓縮功壓縮功 膨脹功膨脹功 狀態(tài)：狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況 狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量描述熱力系狀態(tài)的物理量 狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)參數(shù)的特征特征： 1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然、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)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān) 3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分：全微分 狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與 初終態(tài)有關(guān)。初終態(tài)有關(guān)。 數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)

4、上： 點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù) 1 2 a b 0dz 2 1 2 , 1 2 , 1 12 ab zzdzdzdz 例：溫度變化例：溫度變化 山高度變化山高度變化 設(shè)設(shè) z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分 y x zz dzdxdy xy 充要條件：充要條件： 22 zz x yy x 可判斷是否可判斷是否 是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù) 強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如如壓力壓力 p、溫度溫度t 廣延參數(shù)：廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性可加性 如如 質(zhì)量質(zhì)量m、容積容積 v、熱力學(xué)能熱力學(xué)能 u、焓焓 h、熵熵s 比

5、參數(shù)：比參數(shù)： 比容比容 v v m u u m 比熱力比熱力 學(xué)能學(xué)能 h h m 比焓比焓 s s m 比熵比熵 單位：?jiǎn)挝唬?kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)具有強(qiáng)度量的性質(zhì) 壓力壓力 p、溫度、溫度 t、比容、比容 v （容易測(cè)量）（容易測(cè)量） 1 1、壓力壓力 p 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)，單位單位: pa , n/m2 常用單位：常用單位： 1 bar = 105 pa 1 mpa = 106 pa 1 atm = 760 mmhg = 101325 pa 1 mmhg =133.3 pa 1 at=735.6 mmhg = 9.80665 104 pa 一般是一般是工質(zhì)工質(zhì)絕對(duì)壓力

6、絕對(duì)壓力與與環(huán)境壓力環(huán)境壓力的的相對(duì)值相對(duì)值 相對(duì)壓力相對(duì)壓力 注意：注意：只有只有絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 p 才才是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 pe eb ppp 當(dāng)當(dāng) p 有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系系 統(tǒng)統(tǒng)與與外界外界同時(shí)同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留 下任何痕跡，則此過(guò)程為下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程可逆過(guò)程。 注意：注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不可逆過(guò)程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 + 無(wú)耗

7、散效應(yīng)無(wú)耗散效應(yīng) = 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 無(wú)不平衡勢(shì)差無(wú)不平衡勢(shì)差 通過(guò)摩擦使功通過(guò)摩擦使功 變熱的效應(yīng)變熱的效應(yīng) (摩阻，電阻，摩阻，電阻， 非彈性變性，非彈性變性， 磁阻等）磁阻等） 不平衡勢(shì)差不平衡勢(shì)差 不可逆根源不可逆根源 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng) 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化理想化過(guò)程，過(guò)程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)最優(yōu)過(guò)程。過(guò)程。 可逆過(guò)程的功與熱可逆過(guò)程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)工質(zhì) 的的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。的復(fù)雜關(guān)系，易分析。 實(shí)際過(guò)程

8、不是可逆過(guò)程，但為了研究方實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過(guò)程可逆過(guò)程）處理，）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。 完全可逆完全可逆 可逆可逆 內(nèi)部可逆，外部不可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆 外部可逆，內(nèi)部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆 常見(jiàn)常見(jiàn) 90 0 例：例： 內(nèi)可逆內(nèi)可逆 外不可逆外不可逆 1 1、力學(xué)力學(xué)定義定義: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移 2、熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義(外文參考書(shū)外文參考書(shū)） a a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞 時(shí)，如果對(duì)

9、外界的時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為唯一效果可歸結(jié)為 取起重物取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。，此即為熱力系對(duì)外作功。 b b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一功是系統(tǒng)與外界相互作用的一 種方式，在種方式，在力力的推動(dòng)下，通過(guò)的推動(dòng)下，通過(guò)有序有序運(yùn)運(yùn) 動(dòng)方式傳遞的能量動(dòng)方式傳遞的能量。 鍋鍋 爐爐 汽輪機(jī)汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 給水泵給水泵 凝凝 汽汽 器器 過(guò)熱器過(guò)熱器 功功的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式 fdxw fdxw 熱力學(xué)最常見(jiàn)的功熱力學(xué)最常見(jiàn)的功 容積變化功容積變化功 pdvw pdvw 其他準(zhǔn)靜態(tài)功：其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功拉伸功，表面張力功表面張力功，電功電功等等 p v . . 1 2

10、. . pp外 外 21 mkg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv 2 1 wpdv 1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv 2 1 wpdv w 1 1、熱量熱量定義：定義： 熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的能能 量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不確切）（不確切）。 另一定義：另一定義：熱量熱量是熱力系與外界是熱力系與外界 相互作用的另一種方式，在相互作用的另一種方式，在溫度溫度的推的推 動(dòng)下，以微觀動(dòng)下，以微觀無(wú)序無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能能 量量。 熱量是否可以用類(lèi)似于功的式子熱量是否可以用類(lèi)似于功的式子 表示表示？ ？ 引入引入“熵熵” 能量傳遞方式能量傳遞方式

11、 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量 性質(zhì)性質(zhì) 過(guò)程量過(guò)程量 過(guò)程量過(guò)程量 推動(dòng)力推動(dòng)力 壓力壓力 p 溫度溫度 t 標(biāo)志標(biāo)志 dv , dv ds , ds 公式公式 pdvw tdsq pdvw tdsq 條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆 revq ds t reversible 熵的簡(jiǎn)單引入熵的簡(jiǎn)單引入 revq ds t 比參數(shù)比參數(shù) kj/kg.k ds: 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 qrev除以傳熱時(shí)的除以傳熱時(shí)的t所得的所得的商商 清華大學(xué)清華大學(xué)劉仙洲劉仙洲教授命名為教授命名為“熵熵” 廣延量廣延量 kj/k 1 1、熵熵是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 3、熵熵的物理意義：的物理意義：

12、熵熵體現(xiàn)了體現(xiàn)了可逆過(guò)程可逆過(guò)程 傳熱的傳熱的大小大小與與方向方向 2、符號(hào)符號(hào)規(guī)定規(guī)定 系統(tǒng)系統(tǒng)吸熱吸熱時(shí)時(shí)為為正正 q 0 ds 0 系統(tǒng)系統(tǒng)放熱放熱時(shí)時(shí)為為負(fù)負(fù) q 0 ds 0 4、用途：用途：判斷熱量方向判斷熱量方向 計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量 p v w t s q 示功圖示功圖 溫熵溫熵(示熱示熱)圖圖 pdvw tdsq 要實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)連續(xù)作功，必須構(gòu)成作功，必須構(gòu)成循環(huán)循環(huán) 定義：定義： 熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化回到初熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化回到初 態(tài)，這一系列變化過(guò)程稱(chēng)為態(tài)，這一系列變化過(guò)程稱(chēng)為熱力循環(huán)熱力循環(huán)。 不可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 分類(lèi)：分類(lèi)： 可逆可逆 過(guò)程過(guò)程 不可逆不可逆 循環(huán)循環(huán) 可逆循環(huán)可逆循環(huán) p v t s 凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：對(duì)外作功對(duì)外作功凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：吸熱吸熱 正循環(huán)：順時(shí)針?lè)较蛘h(huán)：順時(shí)針?lè)较?2 1 1 2 p v t s 凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功對(duì)內(nèi)作功凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：放熱放熱 逆循環(huán)：逆時(shí)針?lè)较蚰嫜h(huán)：逆時(shí)針?lè)较?2 1 1 2 正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱） 1 w q 收 益 代 價(jià) 凈 功 吸 熱 w t1 q