工程熱力學(xué)第1章

1、1 第一章第一章 基本概念基本概念 Basic Concepts and Definition 1-1 熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程 1-2 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) 1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù) 1-4 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 1-6 功和熱量功和熱量 1-7 熱力循環(huán)熱力循環(huán) 2 一、熱能動力裝置一、熱能動力裝置(Thermal power plant) 定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力 的整套設(shè)備的整套設(shè)備。 分分 類類 共同本質(zhì)：共同本

2、質(zhì)：由媒介物通過吸熱由媒介物通過吸熱膨脹作功膨脹作功排熱排熱 氣體動力裝置氣體動力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機內(nèi)燃機(internal combustion gas engine) 燃?xì)廨啓C裝置燃?xì)廨啓C裝置(gas turbine power plant) 噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機(jet power plant) 蒸氣動力裝置蒸氣動力裝置 (steam power plant) 1-1 熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程 3 二、工質(zhì)二、工質(zhì)(working substance; working medium) 定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互

3、轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。 對工質(zhì)的要求對工質(zhì)的要求: 物質(zhì)三態(tài)中物質(zhì)三態(tài)中 氣態(tài)氣態(tài)最適宜最適宜。 1）膨脹性）膨脹性 2）流動性）流動性 3）熱容量）熱容量 4）穩(wěn)定性，安全性）穩(wěn)定性，安全性 5）對環(huán)境友善）對環(huán)境友善 6）價廉，易大量獲?。﹥r廉，易大量獲取 4 三、熱源三、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)。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)嵩锤邷責(zé)嵩礋嵩礋嵩?（ heat source ） 低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩蠢湓矗ɡ湓矗╤eat sink） 恒溫?zé)嵩春銣責(zé)嵩?con

4、stant heat reservoir) 變溫?zé)嵩醋儨責(zé)嵩?5 1-2 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系） 外界和邊界 系統(tǒng)系統(tǒng)(thermodynamic system, system) 人為分割出來，作為熱力學(xué)人為分割出來，作為熱力學(xué) 研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。 外界外界(surrounding )： 與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。 邊界邊界(boundary)： 系統(tǒng)與外界的分界面（線）。系統(tǒng)與外界的分界面（線）。 一、定義一、定義 6 二、系統(tǒng)及邊界示例二、系統(tǒng)及邊界示例 汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機 7 汽缸汽缸- -活塞裝置（閉口系例）活塞裝置

5、（閉口系例） 8 移動和虛構(gòu)邊界移動和虛構(gòu)邊界 9 1）系統(tǒng)與外界的人為性）系統(tǒng)與外界的人為性 2）外界與環(huán)境介質(zhì)）外界與環(huán)境介質(zhì) 3）邊界可以是：）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的實際的或虛擬的 注意：注意： 10 三、熱力系分類三、熱力系分類 按組元數(shù)按組元數(shù) 單元系單元系(one component system;pure substance system) 多元系多元系(multicomponent system) 按相數(shù)按相數(shù) 單相系單相系(homogeneous system) 復(fù)相系復(fù)

6、相系(heterogeneous system) 注意：注意：1）不計恒外力場影響；）不計恒外力場影響； 2）復(fù)相系未必不均勻）復(fù)相系未必不均勻濕蒸汽；濕蒸汽； 單元系未必均勻單元系未必均勻氣液平衡分離狀態(tài)。氣液平衡分離狀態(tài)。 1. 按組元和相按組元和相 11 閉口系（閉口系（closed system） （控制質(zhì)量（控制質(zhì)量CM） 沒有質(zhì)量越過邊界沒有質(zhì)量越過邊界 開口系（開口系（open system） （控制體積（控制體積CV） 通過邊界與外界有質(zhì)量交換通過邊界與外界有質(zhì)量交換 2. 按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換 12 1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不

7、變的區(qū)別； 2）開口系與絕熱系的關(guān)系；）開口系與絕熱系的關(guān)系； 3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。）孤立系與絕熱系的關(guān)系。 注意：注意： 4. 簡單可壓縮系（簡單可壓縮系（simple compressible system） 由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交 換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。 絕熱系（絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換與外界無熱量交換; 孤立系（孤立系（isolated system） 與外界無任何形式的質(zhì)能交換。與外界無任何形式的質(zhì)能交換。 3. 按能量交換按能量交換 13 四、熱力系

8、示例四、熱力系示例 1剛性絕熱氣缸剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲側(cè)設(shè)有電熱絲 紅線內(nèi)紅線內(nèi) 閉口絕熱系閉口絕熱系 黃線內(nèi)黃線內(nèi)不包含電熱絲不包含電熱絲 閉口系閉口系 黃線內(nèi)黃線內(nèi)包含電熱絲包含電熱絲 閉口絕熱系閉口絕熱系 蘭線內(nèi)蘭線內(nèi) 孤立系孤立系 14 閉口系閉口系 2剛性絕熱噴管剛性絕熱噴管 取紅線為系統(tǒng)取紅線為系統(tǒng) 取噴管為系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)開口系絕熱系開口系絕熱系? 15 A、B兩部落兩部落“雞、犬之聲相聞，雞、犬之聲相聞， 民至老死不相往來民至老死不相往來” A B A部落為系統(tǒng)部落為系統(tǒng) A+B部落為系統(tǒng)部落為系統(tǒng)孤立系孤立系 閉口系閉口系 16 1-3 工質(zhì)的熱力

9、學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù) 熱力學(xué)狀態(tài)（熱力學(xué)狀態(tài)（state of thermodynamic system） 系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)（state properties） 描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量 SHUTVp, 1狀態(tài)參數(shù)是宏觀量狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效，是大量粒子的統(tǒng)計平均效 應(yīng)，只有應(yīng)，只有平平 衡態(tài)衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有才有狀參，系統(tǒng)有多多個狀態(tài)參數(shù)，如個狀態(tài)參數(shù)，如 一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù) 二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類 17 2狀態(tài)的單值函數(shù)。狀態(tài)的單值函

10、數(shù)。 物理上物理上與過程無關(guān)；與過程無關(guān)； 數(shù)學(xué)上數(shù)學(xué)上其微量是全微分。其微量是全微分。 1 21 2 d0dd ba xxx 3狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類 廣延量廣延量（extensive property） 強度量強度量（intensive property ） m V v 又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，如比體積又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，如比體積 工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。 18 三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件 系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)

11、相等狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩個獨立的兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等 19 四、溫度和溫標(biāo)（四、溫度和溫標(biāo)（temperature and temperature scale） 溫度的定義：溫度的定義： 測溫的基礎(chǔ)測溫的基礎(chǔ)熱力學(xué)零定律熱力學(xué)零定律 (zeroth law of thermodynamics) 熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo) (thermodynamics scale; Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Cel

12、sius temperature scale) CK 273.15tT 20 華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo) 華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo) 附：附： T R=t +459.67 t =5/9t - -32 t =9/5t + +32 21 五、壓力五、壓力(pressure) 絕對壓力絕對壓力 p(absolute pressure) 表壓力表壓力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure) 真空度真空度 pv(vacuum; vacuum pressure) bvb ()ppppp 當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮簆b(local atmosphe

13、ric pressure) beb ()ppppp 22 常用壓力單位：常用壓力單位： 63 2 5 2 N 1Pa11MPa1 10 Pa1kPa1 10 Pa m 1bar1 10 Pa 1atm101325Pa760mmHg 1mmHg133.32Pa 1mmH O9.80665Pa 例例A4001441 例例A4002771 23 六、比體積和密度六、比體積和密度 比體積比體積(specific volume) m V v單位質(zhì)量工質(zhì)的體積單位質(zhì)量工質(zhì)的體積 密度密度(density) m V 單位體積工質(zhì)的質(zhì)量單位體積工質(zhì)的質(zhì)量 1 v 3 m /kg 3 kg/m 兩者關(guān)系兩者關(guān)系

14、: 24 1-4 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 1定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài) 熱平衡熱平衡（thermal equilibrium） ： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界 處處溫處處溫 度相等。度相等。 力平衡力平衡（mechanical equilibrium）：）： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外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。界處處壓力相等。 熱力平衡的熱力平衡的充要條件充要條件 系統(tǒng)同時達(dá)到熱平衡和力平衡系統(tǒng)同時達(dá)到熱平衡和力平衡。

15、一、平衡狀態(tài)一、平衡狀態(tài)（thermodynamic equilibrium state） 25 討論：討論： 1）系統(tǒng)平衡與均勻）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定平衡與穩(wěn)定 平衡可不均勻平衡可不均勻 穩(wěn)定未必平衡穩(wěn)定未必平衡 26 * 二、二、 狀態(tài)公設(shè)（狀態(tài)公設(shè)（state postulate） 1 fn n系統(tǒng)獨立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)系統(tǒng)獨立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)； f系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。 簡單可壓縮系簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式與外界僅有容積變化功一種形式 211n 27 三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程 （pure substance state equati

16、on） 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 0,Tvpf 1理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 （ideal-gas equation; Clapeyrons equation） g pvR T 23 Pa N/mm /kgKpvT g pVmR TnRTpV Rg 氣體常數(shù)氣體常數(shù) （gas constant） R通用氣體常數(shù)通用氣體常數(shù) （universal(molargas constant ) J/(kg K) 8.3145J/(mol K)R g RMR 摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量 28 實際氣體實際氣體(real gas; imperfect gas)的狀態(tài)方程的狀態(tài)方程 范德瓦爾方程范德瓦爾方程g 2 R T

17、 a p vbv （a,b為物性常數(shù)為物性常數(shù)） R-K方程方程 g 0.5 () RT a p v b T v v b （a,b為物性常數(shù)為物性常數(shù)） 29 BWR方程方程 2 g 0 0g0g 223 2 / 623 11 1/ 1 v RT C pBRT AbRT a vTvv cv a e vTv 維里型方程維里型方程 23 g 2 1 1 pvBCD z R Tvvv B pC p 30 四、四、 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametric coordinates） 一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平 面坐標(biāo)上一點確定其狀態(tài)

18、，反之任一狀態(tài)可在平面坐面坐標(biāo)上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐 標(biāo)上找到對應(yīng)點，如：標(biāo)上找到對應(yīng)點，如： p v 1 p1 v1 T s 2 T2 s2 p T 3 p3 T3 OO O 31 附：純物質(zhì)的附：純物質(zhì)的p-v-T圖圖 32 水水p-v-T圖圖 33 一、準(zhǔn)靜態(tài)過程一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process) 定義：定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。 進(jìn)行條件進(jìn)行條件： 破壞平衡的勢破壞平衡的勢 Tp , 過程進(jìn)行無限緩慢過程進(jìn)行無限緩慢 工

19、質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力 準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線連續(xù)實線表示表示 無窮小無窮小 1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 34 二、可逆過程二、可逆過程( reversible process) 定義定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀 態(tài)而在外界不留下任何變化態(tài)而在外界不留下任何變化 的過程的過程。 可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系 非準(zhǔn)靜態(tài)非準(zhǔn)靜態(tài) 不可逆不可逆 準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài) 可逆可逆 單純傳熱過程單純傳熱過程 35 非準(zhǔn)靜態(tài)過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程 (nonequilibrium process)

20、準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆 準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆 b cospAFfp A b cospAFfp A b cos(0)pAFp Af 作功過程作功過程 p F f pb 36 1.可逆可逆=準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)+沒有耗散效應(yīng)沒有耗散效應(yīng) 2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 3.一切實際過程不可逆一切實際過程不可逆 4.內(nèi)部可逆過程的概念內(nèi)部可逆過程的概念 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示 討論：討論： 37 一、功一、功(work)的定義

21、和可逆過程的功的定義和可逆過程的功 1功的力學(xué)定義功的力學(xué)定義 2功的熱力學(xué)定義：功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量其全部通過邊界傳遞的能量其全部 效果可表現(xiàn)為舉起重物。效果可表現(xiàn)為舉起重物。 3可逆過程功的計算可逆過程功的計算 2 1 22 11 dd WW pA xp V 功是過程量功是過程量 功可以用功可以用p- -v圖上過程線圖上過程線 與與v軸包圍的面積表示軸包圍的面積表示 1-6 功和熱量功和熱量 38 系統(tǒng)對外作功為系統(tǒng)對外作功為“+ +” 外界對系統(tǒng)作功為外界對系統(tǒng)作功為“- -” 5功和功率的單位：功和功率的單位： JkJ或 J /sW k J /sk W 附：附：1kW h

22、3600kJ 4功的符號約定：功的符號約定： 39 6討論討論 有用功有用功(useful work)概念概念 plu WWWW 其中其中:W膨脹功膨脹功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大氣功。排斥大氣功。 pb f 例例A7001331 40 用外部參數(shù)計算不可逆過程的功用外部參數(shù)計算不可逆過程的功 2 1 dWpV VpAHpW 00 ? 41 二、廣義功二、廣義功(generalized work)簡介簡介 彈性力功彈性力功 表面張力功表面張力功 電極化功及磁化功等電極化功及磁化功等 42 三、熱量（三、熱量（heat） 1定

23、義：定義：僅僅由于溫差而僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量通過邊界傳遞的能量。 2符號約定：系統(tǒng)吸熱符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱放熱“-” 3單位：單位： JkJ 4計算式及狀態(tài)參數(shù)圖計算式及狀態(tài)參數(shù)圖 2 1 d( d QT S QT S 可逆過程） 熱量是過程量熱量是過程量 （T-s圖上）表示圖上）表示 43 四、四、熱量與功的異同：熱量與功的異同： 1.均為通過邊界傳遞的能量；均為通過邊界傳遞的能量； 3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志；功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志； 4.功是

24、物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的 能量。能量。 功功 2.均為過程量；均為過程量； 熱是無條件的；熱是無條件的； 熱熱功是有條件、限度的。功是有條件、限度的。 44 思考題：思考題： 容器為剛性絕熱，抽去隔板，容器為剛性絕熱，抽去隔板， 重又平衡，過程性質(zhì)。重又平衡，過程性質(zhì)。 逐個抽去隔板，又如何？逐個抽去隔板，又如何？ 45 1-7 熱力循環(huán) 一、一、定義定義： 封閉的熱力過程封閉的熱力過程 特性特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)

25、原值，即d0 x 二、二、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)(reversible cycle and irreversible cycle ) 46 三、動力循環(huán)（正向循環(huán)）（動力循環(huán)（正向循環(huán)）（power cycle; direct cycle ） 輸出凈功；輸出凈功； 在在pv圖及圖及Ts圖上順時針進(jìn)行；圖上順時針進(jìn)行； 膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。 47 四、四、逆向循環(huán)逆向循環(huán)(reverse cycle) 制冷循環(huán)制冷循環(huán)(refrigeration cycle) 熱泵循環(huán)熱泵循環(huán)(heat-pump cycle) 一般地講：輸入凈功；一般地講：輸入凈功； 在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行；在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行； 吸熱小于放熱。吸熱小于放熱。 48 代價 收益 動力循環(huán)：動力循環(huán)： 熱效率熱效率(thermal efficiency) net t 1 1 w q 逆向循環(huán)：逆向循環(huán)： 制冷系數(shù)制冷系數(shù)(coefficien