工程熱力學(xué)(王修彥)課件

1、1-11-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)thermodynamicsystem熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng)):人為分割出來，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)。作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。 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)、系統(tǒng)(system)與邊界與邊界(boundary)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)與外界的作用都通過與外界的作用都通過邊界邊界Basic Concepts and Definitionsurroundingsurrounding邊界特性邊界特性以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有

2、有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系(控制體控制體) 閉口系（控制質(zhì)量）閉口系（控制質(zhì)量）是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 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是否傳熱、功、質(zhì)熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1234mQW1 開口系開口系非孤立系相關(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 孤立系孤立系簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)simple compressible system最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(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

3、積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水蒸氣、空氣、燃?xì)?其他類方式其他類方式 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)種類工質(zhì)種類多元系多元系單元系單元系相態(tài)相態(tài)多相多相單相單相工質(zhì)工質(zhì)3.熱源熱源低溫?zé)嵩矗ɡ湓吹蜏責(zé)嵩矗ɡ湓磆eatsink）恒溫?zé)嵩春銣責(zé)嵩?constantheatreservoir)變溫?zé)嵩醋儨責(zé)嵩礌顟B(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)的宏觀物理量描述熱力系狀態(tài)的宏觀物理量(p,v,T)基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)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

4、，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 與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)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)變化量與路徑無關(guān)，只與狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(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)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz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yxzzdzdxdyxy充要條件：充要條件：22zzx yy x 可

5、判斷是否可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù)intensive propertyextensive property強(qiáng)度參數(shù)：強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)與物質(zhì)的量無關(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、內(nèi)能內(nèi)能 U、焓焓 H、熵熵S比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)VvmUumHhmSsm比比容容(比比體積體積)比比內(nèi)能內(nèi)能比比焓焓比比熵熵單位：單位：/kg /kmol 1-3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比容、比容 v （容易測量）（容易測量）1 1、壓

6、力壓力 p（單位面積上所受到的力）（單位面積上所受到的力） 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)，單位單位: Pa , N/m2（大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果）（大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果）絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 pabsolute pressure 表壓力表壓力 pe（pg）- gauge pressure; 真空度真空度 pvvacuum; vacuum pressure當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮簆blocal atmospheric pressure當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 peebppp當(dāng)當(dāng) p pb真空度真空度 pvbvppppbpeppvp環(huán)境壓力環(huán)境壓力指壓力表（計(jì)）所處環(huán)境指壓力表（計(jì)）所處環(huán)境注

7、意：注意：環(huán)境壓力環(huán)境壓力一般為一般為大氣壓大氣壓，但不一定。但不一定。當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮弘S時(shí)間、地點(diǎn)變化。（緯度、高度、氣候，地隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。（緯度、高度、氣候，地面以上的空氣柱重量所造成的）（高壓、低壓）面以上的空氣柱重量所造成的）（高壓、低壓）物理大氣壓物理大氣壓 1atm=760mmHg（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）當(dāng)當(dāng)h變化不大變化不大 常數(shù)常數(shù)1mmHg= gh=133.3Pa當(dāng)當(dāng)h變化大，變化大， (h) ( )ph gdh 常用單位：常用單位：1kPa=103Pa1 bar = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013 105

8、Pa1 mmHg =133.3 Pa1mmH2O=9.81Pa 1 at=1kgf/cm2 = 9.80665 104Pa 例題例題： 如圖，已知大氣壓如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi)型管內(nèi) 汞柱高度差汞柱高度差H=300mm，氣體表，氣體表B讀數(shù)讀數(shù)為為0.2543MPa，求：，求：A室壓力室壓力pA及氣壓表及氣壓表A的的讀數(shù)讀數(shù)pgA6101325Pa0.2543 10 Pa355600PaBbeBppp(133.32 300)Pa355600Pa0.3956MPaABpHp0.3956M Pa 0.101325M Pa 0.2943M PaAbeAeAAbpppppp解：

9、說明：熱力學(xué)計(jì)算中用的壓力說明：熱力學(xué)計(jì)算中用的壓力傳統(tǒng)：傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量雙杠、鐵、木頭雙杠、鐵、木頭微觀：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度微觀：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度對(duì)于氣體是大量分子平移動(dòng)能的平均值量度對(duì)于氣體是大量分子平移動(dòng)能的平均值量度 T 0.5 m w 2溫度的熱力學(xué)定義溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律熱力學(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)處于如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平熱平衡衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡熱平衡。溫度測量的理論基溫度測量的理論基礎(chǔ)礎(chǔ)處于同一處于同一熱平

10、衡熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，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此宏觀特征的物理量 溫度溫度。 溫度溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于統(tǒng)處于熱平衡熱平衡的物理量的物理量溫度的測量溫度的測量溫度溫度計(jì)計(jì)物質(zhì)物質(zhì) （水銀，鉑電阻水銀，鉑電阻）特性特性 （體積膨脹，阻值體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)刻度刻度溫標(biāo)溫標(biāo)常用溫標(biāo)常用溫標(biāo)temperaturescale絕對(duì)絕對(duì)K攝氏攝氏 華氏華氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.81

11、00032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水沸點(diǎn)鹽水沸點(diǎn)發(fā)燒發(fā)燒水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)559.67O 273.15T Kt CO5( 32)9t Ct F 459.67t Ft R溫度測量方法溫度測量方法日常日常：水銀溫度計(jì)：水銀溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)， 水溫度計(jì)水溫度計(jì)工業(yè)工業(yè)：熱電偶：熱電偶，熱敏電阻熱敏電阻計(jì)量計(jì)量：鉑電阻溫度計(jì)：鉑電阻溫度計(jì)3.3.比體積比體積v vspecific volumem3/kgVvm工質(zhì)聚集的疏密程度工質(zhì)聚集的疏密程度定義：單位質(zhì)量工質(zhì)的體積。又稱為定義：單位質(zhì)量工質(zhì)的體積。又稱為比容比容。比體積與密度比體積與密度(den

12、sity)密度密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量1v3mkg思考題思考題閉口系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，保持質(zhì)量恒閉口系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，保持質(zhì)量恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)保持質(zhì)量恒定的熱力系統(tǒng)定，那么系統(tǒng)內(nèi)保持質(zhì)量恒定的熱力系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)嗎？一定是閉口系統(tǒng)嗎？開口系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，物質(zhì)又和能開口系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，物質(zhì)又和能量不可分割，所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱量不可分割，所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱系統(tǒng)，對(duì)否，為什么？系統(tǒng)，對(duì)否，為什么？思考題思考題thermodynamicequilibriumstate 1 1、定義：、定義：在在不受外界影響不受外界影響的條件下（重力場除的條件下（重力

13、場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，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)。則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 溫差溫差 熱不平衡勢熱不平衡勢 壓差壓差 力不平衡勢力不平衡勢 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)不平衡勢化學(xué)不平衡勢平衡的平衡的本質(zhì)本質(zhì)：不存在不平衡勢：不存在不平衡勢2.平衡與穩(wěn)定平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定穩(wěn)定但存在但存在不平衡勢差不平衡勢差去掉去掉外界影響，則外界影響，則狀態(tài)變化狀態(tài)變化0t穩(wěn)定未必平衡穩(wěn)定未必平衡 穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定3.平衡與均勻平衡與均勻平衡平衡：時(shí)間上：時(shí)間上均勻均勻：空間上：空間

14、上均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和性質(zhì)都相同。性質(zhì)都相同。非均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和非均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和性質(zhì)各不相同。即使熱力系各部分的成分性質(zhì)各不相同。即使熱力系各部分的成分相同，若狀態(tài)性質(zhì)不同，也算做非均勻系相同，若狀態(tài)性質(zhì)不同，也算做非均勻系平衡可不均勻平衡可不均勻平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的 如果如果系統(tǒng)平衡系統(tǒng)平衡，可用，可用一組一組確切確切的參數(shù)（的參數(shù)（壓力壓力、溫度溫度）描述描述但平衡狀態(tài)是但平衡狀態(tài)是死態(tài)死態(tài)，沒有能量交換，沒有能量交換能量交換能量交換狀態(tài)變化狀態(tài)

15、變化破壞平衡破壞平衡如何描述如何描述4.狀態(tài)公理狀態(tài)公理閉口系：閉口系：不平衡勢差不平衡勢差 狀態(tài)變化狀態(tài)變化 能量傳遞能量傳遞消除一種不平衡勢差消除一種不平衡勢差 達(dá)到某一方面平衡達(dá)到某一方面平衡 消除一種能量傳遞方式消除一種能量傳遞方式而而不平衡勢差彼此獨(dú)立不平衡勢差彼此獨(dú)立 獨(dú)立參數(shù)數(shù)目獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)不平衡勢差數(shù) =能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目 =各種功的方式各種功的方式+熱量熱量= n+1n 容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等等5.狀態(tài)方程狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：簡單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)絕熱簡單可壓縮系統(tǒng) N = ?狀態(tài)方程狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)（基本狀態(tài)參數(shù)（p, ,v, ,T) )之間之間 的關(guān)系的關(guān)系),( Tpfv0),(Tvpf理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程RTpv pVmRT實(shí)際工質(zhì)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)狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)范德瓦爾方程范德瓦爾方程g2R Tapvbv（a,b為物性常數(shù)）BWR方程方程2g00 g0g2