工程熱力學(xué)-第一章—基本概念ppt課件

1、根本概念根本概念1.1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)1.熱力系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng)、體系的定義：熱力系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng)、體系的定義： 人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)叫做熱力系統(tǒng)。統(tǒng)叫做熱力系統(tǒng)。2.系統(tǒng)、外界與邊境系統(tǒng)、外界與邊境 外界：系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)。外界：系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)。 邊境界面、控制面：系統(tǒng)與外界的分界面。邊境界面、控制面：系統(tǒng)與外界的分界面。 系統(tǒng)與外界經(jīng)過(guò)邊境交換能量和質(zhì)量。系統(tǒng)與外界經(jīng)過(guò)邊境交換能量和質(zhì)量。 熱力系統(tǒng)舉例 熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類 與外界能否有物質(zhì)交換與外界能否有物質(zhì)交換 閉口系統(tǒng)閉系、封鎖系統(tǒng)、控制閉口系統(tǒng)閉系、封

2、鎖系統(tǒng)、控制質(zhì)量系統(tǒng)；質(zhì)量系統(tǒng)； 開(kāi)口系統(tǒng)開(kāi)系、敞開(kāi)系統(tǒng)、控制開(kāi)口系統(tǒng)開(kāi)系、敞開(kāi)系統(tǒng)、控制體積系統(tǒng)。體積系統(tǒng)。 開(kāi)系和閉系在一定條件下可相互轉(zhuǎn)開(kāi)系和閉系在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化，主要化，主要 取決于分析問(wèn)題的需求和方便。取決于分析問(wèn)題的需求和方便。 開(kāi)系與閉系的轉(zhuǎn)化 熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類 與外界能否有能量交換與外界能否有能量交換 簡(jiǎn)單熱力系統(tǒng)；簡(jiǎn)單熱力系統(tǒng)； 絕熱系統(tǒng)；絕熱系統(tǒng)； 孤立系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)。 孤立系一致定是閉口系統(tǒng)，也一定是絕熱孤立系一致定是閉口系統(tǒng)，也一定是絕熱系統(tǒng)。系統(tǒng)。 熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類 系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)組成的特征系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)組成的特征 單組分系統(tǒng)：工質(zhì)只由單一組分單

3、組分系統(tǒng)：工質(zhì)只由單一組分的物質(zhì)的物質(zhì) 組成組成 多組分系統(tǒng)：工質(zhì)由多種不同組多組分系統(tǒng)：工質(zhì)由多種不同組分的分的 物質(zhì)組成物質(zhì)組成 熱力系統(tǒng)的分類熱力系統(tǒng)的分類 系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的相態(tài)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的相態(tài) 均勻系統(tǒng)；均勻系統(tǒng)； 單相系統(tǒng)；單相系統(tǒng)； 多相系統(tǒng)。多相系統(tǒng)。 均勻系一致定是單相系統(tǒng)。均勻系一致定是單相系統(tǒng)。1.2 熱力形狀熱力形狀1.2.1 形狀及形狀參數(shù)形狀及形狀參數(shù) 定義定義 某一瞬間熱力系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀情況稱為某一瞬間熱力系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀情況稱為系統(tǒng)系統(tǒng) 的形狀。的形狀。 描畫(huà)系統(tǒng)所處形狀的宏觀物理量稱為形狀描畫(huà)系統(tǒng)所處形狀的宏觀物理量稱為形狀參數(shù)。參數(shù)。形狀參數(shù)的分類形狀參數(shù)的分類

4、 根本形狀參數(shù)：可以直接丈量的形狀參數(shù)。根本形狀參數(shù)：可以直接丈量的形狀參數(shù)。 如壓力如壓力p p、溫度、溫度T T、比體積、比體積v v。 導(dǎo)出形狀參數(shù)：由根本形狀參數(shù)間接求得的導(dǎo)出形狀參數(shù)：由根本形狀參數(shù)間接求得的 參數(shù)。參數(shù)。 如內(nèi)能如內(nèi)能U U、焓、焓H H、熵、熵S S等。等。1. 壓力壓力 壓力的定義壓力的定義 沿垂直方向作用在單位面積上的力稱沿垂直方向作用在單位面積上的力稱為壓為壓 力即物理中壓強(qiáng)。力即物理中壓強(qiáng)。 對(duì)于容器內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)來(lái)說(shuō)，壓力是對(duì)于容器內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)來(lái)說(shuō)，壓力是大量氣大量氣 體分子作不規(guī)那么運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)器壁單位體分子作不規(guī)那么運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)器壁單位面積撞擊面積撞擊 作用力

5、的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。作用力的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 壓力的方向總是垂直于容器內(nèi)壁。壓力的方向總是垂直于容器內(nèi)壁。壓力的單位壓力的單位壓力的單位是壓力的單位是N/m2 ，符號(hào)是帕，符號(hào)是帕Pa常用壓力單位的換算見(jiàn)附表常用壓力單位的換算見(jiàn)附表1222頁(yè)頁(yè)1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 at = 1 kgf/ cm2 = 9.8067 104 Pa1 MPa = 106Pa 103kPa 10bar壓力的表示方法壓力的表示方法 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力p p、表壓力、表壓力pgpg、 真空度真空度pvpv 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力p p、表壓力、表壓力pgpg、真空度、真空度pvpv、 大氣壓力

6、大氣壓力pbpb的關(guān)系的關(guān)系 pg =p- pb pv= pb-p pg =p- pb pv= pb-p 只需絕對(duì)壓力只需絕對(duì)壓力p p才是系統(tǒng)的形狀參才是系統(tǒng)的形狀參數(shù)。數(shù)。例例1 1：知甲醇合成塔上壓力表的讀數(shù)為：知甲醇合成塔上壓力表的讀數(shù)為 150kgf/cm2150kgf/cm2，這時(shí)車間內(nèi)氣壓計(jì)上的，這時(shí)車間內(nèi)氣壓計(jì)上的 讀數(shù)為讀數(shù)為780mmHg780mmHg。試求合成塔內(nèi)絕。試求合成塔內(nèi)絕 對(duì)壓力等于多少對(duì)壓力等于多少kPakPa？例例2：在通風(fēng)機(jī)吸氣管上用：在通風(fēng)機(jī)吸氣管上用U型管壓力計(jì)測(cè)出的壓型管壓力計(jì)測(cè)出的壓 力為力為300mmH2O，這時(shí)氣壓計(jì)上的讀數(shù)，這時(shí)氣壓計(jì)上的讀數(shù)

7、750mmHg。 試：試：1求吸氣管內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力等于多少求吸氣管內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力等于多少 kPa？ 2假設(shè)吸氣管內(nèi)的氣體壓力不變，而大氣假設(shè)吸氣管內(nèi)的氣體壓力不變，而大氣 壓下降至壓下降至735mmHg，這時(shí)，這時(shí)U型管壓力計(jì)型管壓力計(jì) 的讀數(shù)等于多少？的讀數(shù)等于多少？例例3：某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝：某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝 有壓力計(jì)，如下圖。壓力表有壓力計(jì)，如下圖。壓力表A、C位于大氣環(huán)境中，位于大氣環(huán)境中，B位位 于室于室中。設(shè)大氣壓力為中。設(shè)大氣壓力為97kPa：1假設(shè)壓力表假設(shè)壓力表B、表、表C的讀數(shù)分別為的讀數(shù)分別為75kPa、0

8、.11MPa，試確，試確 定壓力表定壓力表A上的讀數(shù)及容器兩部分內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力；上的讀數(shù)及容器兩部分內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力；2假設(shè)表假設(shè)表C為真空計(jì)，讀數(shù)為為真空計(jì)，讀數(shù)為24kPa，壓力表，壓力表B的讀數(shù)為的讀數(shù)為 36kPa，試問(wèn)表，試問(wèn)表A是什么表？讀數(shù)是多少？是什么表？讀數(shù)是多少？2. 溫度溫度 傳統(tǒng)：溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志。 微觀：溫度是衡量分子平均動(dòng)能的量度。 T 0.5 m c2 T=0 0.5 m c2=0 分子一切運(yùn)動(dòng)停頓，零動(dòng)能。 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 熱平衡：不同物體的冷熱程度一樣，那么它們處于熱平衡。熱平衡：不同物體的冷熱程度一樣，那么它們處于熱平衡。 熱力學(xué)第零

9、定律熱力學(xué)中的一個(gè)根本實(shí)驗(yàn)結(jié)果：熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)中的一個(gè)根本實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 假設(shè)兩個(gè)熱力系分別與第三個(gè)熱力系處于熱平衡，那么假設(shè)兩個(gè)熱力系分別與第三個(gè)熱力系處于熱平衡，那么這兩個(gè)熱力系也處于熱平衡。這兩個(gè)熱力系也處于熱平衡。溫度丈量的實(shí)際根底溫度丈量的實(shí)際根底B 相當(dāng)于溫度計(jì)相當(dāng)于溫度計(jì) 為什么叫做熱力學(xué)第零定律為什么叫做熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 1931年年 T熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 18401850年年 E熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 18541855年年 S熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律 1906年年 S基準(zhǔn)基準(zhǔn) 溫度的熱力學(xué)定義溫度的熱力學(xué)定義由熱力學(xué)第零定律可以

10、推斷：處于同一熱平衡由熱力學(xué)第零定律可以推斷：處于同一熱平衡形狀的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此形狀的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此一樣，用于描畫(huà)此宏觀特征的物理量一樣，用于描畫(huà)此宏觀特征的物理量溫度。溫度。溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)能否與其它系統(tǒng)處于熱平溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)能否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。衡的物理量。熱力學(xué)第零定律給出了比較溫度的方法。熱力學(xué)第零定律給出了比較溫度的方法。 溫標(biāo)溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) t 單位單位 華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo) t 單位單位 熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo) T 單位單位 K 朗肯溫標(biāo)朗肯溫標(biāo) T 單位單位R 攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)規(guī)定，規(guī)

11、范大氣壓下純水的冰點(diǎn)攝氏溫標(biāo)規(guī)定，規(guī)范大氣壓下純水的冰點(diǎn)溫度為溫度為00，沸點(diǎn)溫度為，沸點(diǎn)溫度為100100，兩定點(diǎn)的溫度，兩定點(diǎn)的溫度，按溫度與丈量物質(zhì)的某種物理量如液柱體積、按溫度與丈量物質(zhì)的某種物理量如液柱體積、金屬電阻等的線性關(guān)系確定。金屬電阻等的線性關(guān)系確定。 熱力學(xué)溫標(biāo)是與測(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)的溫?zé)崃W(xué)溫標(biāo)是與測(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo)，它選取水的三相點(diǎn)的溫度為標(biāo)，它選取水的三相點(diǎn)的溫度為273.16K273.16K，定義，定義1K1K的溫度間隔等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的的溫度間隔等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.161/273.16。 常用溫標(biāo)之間的關(guān)系常用溫標(biāo)之間的關(guān)系0.01絕對(duì)絕對(duì)K攝

12、氏攝氏 華氏華氏 朗肯朗肯R100373.15273.160-17.80-273.15212671.6737.810032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)559.67273.15發(fā)燒發(fā)燒0 溫標(biāo)之間的換算關(guān)系：溫標(biāo)之間的換算關(guān)系： 15.273)()(CtKT 67.459)()(FtRT 32)(8 . 1)(CtFt )(8 . 1)(KTRT )()(CtKT )()(FtRT )(8 . 1)(CtRT3.比體積比容比體積比容 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)所占的容積比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)所占的容積 m3/kg m3/kg 密度：?jiǎn)挝蝗莘e

13、所含的物質(zhì)質(zhì)量密度：?jiǎn)挝蝗莘e所含的物質(zhì)質(zhì)量 kg/m3 kg/m3 反響了工質(zhì)聚集的疏密程度反響了工質(zhì)聚集的疏密程度mVv vVm11.2 熱力形狀熱力形狀形狀參數(shù)是形狀的單值函數(shù)。形狀參數(shù)是形狀的單值函數(shù)。 形狀確定，那么形狀參數(shù)也隨之確定；反之亦形狀確定，那么形狀參數(shù)也隨之確定；反之亦然。然。形狀參數(shù)的積分特性：形狀參數(shù)的變化量形狀參數(shù)的積分特性：形狀參數(shù)的變化量 與途徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。與途徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。形狀參數(shù)的微分特性：全微分形狀參數(shù)的微分特性：全微分1.2.2 形狀參數(shù)的特性形狀參數(shù)的特性1.數(shù)學(xué)特性數(shù)學(xué)特性形狀參數(shù)的積分特性形狀參數(shù)的積分特性 形狀參數(shù)形狀參數(shù)z的變

14、化量與途徑無(wú)關(guān)，只與初的變化量與途徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)上： 是點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)是點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)1 2ab 0dz2222111,1,abdzdzdzzz形狀參數(shù)的微分特性形狀參數(shù)的微分特性設(shè)設(shè) z =z (x , y) ， dz是全微分是全微分充要條件是：充要條件是：可判別能否是形狀參數(shù)?？膳袆e能否是形狀參數(shù)。yxzzdzdxdyxy22zzx yy x 那么：那么： 2.強(qiáng)度參數(shù)和廣度參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)和廣度參數(shù) 強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)。強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)。 如如 p、T、v 等等 強(qiáng)度參數(shù)具有不可加性。強(qiáng)度參數(shù)具有不可加性。 把一個(gè)均勻系統(tǒng)劃分成假設(shè)干

15、個(gè)子把一個(gè)均勻系統(tǒng)劃分成假設(shè)干個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的同名系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的同名 強(qiáng)度參數(shù)一樣，且與整個(gè)系統(tǒng)的同強(qiáng)度參數(shù)一樣，且與整個(gè)系統(tǒng)的同名強(qiáng)度參數(shù)一樣。名強(qiáng)度參數(shù)一樣。 非均勻系統(tǒng)內(nèi)各處的同名參數(shù)值卻非均勻系統(tǒng)內(nèi)各處的同名參數(shù)值卻不一定一樣。不一定一樣。 廣度參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)。廣度參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)。 廣度參數(shù)具有可加性，如廣度參數(shù)具有可加性，如 m m、V V、U U、E E、H H、S S 等。等。 無(wú)論系統(tǒng)均勻與否，廣度參數(shù)具有無(wú)論系統(tǒng)均勻與否，廣度參數(shù)具有確定的值。確定的值。 單位質(zhì)量的廣度參數(shù)稱為比參數(shù)，單位質(zhì)量的廣度參數(shù)稱為比參數(shù)，如如v v、u u、h h、s

16、s 等。等。 比參數(shù)具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)；比參數(shù)具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)； 廣度參數(shù)用大寫(xiě)字母表示，比參廣度參數(shù)用大寫(xiě)字母表示，比參數(shù)用小寫(xiě)字母；數(shù)用小寫(xiě)字母； 習(xí)慣上把除比容以外的比參數(shù)的習(xí)慣上把除比容以外的比參數(shù)的“比省略。比省略。 單位摩爾的廣度參數(shù)稱為摩爾參數(shù)，單位摩爾的廣度參數(shù)稱為摩爾參數(shù)，摩爾參數(shù)也具摩爾參數(shù)也具 有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)。有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)。1.2 熱力形狀熱力形狀1.2.3 平衡形狀平衡形狀 定義：在不受外界影響的條件下重力場(chǎng)除定義：在不受外界影響的條件下重力場(chǎng)除外，外， 假設(shè)系統(tǒng)的宏觀形狀不隨時(shí)間變化，那么假設(shè)系統(tǒng)的宏觀形狀不隨時(shí)間變化，那么該系該系 統(tǒng)處于平衡形狀。統(tǒng)處于平衡

17、形狀。 不能把平衡態(tài)簡(jiǎn)單地說(shuō)成不隨時(shí)間而改動(dòng)的形不能把平衡態(tài)簡(jiǎn)單地說(shuō)成不隨時(shí)間而改動(dòng)的形狀，也不能說(shuō)成外界條件不變的形狀。狀，也不能說(shuō)成外界條件不變的形狀。 平衡態(tài)是指系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的形平衡態(tài)是指系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的形狀。狀。 平衡與均勻：均勻系一致定處于平衡形狀，平衡與均勻：均勻系一致定處于平衡形狀， 反之那么不然。反之那么不然。 實(shí)現(xiàn)平衡的條件實(shí)現(xiàn)平衡的條件 熱平衡熱平衡 溫度相等溫度相等 力平衡力平衡 壓力相等壓力相等 相平衡相平衡 各相間化各相間化學(xué)位相等學(xué)位相等 化學(xué)平衡化學(xué)平衡 反響物與反響物與生成物化學(xué)生成物化學(xué) 位相等位相等此外，系統(tǒng)與外界之間也要處于相互此

18、外，系統(tǒng)與外界之間也要處于相互平衡中。平衡中。只需平衡形狀，才可用一組形狀參數(shù)來(lái)描畫(huà)。只需平衡形狀，才可用一組形狀參數(shù)來(lái)描畫(huà)。1.2.4 形狀方程與形狀參數(shù)坐標(biāo)圖形狀方程與形狀參數(shù)坐標(biāo)圖 不需求，只需知道描畫(huà)系統(tǒng)形狀所需的獨(dú)立不需求，只需知道描畫(huà)系統(tǒng)形狀所需的獨(dú)立形狀參數(shù)的數(shù)目即自在度就可以了！形狀參數(shù)的數(shù)目即自在度就可以了！想確切描畫(huà)某個(gè)熱力系統(tǒng)，能想確切描畫(huà)某個(gè)熱力系統(tǒng)，能否需求一切形狀參數(shù)？否需求一切形狀參數(shù)？1.系統(tǒng)形狀的自在度系統(tǒng)形狀的自在度 其中其中是系統(tǒng)的組分個(gè)數(shù)，是系統(tǒng)的組分個(gè)數(shù)，是系統(tǒng)中相的個(gè)是系統(tǒng)中相的個(gè)數(shù)。數(shù)。2.形狀方程形狀方程 對(duì)于恣意系統(tǒng)所處的形狀來(lái)說(shuō)，只需對(duì)于恣意

19、系統(tǒng)所處的形狀來(lái)說(shuō)，只需個(gè)個(gè)獨(dú)立形狀參數(shù)作為自變量，其它參數(shù)均可視為獨(dú)立形狀參數(shù)作為自變量，其它參數(shù)均可視為因變量。因變量。 將任一因變量表示為自變量的函數(shù)關(guān)系式，將任一因變量表示為自變量的函數(shù)關(guān)系式，稱為形狀方程。稱為形狀方程。2 對(duì)單組分單相系統(tǒng)，對(duì)單組分單相系統(tǒng)， 2 2()0f pvT ， ， 壓力壓力p、溫度、溫度T、比體積、比體積v是根本形狀參是根本形狀參數(shù)，經(jīng)常被作為自變量。數(shù)，經(jīng)常被作為自變量。氣體形狀方程可表示為氣體形狀方程可表示為或或 對(duì)單組分理想氣體，對(duì)單組分理想氣體， 就是最簡(jiǎn)單就是最簡(jiǎn)單的形狀方程。的形狀方程。pvRT()pp vT，3. 形狀參數(shù)坐標(biāo)圖形狀參數(shù)坐標(biāo)圖

20、 采用由恣意兩個(gè)獨(dú)立形狀參數(shù)采用由恣意兩個(gè)獨(dú)立形狀參數(shù) 2 構(gòu)成的平面坐標(biāo)系上的一點(diǎn)來(lái)構(gòu)成的平面坐標(biāo)系上的一點(diǎn)來(lái)描畫(huà)系統(tǒng)所處的實(shí)踐形狀，這種坐標(biāo)圖就是熱力系統(tǒng)的形狀參數(shù)坐標(biāo)圖。描畫(huà)系統(tǒng)所處的實(shí)踐形狀，這種坐標(biāo)圖就是熱力系統(tǒng)的形狀參數(shù)坐標(biāo)圖。 常見(jiàn)的常見(jiàn)的p-v圖和圖和T-s圖就是最常用的坐標(biāo)圖。圖就是最常用的坐標(biāo)圖。闡明：闡明：2過(guò)程線中恣意一點(diǎn)過(guò)程線中恣意一點(diǎn) 為平衡態(tài)；為平衡態(tài)； 3 3不平衡態(tài)無(wú)法在圖不平衡態(tài)無(wú)法在圖 上用實(shí)線表示。上用實(shí)線表示。 1系統(tǒng)任何平衡態(tài)都可系統(tǒng)任何平衡態(tài)都可 表示在坐標(biāo)圖上；表示在坐標(biāo)圖上；3. 形狀參數(shù)坐標(biāo)圖形狀參數(shù)坐標(biāo)圖 形狀參數(shù)坐標(biāo)圖不但可用來(lái)確定系統(tǒng)所

21、處的形狀參數(shù)坐標(biāo)圖不但可用來(lái)確定系統(tǒng)所處的 形狀，而且還可用來(lái)分析形狀閱歷不同變化形狀，而且還可用來(lái)分析形狀閱歷不同變化 的過(guò)程，在工程上有著廣泛運(yùn)用。的過(guò)程，在工程上有著廣泛運(yùn)用。 除除p-v、T-s圖外，還有圖外，還有h-s、T-p、lnp-h圖等。圖等。3.形狀參數(shù)坐標(biāo)圖形狀參數(shù)坐標(biāo)圖 假設(shè)熱力系統(tǒng)的形狀自在度不止兩個(gè)時(shí)，就假設(shè)熱力系統(tǒng)的形狀自在度不止兩個(gè)時(shí)，就必必 須取二元以上的坐標(biāo)系來(lái)描畫(huà)系統(tǒng)的形狀。須取二元以上的坐標(biāo)系來(lái)描畫(huà)系統(tǒng)的形狀。 假設(shè)所描畫(huà)的系統(tǒng)并非均勻系或處于非平衡假設(shè)所描畫(huà)的系統(tǒng)并非均勻系或處于非平衡態(tài)態(tài) 時(shí)，普通可把系統(tǒng)按其內(nèi)部均勻部分如不時(shí)，普通可把系統(tǒng)按其內(nèi)部均勻

22、部分如不 同相態(tài)部分或部分平衡部分，分成假設(shè)干同相態(tài)部分或部分平衡部分，分成假設(shè)干子子 均勻系或子平衡態(tài)，然后再運(yùn)用上述獨(dú)立狀均勻系或子平衡態(tài)，然后再運(yùn)用上述獨(dú)立狀 態(tài)參數(shù)的表示法分別予以處置。態(tài)參數(shù)的表示法分別予以處置。1.3 熱力過(guò)程熱力過(guò)程 在外界的影響下，熱力系統(tǒng)的工質(zhì)形狀沿特定規(guī)律發(fā)生變化的總歷程稱為熱力過(guò)程，簡(jiǎn)稱在外界的影響下，熱力系統(tǒng)的工質(zhì)形狀沿特定規(guī)律發(fā)生變化的總歷程稱為熱力過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。過(guò)程。 實(shí)踐熱力過(guò)程是閱歷了一系列非平衡形狀從形狀實(shí)踐熱力過(guò)程是閱歷了一系列非平衡形狀從形狀1 1變化到形狀變化到形狀2 2的，因此要使過(guò)程進(jìn)展，必需存在的，因此要使過(guò)程進(jìn)展，必需存在不平衡

23、勢(shì)差如溫度差、壓力差、化學(xué)位差等。不平衡勢(shì)差如溫度差、壓力差、化學(xué)位差等。1.3.1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)平衡過(guò)程平衡形狀平衡形狀形狀不變化形狀不變化能量不能轉(zhuǎn)換能量不能轉(zhuǎn)換非平衡形狀非平衡形狀無(wú)法簡(jiǎn)單描畫(huà)無(wú)法簡(jiǎn)單描畫(huà)熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)平衡過(guò)程熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)平衡過(guò)程普經(jīng)過(guò)程普經(jīng)過(guò)程 p，Tp0忽然去掉重物忽然去掉重物最終最終p2 = p0T2 = T0pv12. . .p1 = p0+重物重物T1 = T0準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)平衡過(guò)程p，Tp0假設(shè)重物有無(wú)限多層假設(shè)重物有無(wú)限多層每次只去掉無(wú)限薄一層每次只去掉無(wú)限薄一層pv12. . . .系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)

24、系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)p1 = p0+重物重物T1 = T0準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有實(shí)踐意義嗎？準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有實(shí)踐意義嗎？既是平衡，又是變化既是平衡，又是變化既可以用形狀參數(shù)描畫(huà)，又可進(jìn)展熱功轉(zhuǎn)換既可以用形狀參數(shù)描畫(huà)，又可進(jìn)展熱功轉(zhuǎn)換疑問(wèn)：實(shí)際上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，疑問(wèn)：實(shí)際上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢， 工程上怎樣處置？工程上怎樣處置？準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間破壞平衡所需時(shí)間外部作用時(shí)間外部作用時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間馳豫時(shí)間馳豫時(shí)間有足夠時(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 過(guò)程的每一步不僅內(nèi)部必需堅(jiān)持力平衡，系統(tǒng)與外過(guò)程的每一步不僅內(nèi)部必需堅(jiān)持力平衡，

25、系統(tǒng)與外界之間也必需堅(jiān)持力平衡。否那么，有限力差推進(jìn)的過(guò)界之間也必需堅(jiān)持力平衡。否那么，有限力差推進(jìn)的過(guò)程，必為非靜態(tài)過(guò)程。程，必為非靜態(tài)過(guò)程。 這是作功過(guò)程中得出的結(jié)論，但完全可以推行到傳這是作功過(guò)程中得出的結(jié)論，但完全可以推行到傳熱、相變和化學(xué)反響中去。熱、相變和化學(xué)反響中去。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程運(yùn)用準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程運(yùn)用 例：活塞式內(nèi)燃機(jī)例：活塞式內(nèi)燃機(jī) 20002000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分，分， 曲柄曲柄 2 2沖程沖程/ /轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.150.15米米/ /沖程沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度活塞運(yùn)動(dòng)速度=20002 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度聲速壓力波恢復(fù)平衡速度聲速340 m/s破壞平衡所

26、需時(shí)間破壞平衡所需時(shí)間外部作用時(shí)間外部作用時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間恢復(fù)平衡所需時(shí)間馳豫時(shí)間馳豫時(shí)間普通的工程過(guò)程都可以為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程普通的工程過(guò)程都可以為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程詳細(xì)工程問(wèn)題詳細(xì)分析。詳細(xì)工程問(wèn)題詳細(xì)分析?！昂鋈缓鋈?“緩慢緩慢 力、溫度、化學(xué)勢(shì)分別是推進(jìn)作功、傳熱、化學(xué)力、溫度、化學(xué)勢(shì)分別是推進(jìn)作功、傳熱、化學(xué) 反響的勢(shì)，所以有限勢(shì)差推進(jìn)的過(guò)程必為非準(zhǔn)靜反響的勢(shì)，所以有限勢(shì)差推進(jìn)的過(guò)程必為非準(zhǔn)靜 態(tài)過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，必需在無(wú)限小勢(shì)差態(tài)過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，必需在無(wú)限小勢(shì)差 推進(jìn)下進(jìn)展。推進(jìn)下進(jìn)展。 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的每一步，權(quán)利系必需堅(jiān)持平衡。因準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的每一步，權(quán)利系必需堅(jiān)持平衡。因

27、此嚴(yán)厲地講，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程必需無(wú)限緩慢地進(jìn)展。此嚴(yán)厲地講，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程必需無(wú)限緩慢地進(jìn)展。 只需準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程才干用確定的形狀參數(shù)的變化來(lái)只需準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程才干用確定的形狀參數(shù)的變化來(lái) 描畫(huà)，才干在坐標(biāo)圖中用延續(xù)曲線來(lái)表示，才干描畫(huà)，才干在坐標(biāo)圖中用延續(xù)曲線來(lái)表示，才干 用熱力學(xué)方法來(lái)分析。用熱力學(xué)方法來(lái)分析。 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的討論中，并未涉及摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的討論中，并未涉及摩擦景象。由于摩擦做功，會(huì)呵斥能量損耗。景象。由于摩擦做功，會(huì)呵斥能量損耗。 其實(shí)即使存在摩擦，過(guò)程的每一步，其實(shí)即使存在摩擦，過(guò)程的每一步，熱力系仍可堅(jiān)持平衡態(tài)。所以說(shuō)，摩擦熱力系仍可堅(jiān)持平衡態(tài)。所以說(shuō)，摩擦景象并不影響

28、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。但是景象并不影響準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。但是由于摩擦，逆行時(shí)系統(tǒng)不能復(fù)原到原來(lái)由于摩擦，逆行時(shí)系統(tǒng)不能復(fù)原到原來(lái)的形狀。的形狀。1.3.2 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 當(dāng)系統(tǒng)閱歷某一過(guò)程后，假設(shè)令過(guò)程沿一樣的途當(dāng)系統(tǒng)閱歷某一過(guò)程后，假設(shè)令過(guò)程沿一樣的途徑逆行能使過(guò)程中所涉及的一切系統(tǒng)和外界都恢徑逆行能使過(guò)程中所涉及的一切系統(tǒng)和外界都恢復(fù)到原來(lái)形狀，而不留下任何痕跡，那么這一過(guò)程稱復(fù)到原來(lái)形狀，而不留下任何痕跡，那么這一過(guò)程稱為可逆過(guò)程。為可逆過(guò)程。 不滿足上述熱力條件的過(guò)程，稱為不可逆過(guò)程。不滿足上述熱力條件的過(guò)程，稱為不可逆過(guò)程。 定義定義 實(shí)踐的熱力過(guò)程都是不可逆過(guò)程。 可逆過(guò)程雖然是一

29、種理想化了的熱力過(guò)程， 但在一樣的條件下，可作為判別實(shí)踐不可逆 過(guò)程偏離理想可逆極限程度的規(guī)范。 可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程只是立足于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)狀準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程只是立足于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)狀 態(tài)的平衡性問(wèn)題，它只涉及工質(zhì)內(nèi)部的形狀態(tài)的平衡性問(wèn)題，它只涉及工質(zhì)內(nèi)部的形狀 變化。耗散效應(yīng)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程無(wú)影響。變化。耗散效應(yīng)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程無(wú)影響。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 + + 無(wú)耗散效應(yīng)無(wú)耗散效應(yīng) = = 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 可逆過(guò)程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)必需是平衡可逆的，而可逆過(guò)程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)必需是平衡可逆的，而且要求系統(tǒng)工質(zhì)與外界發(fā)生相互作用關(guān)系能量傳送效且要

30、求系統(tǒng)工質(zhì)與外界發(fā)生相互作用關(guān)系能量傳送效果時(shí)也必需是平衡可逆的。因此是反響了系統(tǒng)工質(zhì)與果時(shí)也必需是平衡可逆的。因此是反響了系統(tǒng)工質(zhì)與外界兩方面所產(chǎn)生的總效果。外界兩方面所產(chǎn)生的總效果。 要實(shí)現(xiàn)可逆，系統(tǒng)的內(nèi)部和外部都必需是可逆的，即不要實(shí)現(xiàn)可逆，系統(tǒng)的內(nèi)部和外部都必需是可逆的，即不 存在任何不可逆損失。存在任何不可逆損失。 可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，而準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程只是實(shí)現(xiàn)可可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，而準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程只是實(shí)現(xiàn)可 逆過(guò)程的條件之一。逆過(guò)程的條件之一。 可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系引入可逆過(guò)程的意義引入可逆過(guò)程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)踐過(guò)程的理想化過(guò)程，但并準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)

31、程是實(shí)踐過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。 可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的形可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的形狀參數(shù)表達(dá)，可不思索系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，狀參數(shù)表達(dá)，可不思索系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，容易分析。容易分析。 實(shí)踐過(guò)程不是可逆過(guò)程。但為了研討方便，實(shí)踐過(guò)程不是可逆過(guò)程。但為了研討方便，先按理想情況可逆過(guò)程處置，用系統(tǒng)參數(shù)加先按理想情況可逆過(guò)程處置，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后思索不可逆要素加以修正。以分析，然后思索不可逆要素加以修正。1.3.3 熱力循環(huán)熱力循環(huán)定義：定義： 工質(zhì)從某一形狀出發(fā)，閱歷一系列過(guò)程后又工質(zhì)從某一形狀出發(fā)，閱歷一系列過(guò)程后又回到初始形狀，這些過(guò)程的綜合稱為熱力循環(huán)，回到初始形狀，這些過(guò)程的綜合稱為熱力循環(huán)，簡(jiǎn)稱循環(huán)。簡(jiǎn)稱循環(huán)。熱力循環(huán)在形狀參數(shù)坐標(biāo)圖上，可表示為一根封鎖熱力循環(huán)在形狀參數(shù)坐標(biāo)圖上，可表示為一根封鎖的曲線，這樣系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的任一形狀參數(shù)的曲線，這樣系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的任一形狀參數(shù) z z 在經(jīng)在經(jīng)過(guò)每一熱力循環(huán)后，應(yīng)堅(jiān)持過(guò)每一熱力循環(huán)后，應(yīng)堅(jiān)持0dz 假設(shè)循環(huán)中的每個(gè)過(guò)程都是可逆的，那么這個(gè)循假設(shè)循環(huán)中的每個(gè)過(guò)程都是可逆的，那么這個(gè)循環(huán)環(huán) 稱為可逆循環(huán)。在坐標(biāo)圖上，可逆循環(huán)用閉合實(shí)稱為可逆循環(huán)。在坐標(biāo)圖上，