熱力學(xué)第一章(修改版)

1、緒緒 論論工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)是重要的是重要的技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué)的科學(xué)Preface Thermodynamics can be defined as the science of energyheatThermedynamispower(Greek words)熱能熱能 Thermal Energy能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱熱 能能電電 能能機(jī)機(jī) 械械 能能 風(fēng)風(fēng)能能水水能能化化學(xué)學(xué)能能核核能能地地?zé)釤崮苣芴栮柲苣芤淮文茉匆淮文茉? (天然存在

2、天然存在) )二次能源二次能源 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變?nèi)紵紵囁囁啓C(jī)水輪機(jī)風(fēng)車風(fēng)車熱機(jī)熱機(jī)電動機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換直接利用直接利用利用利用生物質(zhì)生物質(zhì)工程熱力學(xué)與節(jié)能工程熱力學(xué)與節(jié)能工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué)的科學(xué)建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容 1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律能量轉(zhuǎn)換的基本定律 2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理4、

3、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)1、宏觀方法：宏觀方法：連續(xù)體連續(xù)體(continuum)，用宏觀，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)的總結(jié) 特點(diǎn)特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣可靠，普遍，不能任意推廣 經(jīng)典經(jīng)典 （宏觀宏觀,平衡平衡）熱力學(xué)熱力學(xué) classical (macroscopic, equilibrium) 工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)研究方法2、微觀方法：微觀方法：從微觀粒子的運(yùn)動及相互作從微觀粒子的運(yùn)動及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律 特點(diǎn)：特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似揭示本質(zhì)，模型近似 微觀微觀（統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)）熱力

4、學(xué)熱力學(xué) microscopic (statistical) thermodynamics工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)研究方法第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts1-11-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng))：人為地：人為地 研究對象研究對象1、系統(tǒng)系統(tǒng)的定義的定義Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study1-11-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(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)2、系統(tǒng)、外界系統(tǒng)、外界與邊界與邊界邊

5、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的作用都通過邊界邊界surroundingsboundary熱力系統(tǒng)選取的人為性熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋鍋爐爐汽輪機(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熱器過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邊界特性邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動固定、活動fixed 、 movablereal 、imaginary熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕

6、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Types of System開口系開口系絕熱系絕熱系孤立系孤立系Closed system Control massIsolated systemOpen systemControl volume閉口系閉口系A(chǔ)diabatic system1234mQW1 開口系開口系系統(tǒng)系統(tǒng)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 孤立系孤立系熱力系統(tǒng)其它分類方式熱力系統(tǒng)其它分類方式 其它分類方式其它分類方式物理化學(xué)

7、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)多相多相單相單相簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的最重要的系統(tǒng)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Simple compressible systemMoving Boundary WorkCompression WorkExpansion Work1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)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

8、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State and state properties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)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

9、山高度變化山高度變化point function狀態(tài)參數(shù)的微分特征狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(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 可判斷是否可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)參數(shù)Total differentials強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)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)：比參數(shù)：比容比容VvmUum比比內(nèi)能內(nèi)能

10、Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵單位：單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)Intensive properties Extensive properties 強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)速度速度動能動能高度高度 位能位能 內(nèi)能內(nèi)能溫度溫度應(yīng)力應(yīng)力摩爾數(shù)摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol1-3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)壓力壓力 p、溫度、

11、溫度 T、比容、比容 v （容易測量）（容易測量）1 1、壓力壓力 p ( pressure ) 物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)，單位單位: Pa (Pascal), N/m2常用單位常用單位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 PaBasic state properties壓力壓力p測量測量示意圖絕對壓力絕對壓力與與環(huán)境壓力環(huán)境壓力的的相對值相對值 相對壓力相對壓力注意：注意：

12、只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才才是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)U-tube manometerBourdon Tube絕對壓力與相對壓力絕對壓力與相對壓力當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 peebppp當(dāng)當(dāng) p 有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程Relaxation time準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：例：活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.15米米/沖程沖程活塞運(yùn)動速度活塞運(yùn)動速度=2000 2 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）350 m/s破壞平衡所需時間破壞平衡所需時

13、間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。具體工程問題具體分析?！巴蝗煌蝗弧薄啊薄熬徛徛睖?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可視為可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功化對外界作的功 W = p A dl =pdV1kg工質(zhì)工質(zhì) w =pdvdl 很小很小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 p 不變不

14、變Moving Boundary Work準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外外2mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式僅適用于上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖示功圖indicator (p-V) diagrampV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvW準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明pV. .12. .2） p-V 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功的大小與路徑有關(guān)， 過程量過程量Path fu

15、nction4）統(tǒng)一規(guī)定：統(tǒng)一規(guī)定：dV0，膨脹，膨脹 對外作功（對外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 外內(nèi)作功（外內(nèi)作功（負(fù)負(fù)）5）適于適于準(zhǔn)靜態(tài)下準(zhǔn)靜態(tài)下的的任何任何工質(zhì)（一般為流體）工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為單位為 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦損失摩擦損失Friction Loss的影響的影響若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統(tǒng)對外作功系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界將得到的功若外界

16、將得到的功W 再返還給系統(tǒng)，系再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功統(tǒng)得到的功WT2Q節(jié)流過程節(jié)流過程 ( (閥門）閥門）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程常見的不可逆過程混合過程混合過程自由膨脹自由膨脹真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process引入可逆過程的意義引入可逆過程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化理想化過程，過程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過程，可逆過程是過程，可

17、逆過程是最優(yōu)最優(yōu)過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過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)際過程不是可逆過程，但為了研究方實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）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、內(nèi)可逆與外可逆完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆 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 常見常見90 0 例：例：內(nèi)可逆

18、內(nèi)可逆外不可逆外不可逆Totally reversible Internally reversible 外部可逆，內(nèi)部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆Externally reversible 1-7 功功 量量 Work1 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I熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義II功的力學(xué)定義功的力學(xué)定義Definition of Work of Mechanics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熱器過熱器The product of a force and the distance through which t

19、his force acts力力 在力方向上的位移在力方向上的位移But功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義I 當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重唯一效果可歸結(jié)為取起重物物，此即為熱力系對外作功。，此即為熱力系對外作功。 Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight.功的熱力學(xué)定義功的熱力學(xué)定義II Work is an energy interaction between a sys

20、tem and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work. 功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在式，在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運(yùn)動方運(yùn)動方式傳遞的能量式傳遞的能量。功的表達(dá)式功的表達(dá)式功功的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式Fdxw Fdxw熱力學(xué)最常見的功熱力學(xué)最常見的功 容積變化功容積變化功 pdvwpdvw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1-8 熱量與熵?zé)崃颗c熵Heat and EntropyHeat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 熱量熱量定義：定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在用的另一種方式，在溫度溫度的推動下，以的推動下，以微觀微觀無序無序運(yùn)動方式傳遞的運(yùn)動方式傳遞的能量。能量。熱熱 量量 如如 何何 表表 達(dá)達(dá) ？熱量是否可以用類似于