熱力學(xué)基礎(chǔ)- 1章13-9-9

1、熱能工程教研室1-1 1-1 熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的過程熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的過程熱能熱能動力裝置：從燃料燃燒中動力裝置：從燃料燃燒中得到得到熱能，及利用熱能熱能，及利用熱能得到得到動力的整套設(shè)備。動力的整套設(shè)備。 其主要分為其主要分為燃?xì)鈩恿ρb置燃?xì)鈩恿ρb置和和蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置兩大類。兩大類。1、內(nèi)燃機(jī)主要部分有汽缸、活塞。、內(nèi)燃機(jī)主要部分有汽缸、活塞。 燃料和空氣在汽缸內(nèi)燃燒，釋放大量的燃料和空氣在汽缸內(nèi)燃燒，釋放大量的熱能，熱能，燃?xì)馀蛎涀魅細(xì)馀蛎涀鞴Γ苿踊钊?，通過連桿曲軸轉(zhuǎn)變成飛輪的動能。功，推動活塞，通過連桿曲軸轉(zhuǎn)變成飛輪的動能。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義熱

2、能工程教研室熱能工程教研室q從火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中，就其能量轉(zhuǎn)換可以分為兩大部分：從火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中，就其能量轉(zhuǎn)換可以分為兩大部分：1.從燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能；從燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能；2.從機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。從機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。q前者稱為發(fā)電廠的熱力部分，后者稱為發(fā)電廠的電氣部分。前者稱為發(fā)電廠的熱力部分，后者稱為發(fā)電廠的電氣部分。熱力部分包括鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、加熱器等熱力設(shè)熱力部分包括鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、加熱器等熱力設(shè)備以及連接它們構(gòu)成的熱力系統(tǒng)。備以及連接它們構(gòu)成的熱力系統(tǒng)。 熱能工程教研室q在火電廠中，由于工質(zhì)連續(xù)不斷地流過熱力設(shè)備而膨脹作功在火電廠中，由于工質(zhì)

3、連續(xù)不斷地流過熱力設(shè)備而膨脹作功，因此要求其工質(zhì)具有（共同性質(zhì)）：，因此要求其工質(zhì)具有（共同性質(zhì)）：良好的良好的膨脹膨脹性和性和流動流動性，性，其熱力性能穩(wěn)定、無腐蝕性、價廉等。其熱力性能穩(wěn)定、無腐蝕性、價廉等。因此，目前火電廠中采用因此，目前火電廠中采用水蒸氣水蒸氣作為作為工質(zhì)工質(zhì)。 水在鍋爐中水在鍋爐中吸熱吸熱生成蒸汽，然后在汽輪機(jī)中生成蒸汽，然后在汽輪機(jī)中膨脹膨脹推動葉片推動葉片旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)對外作功對外作功，作功后的乏汽作功后的乏汽在凝汽器中向冷卻水在凝汽器中向冷卻水放熱放熱又凝結(jié)又凝結(jié)成水。成水。 熱能工程教研室工質(zhì)、熱源和冷源工質(zhì)、熱源和冷源q概括看無論哪種動力裝置概括看無論哪種動力裝置

4、,總是利用某介質(zhì)從某一總是利用某介質(zhì)從某一 能源獲得熱能，能源獲得熱能，從而具備作功能力。這些過程包含：從而具備作功能力。這些過程包含： 吸熱、膨脹作功、排熱，它對任何動力裝置都是吸熱、膨脹作功、排熱，它對任何動力裝置都是共同共同和和本質(zhì)本質(zhì)的。的。q實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)熱能熱能與與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)稱為的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。工質(zhì)。q把把工質(zhì)工質(zhì)從中從中吸取熱能的物系吸取熱能的物系叫做叫做熱源。熱源。q把接受把接受工質(zhì)工質(zhì)排出熱能的物系排出熱能的物系叫做叫做冷源。冷源。 不同性質(zhì)的工質(zhì)對能量轉(zhuǎn)換的效果有直接影響，原則上氣、液不同性質(zhì)的工質(zhì)對能量轉(zhuǎn)換的效果有直接影響，原則上氣、液、固三態(tài)物

5、質(zhì)都可作為工質(zhì)，但熱力學(xué)中熱能與機(jī)械能之間的相互、固三態(tài)物質(zhì)都可作為工質(zhì)，但熱力學(xué)中熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換是通過物質(zhì)的轉(zhuǎn)換是通過物質(zhì)的體積變化體積變化來實(shí)現(xiàn)的，為使能量能有效而迅速的轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，為使能量能有效而迅速的轉(zhuǎn)換，常選換，常選氣態(tài)氣態(tài)物質(zhì)作為物質(zhì)作為工質(zhì)工質(zhì)。熱能工程教研室1-2 1-2 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)（簡稱簡稱 熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng)）：人為特定的人為特定的研究對象研究對象（為了研究問題方便引入的）（為了研究問題方便引入的）外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)系統(tǒng)系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)系統(tǒng)一、系統(tǒng)與邊界一、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

6、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來完成來完成熱能工程教研室二、 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只交換功功只交換只交換熱熱既交換既交換功功也交換也交換熱熱熱能工程教研室三、三、 邊界特性邊界特性真實(shí)與假定固固定定與與活動活動如如管道中管道中流動的流體流動的流體如如封閉封閉在在氣缸氣缸中的氣體中的氣體固定活塞固定活塞時，時，邊界邊界即即固定固定熱能工程教研室熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類1. 以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：是否傳輸工質(zhì)是否傳輸工質(zhì) 開口系開口系 閉口系閉口系 有有 無無是否傳功是否傳功

7、 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱是否傳熱 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 孤立系孤立系熱能工程教研室2.2. 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)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)組成工質(zhì)組成多組分系多組分系單組分系單組分系相態(tài)相態(tài)多相多相單相單相3 3、系統(tǒng)分類示例系統(tǒng)分類示例（1）房間內(nèi)的空氣）房間內(nèi)的空氣（2）密閉房間內(nèi)的空氣）密閉房間內(nèi)的空氣（3）絕熱密閉房間內(nèi)的空氣）絕熱密閉房間內(nèi)的空氣單相、多組分、絕熱閉口系單相、多組分、絕熱閉口系單相、多組分閉口系單相、多組分閉口系

8、單相、多組分開口系單相、多組分開口系熱能工程教研室 簡單的可壓縮系統(tǒng)簡單的可壓縮系統(tǒng)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)只只交換交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化容積變化功功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹功膨脹功有關(guān) 準(zhǔn)靜態(tài)、容積功 等概念在后續(xù)章節(jié)將要介紹體積變化體積變化功功本課程本課程討論的討論的大部分大部分系統(tǒng)系統(tǒng)即是即是熱能工程教研室1-3 1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的描述熱力系狀態(tài)的宏觀物理量宏觀物理

9、量狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)參數(shù)的特征特征： 1、單值性單值性：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)的變化量、狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。，只與初終態(tài)有關(guān)。熱能工程教研室 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1 1、溫度、溫度 T其他三個狀態(tài)參數(shù)為：其他三個狀態(tài)參數(shù)為：1、熱力學(xué)能、熱力學(xué)能 U；2、焓、焓 H；3、熵、熵 S2 2、壓力、壓力 p3 3、比容、比容 v基本狀態(tài)參數(shù)：可直接用儀表測量，使用最多?；緺顟B(tài)參數(shù)：可直接用儀表測量，使用最多。熱能工程教研室一、溫度一、溫度T傳統(tǒng)定義：傳統(tǒng)定義：物體冷熱程度的度量。物體冷熱程

10、度的度量。微觀定義：微觀定義：衡量分子平均動能的量度衡量分子平均動能的量度 T 0.50.5 m c 2 對于氣體，它是大量對于氣體，它是大量分子平移動能平均值的量度分子平移動能平均值的量度,其關(guān)系式：其關(guān)系式： m c 2 /2 = BT （1-1）式中：式中：T是熱力學(xué)溫度；是熱力學(xué)溫度； B =3k/2，k=（1.3800580.000012）10 -23 J/K 是玻爾茲曼常數(shù)；是玻爾茲曼常數(shù)；c是是分子移動的均方根速度。分子移動的均方根速度。 1960年國際計量大會上，規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)作為測量溫度的最年國際計量大會上，規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)作為測量溫度的最基本溫標(biāo)。規(guī)定基本溫標(biāo)。規(guī)定攝氏溫度攝

11、氏溫度： t = T - 273.15 K （1-2）熱能工程教研室溫度的熱力學(xué)定義溫度的熱力學(xué)定義 處于同一處于同一熱平衡熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼狀態(tài)的各個熱力系，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相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫度溫度。 溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡熱平衡的物理量的物理量。 熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于必然處于熱平衡熱平衡。熱能工程教研室熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律

12、是是溫度測量的溫度測量的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)熱力學(xué)第熱力學(xué)第零零定律定律 1931年年 T熱力學(xué)第熱力學(xué)第一一定律定律 1840 1850年年 E熱力學(xué)第熱力學(xué)第二二定律定律 1854 1855年年 S熱力學(xué)第熱力學(xué)第三三定律定律 1906年年 S基準(zhǔn)基準(zhǔn)通常表述為絕對零度時，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零。通常表述為絕對零度時，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零。 熱能工程教研室常用溫標(biāo)常用溫標(biāo)絕對絕對K K攝氏攝氏 100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1537.8冰熔點(diǎn)冰熔點(diǎn)水三相水三相點(diǎn)點(diǎn)水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)t = T - 273.15 K （1-2）熱能工程教研室

13、溫度測量方法溫度測量方法日常日常：水銀溫度計：水銀溫度計、酒精溫度計等酒精溫度計等工業(yè)工業(yè)：熱電偶：熱電偶、熱敏電阻、電子（集成塊）溫度傳感器熱敏電阻、電子（集成塊）溫度傳感器計量計量：鉑電阻溫度計：鉑電阻溫度計溫度溫度計計物質(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)刻度刻度溫度溫度標(biāo)標(biāo)尺尺熱能工程教研室二、壓力二、壓力 p常用單位的關(guān)系見表1-1： 1 巴bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 物理大氣壓atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 毫米汞柱mmHg =133.3 Pa 1 工程大氣壓at=7

14、35.6 mmHg = 9.80665104 Pa物理中物理中壓強(qiáng)壓強(qiáng)：分子運(yùn)動學(xué)把氣體的壓力看成是大量氣體分子撞擊器壁的平分子運(yùn)動學(xué)把氣體的壓力看成是大量氣體分子撞擊器壁的平均結(jié)果。均結(jié)果。壓力單位壓力單位: 1Pa = 1 N/m2熱能工程教研室絕對壓力絕對壓力p與相對表壓力與相對表壓力p e p14當(dāng)當(dāng) p pb大氣壓力大氣壓力表壓力表壓力 pe當(dāng)當(dāng) p pb大氣壓力大氣壓力熱能工程教研室環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境指壓力表所處環(huán)境的壓力。工程計算中，選的壓力。工程計算中，選取的壓力必須是取的壓力必須是絕對壓力絕對壓力。注意：注意：環(huán)境壓力環(huán)境壓力

15、一般為一般為大氣壓大氣壓，但不一定。但不一定。精確嚴(yán)格來說，精確嚴(yán)格來說，大氣壓大氣壓是是隨時間、地點(diǎn)隨時間、地點(diǎn)的海拔高度的海拔高度h而而變化。變化。物理大氣壓物理大氣壓 1atm=760mmHg，當(dāng)當(dāng)h變化不大，變化不大， 常數(shù)常數(shù) ，1mmHg = g h = 133.322Pa當(dāng)當(dāng)h變化大，變化大， (h) ()ph g d h熱能工程教研室三三 、 比體積比體積v及密度及密度m3/kg （1-5）Vvm比比體積體積v表示單位物質(zhì)所占的體積表示單位物質(zhì)所占的體積物理上常用物理上常用密度密度 kg/m3 （1-6）1v熱能工程教研室1-4 1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)系平衡狀態(tài)、狀

16、態(tài)方程式、坐標(biāo)系一、一、平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)定義：定義：在在不受外界影響不受外界影響的條件下（重力場除外），如果一個熱力系的條件下（重力場除外），如果一個熱力系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 平衡是指的平衡是指的宏觀的宏觀的動態(tài)平衡動態(tài)平衡，只是系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)不隨時間，只是系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)不隨時間而變化，而內(nèi)部而變化，而內(nèi)部微觀粒子還在運(yùn)動微觀粒子還在運(yùn)動。 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。 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)不平衡勢不平衡勢不平衡

17、勢熱能工程教研室1.平衡、穩(wěn)定與均勻平衡、穩(wěn)定與均勻平衡：時間上平衡：時間上均勻：空間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相態(tài)物質(zhì)的平衡態(tài)則一定是均勻的。平衡不一定均勻，單相態(tài)物質(zhì)的平衡態(tài)則一定是均勻的。穩(wěn)定：穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化。參數(shù)不隨時間變化。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。工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)。工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)。熱能工程教研室2 2、常見的不平衡勢、常見的不平衡勢 溫差溫差 熱熱不平衡勢不平衡勢 壓差壓差 力力不平衡勢不平衡勢 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)化學(xué)不平衡勢不平衡勢平衡態(tài)的平衡態(tài)的本質(zhì)本質(zhì)：不存在不平衡勢不存在不平衡勢不平衡勢不平衡

18、勢那么，為什么引入那么，為什么引入平衡態(tài)平衡態(tài)的概念？的概念？ 如果如果系統(tǒng)平衡系統(tǒng)平衡，可用，可用一組一組確切的參數(shù)（確切的參數(shù)（壓力壓力、溫度溫度）來）來描述。描述。 如果系統(tǒng)不處于平衡狀態(tài)，則無法用統(tǒng)一確定的狀態(tài)參如果系統(tǒng)不處于平衡狀態(tài)，則無法用統(tǒng)一確定的狀態(tài)參數(shù)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。數(shù)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)均不同。系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)均不同。系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)相同。系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)相同。熱能工程教研室3 3、平衡條件、平衡條件熱熱 平平 衡：衡：力力 平平 衡：衡：相相 平平 衡：衡：化學(xué)平衡：化學(xué)平衡：溫度相等溫度相等若系統(tǒng)內(nèi)各處溫度不等，若系統(tǒng)內(nèi)各處溫度不等，如何？如何？

19、壓力相等壓力相等若系統(tǒng)內(nèi)各處壓力不若系統(tǒng)內(nèi)各處壓力不等，如何？等，如何？各相間化學(xué)位相等各相間化學(xué)位相等反應(yīng)物與生成物化學(xué)位相等反應(yīng)物與生成物化學(xué)位相等反應(yīng)物與生成物的組分不隨時間而變化反應(yīng)物與生成物的組分不隨時間而變化熱力平衡熱力平衡熱能工程教研室為什么引入平衡概念？為什么引入平衡概念？如果如果系統(tǒng)平衡系統(tǒng)平衡，可用，可用一組一組確切的參數(shù)（確切的參數(shù)（壓力壓力、溫度等溫度等）來）來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)變化破壞平衡破壞平衡如何描述？如何描述？熱能工程教研室熱力過程熱力過程 當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)與外界之間系統(tǒng)與外界之間存在某種

20、存在某種不平衡勢差不平衡勢差（如（如溫差）時，系統(tǒng)將與外界發(fā)生能量或物質(zhì)交換，溫差）時，系統(tǒng)將與外界發(fā)生能量或物質(zhì)交換，原有平衡被打破，系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后，原有平衡被打破，系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后，建立起新的平衡態(tài)建立起新的平衡態(tài)。則則 系統(tǒng)工質(zhì)系統(tǒng)工質(zhì)狀態(tài)變化狀態(tài)變化的的歷程歷程叫作叫作熱力過程熱力過程。熱能工程教研室二二. . 狀態(tài)方程式狀態(tài)方程式平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)可用可用一組一組狀態(tài)參數(shù)描述，那么狀態(tài)參數(shù)描述，那么想確切描述某個熱力系，需要想確切描述某個熱力系，需要所有所有狀態(tài)參數(shù)嗎？狀態(tài)參數(shù)嗎？至少需至少需多少個多少個狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)參數(shù)？一熱力系若其一熱力系若其2 2個狀態(tài)相同，則

21、其所有狀態(tài)參數(shù)個狀態(tài)相同，則其所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等。反之，也是如此。一一對應(yīng)相等。反之，也是如此。對于簡單可壓縮系，描述平衡態(tài)只需對于簡單可壓縮系，描述平衡態(tài)只需2 2個獨(dú)立狀個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)。只要態(tài)參數(shù)。只要2 2個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等，即可個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等，即可判定該判定該2 2個狀態(tài)完全相同。個狀態(tài)完全相同。工程熱力學(xué)通常只研究工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)。熱能工程教研室二、狀態(tài)方程式二、狀態(tài)方程式簡單可壓縮系統(tǒng)：當(dāng)其處于平衡時，各部分具有相同的壓力簡單可壓縮系統(tǒng)：當(dāng)其處于平衡時，各部分具有相同的壓力p 、溫度溫度T、比體積、比體積v等等參數(shù)，且它們服從一定的關(guān)系式，該關(guān)

22、系式稱參數(shù)，且它們服從一定的關(guān)系式，該關(guān)系式稱狀態(tài)方程式，狀態(tài)方程式，即即 T = T（ p 、v ），）， p = p （T, , v ），）， v = v （p ， T）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 ) 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。該關(guān)系也可以寫成隱函數(shù)形式：該關(guān)系也可以寫成隱函數(shù)形式： F = F （ p 、v 、T ）理想氣體的狀態(tài)方程：理想氣體的狀態(tài)方程： p v = Rg T ; p V=m Rg T; p V=n R T (1-7) 實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？以后介紹。實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？以后介紹。熱能工程教研室三、三、狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖坐標(biāo)圖2 2個個

23、參數(shù)可以完全確定參數(shù)可以完全確定簡單可壓縮系簡單可壓縮系的的平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)。由由熱力熱力系系狀態(tài)參數(shù)所組成的狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖稱為坐標(biāo)圖稱為熱力熱力狀態(tài)狀態(tài)坐坐標(biāo)圖標(biāo)圖。其特點(diǎn)：。其特點(diǎn)：pv1）熱力熱力系統(tǒng)任何平衡態(tài)可系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示在坐標(biāo)圖上表示在坐標(biāo)圖上2）過程線中任意一點(diǎn)為平過程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)衡態(tài)3）不平衡不平衡態(tài)無法在圖上態(tài)無法在圖上用用實(shí)線實(shí)線表示表示常見常見p-v圖和圖和T-s圖圖熱能工程教研室 1-5 1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化準(zhǔn)靜態(tài)過程工質(zhì)的狀態(tài)變化準(zhǔn)靜態(tài)過程非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)無法簡單描述無法簡單描述熱力學(xué)引入熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡準(zhǔn)平衡）過程過程平衡

24、狀態(tài)平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換能量不能轉(zhuǎn)換一、一、準(zhǔn)準(zhǔn)平衡（平衡（靜態(tài)）過程靜態(tài)）過程熱能工程教研室準(zhǔn)準(zhǔn)平衡平衡過程的工程條件過程的工程條件破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（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）有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程如過程進(jìn)行得相對緩慢，工質(zhì)在平衡被破壞后恢復(fù)平如過程進(jìn)行得相對緩慢，工質(zhì)在平衡被破壞后恢復(fù)平衡所需時間很短，不衡所需時間很短，不顯著顯著偏離平衡狀態(tài)，該過程稱偏離平衡狀態(tài)，該過程稱準(zhǔn)準(zhǔn)平衡過程。平衡過程。指一系列內(nèi)部的瞬指一系列內(nèi)部的瞬時無限接近平

25、衡態(tài)時無限接近平衡態(tài)的連續(xù)過程的連續(xù)過程熱能工程教研室準(zhǔn)靜態(tài)過程有實(shí)際意義嗎？準(zhǔn)靜態(tài)過程時，工質(zhì)參數(shù)雖時時變化，但又相對均勻準(zhǔn)靜態(tài)過程時，工質(zhì)參數(shù)雖時時變化，但又相對均勻一致，即處于相對內(nèi)部平衡之中。一致，即處于相對內(nèi)部平衡之中。故準(zhǔn)靜態(tài)過程既有平衡，又有變化；故準(zhǔn)靜態(tài)過程既有平衡，又有變化；既可以用既可以用狀態(tài)參數(shù)描述狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換熱功轉(zhuǎn)換；要求要求一切不平衡勢無限小一切不平衡勢無限小，故過程，故過程疑問疑問：理論上理論上準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，那應(yīng)無限緩慢，那工程上工程上怎樣處理？怎樣處理？只要只要系統(tǒng)狀態(tài)變化的速度系統(tǒng)狀態(tài)變化的速度小于小于系統(tǒng)恢復(fù)平衡的系統(tǒng)恢復(fù)

26、平衡的速度速度，即可視為即可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程。熱能工程教研室一般過程一般過程p1 = p0 ( (大氣壓大氣壓) )+ +重物重物T1 = T0突然去掉重物突然去掉重物最終最終p2 = p0T2 = T0pv12. . .p0p1，T1重物重物熱能工程教研室準(zhǔn)準(zhǔn)平衡（平衡（靜態(tài)）過程靜態(tài)）過程p1 = p0+ +重物重物T1 = T0假如重物有無限多層假如重物有無限多層每次只去掉無限薄的一層每次只去掉無限薄的一層系統(tǒng)系統(tǒng)隨時隨時接近于平衡態(tài)接近于平衡態(tài)vp12. . . .p0p1，T1重物重物熱能工程教研室一一 、準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程、準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程圖圖1-11，以汽缸中工質(zhì)為系統(tǒng)

27、，以汽缸中工質(zhì)為系統(tǒng)，初始：初始：p A = p外外 A +F如果如果p外外微小，微小，dl l很小很小，p近似認(rèn)為不變，即可視為近似認(rèn)為不變，即可視為準(zhǔn)平衡過程準(zhǔn)平衡過程氣體在點(diǎn)氣體在點(diǎn)1、2、3是平衡狀態(tài)，中間是平衡狀態(tài)，中間經(jīng)歷過程的狀態(tài)是不平衡的。經(jīng)歷過程的狀態(tài)是不平衡的。氣體工質(zhì)在壓力差作用下實(shí)現(xiàn)氣體工質(zhì)在壓力差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平準(zhǔn)平衡過程的條件之一，力的平衡：衡過程的條件之一，力的平衡：p （ p外外ext +F/A） 0p外外extpAdlpv12. . . .3圖1-11 氣體膨脹工程F熱能工程教研室 當(dāng)然在該過程中還需要當(dāng)然在該過程中還需要熱的平衡熱的平衡。只有當(dāng)傳熱時熱。只有當(dāng)

28、傳熱時熱源和工質(zhì)的溫度差始終無限小，才是準(zhǔn)平衡的。源和工質(zhì)的溫度差始終無限小，才是準(zhǔn)平衡的。氣體工質(zhì)在溫度差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件之二，氣體工質(zhì)在溫度差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件之二，熱的平衡：熱的平衡： （TText ） 0 熱的平衡和力的平衡是互相關(guān)聯(lián)，只有工質(zhì)與外界熱的平衡和力的平衡是互相關(guān)聯(lián)，只有工質(zhì)與外界的的壓差壓差和和溫差溫差均為均為無限小的過程，才是無限小的過程，才是準(zhǔn)平衡過程準(zhǔn)平衡過程。準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程熱能工程教研室準(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

29、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)平衡（靜態(tài)）過程，準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過程，這這樣可以方便樣可以方便分析和簡單處理。分析和簡單處理。熱能工程教研室可逆過程的定義可逆過程的定義:系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界外界同時同時恢復(fù)到初始恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為狀態(tài)，而不留

30、下任何痕跡，則此過程為可逆過程可逆過程。注意：注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。二、可逆過程二、可逆過程若若摩擦摩擦 f 0,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將得到的功W 再返還給系再返還給系統(tǒng)統(tǒng), 則則外界外界、活塞活塞、系統(tǒng)系統(tǒng)同時恢復(fù)同時恢復(fù)原態(tài)。原態(tài)。pp外外21f=0熱能工程教研室若有摩擦若有摩擦 f 存在，就存在損失。存在，就存在損失。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將得到的功W 再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功再

31、返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功WT2Q自由膨脹自由膨脹真空真空實(shí)際過程實(shí)際過程均是均是不可逆過程不可逆過程，可逆過程可逆過程是不引起任何熱力損失是不引起任何熱力損失的的理想過程。理想過程。凡是凡是自發(fā)的過程自發(fā)的過程均是均是不可逆過程。不可逆過程。不平衡勢？不平衡勢？不平衡勢？不平衡勢？溫差溫差壓力差壓力差自由膨脹、擴(kuò)散自由膨脹、擴(kuò)散熱能工程教研室4、典型的不可逆過程（2）節(jié)流過程節(jié)流過程 ( (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程因有漩渦，產(chǎn)生因有漩渦，產(chǎn)生耗散耗散耗散？耗散？能量損失能量損失不平衡勢？不平衡勢？濃度差濃度差熱能工程教研室1-6 過程的功和熱量過程的功和熱量一一 、功的熱力

32、學(xué)定義、功的熱力學(xué)定義 p21熱能工程教研室二、二、可逆可逆過程的功過程的功VF ext 質(zhì)量為質(zhì)量為m的氣體工質(zhì)在氣缸中進(jìn)行的氣體工質(zhì)在氣缸中進(jìn)行可逆可逆膨膨脹，其過程如圖脹，其過程如圖1-9中的連續(xù)曲線中的連續(xù)曲線1 - 2表示。表示。按力學(xué)定義，工質(zhì)推動活塞移動按力學(xué)定義，工質(zhì)推動活塞移動dx時所作的膨時所作的膨脹功：脹功：W = FW = F dx = p（A dx ）= p（dV） （1-8）A是活塞面積，活塞面積， dV是工質(zhì)體積微元變化量。工質(zhì)體積微元變化量。工質(zhì)從狀態(tài)工質(zhì)從狀態(tài)12的所作的膨脹功：的所作的膨脹功： （1-9） pW12mnd VFdxpdvwW1-2221V圖圖

33、1-13 可逆工程的功可逆工程的功熱能工程教研室可逆可逆過程的功過程的功如果工質(zhì)是如果工質(zhì)是1kg,則所作的功則所作的功 W = p /m（d V） =p d v （1-10） （1-11）熱力學(xué)約定：正值代表氣體膨脹對外作的功，負(fù)值表示而外力壓熱力學(xué)約定：正值代表氣體膨脹對外作的功，負(fù)值表示而外力壓縮氣體所消耗的功?？s氣體所消耗的功。有用功有用功Wu 、摩擦功、摩擦功W l、排斥大氣功、排斥大氣功W r的關(guān)系式：的關(guān)系式： Wu = W W l W r (1-12)大氣壓力可作定值大氣壓力可作定值 W r = P0 (V2-V1) = P0 (V) (1-13)pdvwW1-2221熱能工程

34、教研室有用功有用功氣缸中氣體膨脹對外作功，氣缸中氣體膨脹對外作功，準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程氣體對外作功氣體對外作功 （1-8）可逆過程不考慮摩擦和耗散，可逆過程不考慮摩擦和耗散，外界得到的有用功外界得到的有用功W有用=W- P0 (V2 -V1 ) p0pWpdV熱能工程教研室功的表達(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，表面張力功，電功拉伸功，表面張力功，電功等等熱能工程教研室熱能工程教研室熱能工程教研室熱量定義熱量定義：熱力系熱力系和和外界外界之間僅僅由于之間僅僅由于

35、溫度溫度不同而不同而通過邊界與通過邊界與外界外界傳遞的傳遞的能量能量。另一定義：另一定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫溫度度的推動下，以微觀的推動下，以微觀無序無序運(yùn)動方式傳遞的運(yùn)動方式傳遞的能量能量。熱量熱量的單位是的單位是J J 。工程熱力學(xué)約定：。工程熱力學(xué)約定：體系吸熱，體系吸熱，熱量熱量為正；為正；反之反之體系放熱體系放熱為負(fù)。為負(fù)。 系統(tǒng)在系統(tǒng)在可逆過程可逆過程與與外界外界交換的交換的熱量熱量按按下式計算：下式計算： q= Tds （1-201-20） （1-211-21）四、過程四、過程熱量熱量TdSQq1-2212TSQ

36、圖圖1-17 過程熱量過程熱量(溫熵溫熵)ds1s1s2T熱能工程教研室熱量與容積變化功熱量與容積變化功能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量性質(zhì)性質(zhì) 過程量過程量 過程量過程量推動力推動力 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 pdvwTdsq條件條件 準(zhǔn)靜態(tài)或可逆準(zhǔn)靜態(tài)或可逆 可逆可逆熱能工程教研室示功圖與示熱圖示功圖與示熱圖pVW 壓容壓容(示功示功)圖圖TSQ溫熵溫熵(過程熱量過程熱量)圖圖pdVWTdSQ功和熱的不同：功和熱的不同：功是有規(guī)則的宏觀運(yùn)動能量的傳遞，作功過程功是有規(guī)則的宏觀運(yùn)動能量的傳遞，作功

37、過程有有能量形式的轉(zhuǎn)化；能量形式的轉(zhuǎn)化；熱量是大量微粒子熱運(yùn)動的能量的傳遞，傳熱過程熱量是大量微粒子熱運(yùn)動的能量的傳遞，傳熱過程不不出現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)化。出現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)化。功功轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成熱量熱量是是無條件無條件的，而的，而熱熱轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成功功是是有條件有條件的。的。熱能工程教研室五、示功圖（五、示功圖（ p-V p-V 圖）圖）pV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvWdVpdV熱能工程教研室六、準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明六、準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明pV. .12. .1）單位為單位為 kJ 或或 kJ/kg2） p-

38、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)， 功是過程量功是過程量4）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 對內(nèi)作功（對內(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熱能工程教研室七、摩擦損失的影響若有若有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

39、界將得到的功若外界將得到的功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WpBAB非準(zhǔn)靜態(tài)過程，非可逆過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程，非可逆過程（因?yàn)檫^程不緩慢）（因?yàn)檫^程不緩慢）取取A或或B中氣體為系統(tǒng)中氣體為系統(tǒng)可逆熱力學(xué)可逆熱力學(xué)沒法計算沒法計算相互有功的作用相互有功的作用取取AB氣體為系統(tǒng)，氣體為系統(tǒng)，無功無功 為何？為何？總體積不變?？傮w積不變。熱能工程教研室 作業(yè)作業(yè) 1 思考題思考題（P30）1-1、1-2、1-4、1-12習(xí)題習(xí)題（P32） 1-4、 1-6、 1-9 1-15、 1-19、 1-21熱能工程教研室第一章 完熱能工程教研室第一章第一章 小小 結(jié)結(jié)基本概念：基本概念：

40、 熱力系熱力系 準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程 過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù) 功、熱量功、熱量 p-V圖、圖、T-S圖圖 循環(huán)、工作系數(shù)循環(huán)、工作系數(shù)熱能工程教研室第一章第一章 討論課討論課 熱力系熱力系種種類類閉口系、開口系、絕熱系、閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系絕功系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有具有隨意隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。性，選取不當(dāng)將不便于分析。熱能工程教研室狀態(tài)量與過程量狀態(tài)量與過程量q狀態(tài)量：狀態(tài)量：q 描述工質(zhì)狀態(tài)，工質(zhì)的狀態(tài)一定，狀態(tài)參數(shù)一定。描述工質(zhì)狀態(tài)，工質(zhì)的狀態(tài)一定，狀態(tài)參數(shù)

41、一定。q 具有物理上勢函數(shù)的特征具有物理上勢函數(shù)的特征q 狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關(guān)，狀態(tài)參數(shù)的全微分是恰當(dāng)微分，狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關(guān)，狀態(tài)參數(shù)的全微分是恰當(dāng)微分，微元量用符號微元量用符號dz表示。表示。q過程量（功和熱）過程量（功和熱）q 只有在熱力過程中通過邊界才能實(shí)現(xiàn)交換和傳遞。只有在熱力過程中通過邊界才能實(shí)現(xiàn)交換和傳遞。q 沒有過程就不會有遷移的能量沒有過程就不會有遷移的能量功和熱。功和熱。q 不能說不能說“系統(tǒng)具有多少功量或熱量系統(tǒng)具有多少功量或熱量”q 功量和熱量的大小不僅和系統(tǒng)的初、終態(tài)有關(guān)，而且與系統(tǒng)經(jīng)功量和熱量的大小不僅和系統(tǒng)的初、終態(tài)有關(guān)，而且與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程有關(guān)。歷的過

42、程有關(guān)。q 不是恰當(dāng)微分，微元過程寫成不是恰當(dāng)微分，微元過程寫成“ W”和和“ Q” 熱能工程教研室思考題思考題有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？不對。關(guān)鍵看是否引起外界變化。不對。關(guān)鍵看是否引起外界變化。可逆過程指可逆過程指若若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復(fù)到初態(tài)。同時恢復(fù)到初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初可逆過程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。態(tài)的過程。熱能工程教研室可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過程可逆過程一定是一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是不一定是可逆過程可逆過程可逆過程可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程無耗散無耗散可逆過程可逆過程完全理想，以后均用完全理想，以后均用可逆可逆過程過程的概念。的概念。準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程很少用。很少用。熱能工程教研室有用功有用功氣缸中氣體膨脹對外作功，