工程熱力學(xué)第一章

1、第一章 基本概念Basic Concepts and Definition1-1 熱能動力裝置 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。 分類：燃氣動力裝置: 內(nèi)燃機 燃氣輪機動力裝置 噴氣動力裝置 （一）蒸汽動力裝置的工作原理蒸汽動力裝置系統(tǒng)簡圖1-爐子；2-爐墻；3-沸水管；4-汽鍋；5-過熱器；6-汽輪機；7-噴嘴8-葉片；9-葉輪；10-軸；11-發(fā)電機；12-冷凝器；13、14、16-泵；15-蓄水池 （二）內(nèi)燃機的工作原理內(nèi)燃機的主要部分為汽缸、活塞。內(nèi)燃機的主要部分為汽缸、活塞。內(nèi)燃機工作過程的特點是：燃料內(nèi)燃機工作過程的特點是：燃料在氣缸內(nèi)燃燒，所產(chǎn)生的燃氣直在

2、氣缸內(nèi)燃燒，所產(chǎn)生的燃氣直接推動活塞作功。接推動活塞作功。 （三）燃氣輪機裝置的工作原理燃氣輪機裝置是一種比較新型的動力裝置，最簡單的燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置是一種比較新型的動力裝置，最簡單的燃氣輪機裝置包括三個主要部件：壓氣機、渦輪和燃燒室。包括三個主要部件：壓氣機、渦輪和燃燒室。不同點：結(jié)構(gòu)和工作方式不同。相同點： 1）存在某一種媒介物質(zhì)以獲得能量，從而具備作功的能力；(內(nèi)燃機中混合氣，蒸汽機中的水） 2）存在能提供熱能的能量源； 3）只有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，余下的熱能排向環(huán)境介質(zhì)。討論：上述三種熱機的比較概括看來概括看來: 吸熱、膨脹作功、排熱對任何一種熱能動力裝置吸熱、膨脹作功、排熱對

3、任何一種熱能動力裝置都是共同的，也是本質(zhì)的。都是共同的，也是本質(zhì)的。1）工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。2）熱源：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。高溫?zé)嵩矗?低溫?zé)嵩矗?恒溫?zé)嵩矗?變溫?zé)嵩?兩個重要概念：n熱能動力裝置的工作過程可概括成：工質(zhì)自高溫?zé)嵩次鼰?，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機械能而作功，并把余下部分傳給低溫?zé)嵩础igh-temperature sourceEngineLow-temperature sourceAbsorb heatWorkGive out heat1-2 熱力系統(tǒng)定義：根據(jù)研究問題的需要，人為地選取一定范圍內(nèi)的物質(zhì)作為熱力學(xué)分析對象，稱其為熱力系統(tǒng)。 熱

4、力系統(tǒng)以外的物質(zhì)稱為外界；熱力系統(tǒng)與外界的交界面稱為邊界。邊界的選取可以是真實的，也可以是虛擬的；可以是固定的，也可以是運動的；還可以是幾種邊界的組合。活塞活塞汽缸汽缸管氣體氣體1122分類： 按系統(tǒng)與外界的質(zhì)量和能量交換的不同，熱力系可分為:閉口系熱力系與外界無物質(zhì)交換。由于系統(tǒng)所包含的物質(zhì)質(zhì)量保持不變，亦稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。對于閉口系，常用控制質(zhì)量法來研究。開口系熱力系與外界有物質(zhì)交換。開口系通常總是取一相對固定的空間，又稱為控制容積系統(tǒng)。對于開口系，常用控制容積法來研究。絕熱系熱力系與外界無熱量交換。孤立系熱力系與外界無任何能量和物質(zhì)的交換。簡單可壓縮系熱力系由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可

5、逆體積變化功交換的系統(tǒng)。工程熱力學(xué)討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系統(tǒng)。另外，也可按系統(tǒng)內(nèi)部狀況的不同，將系統(tǒng)分為均勻系（各部分性質(zhì)均勻）、非均勻系（各部分性質(zhì)不均勻）；單元系（由單一的化學(xué)成分組成）、多元系（由兩種及以上的化學(xué)成分組成）。注意事項:1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別； 2）閉口系與絕熱系的關(guān)系； 3）孤立系與絕熱系的關(guān)系；按系統(tǒng)與外界之間能量交換的具體情況分：1-3 熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)基本概念:1)熱力學(xué)狀態(tài) 熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀物理狀況。2)狀態(tài)參數(shù) 描述系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的宏觀物理量，如壓力 p、比體積 v、溫度T 、 比內(nèi)能 u、比焓 h、比熵 s 。3)基本狀態(tài)參數(shù) 可

6、以直接測量得到的狀態(tài)參數(shù) （ p、v、T ） 。注意: 狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)，即對應(yīng)某確定的狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之， 一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。其數(shù)值僅決定于狀態(tài)，而與達到該狀態(tài)的途徑無關(guān)。因此，狀態(tài)參數(shù)的變化可表示為（以壓力 p 為 例）： 相應(yīng)地，狀態(tài)參數(shù)的微增量具有全微分的性質(zhì)，即 基本狀態(tài)參數(shù)：p、v、T1）比體積：v =V/m，單位：2）壓力（壓強）p ，單位：帕，絕對壓力：工質(zhì)的真實壓力，用p表示。 相對壓力：壓力計顯示的壓力 注意：表壓力 pe（pg） 、真空度 (pv）、大氣壓力 pb 3m /kg21Pa=1N/m)(ppbbeppp)(bvbppppp彈性

7、彎管式壓力計U形管壓力計63252N1Pa11MPa=1 10 Pa1kPa=1 10 Pam1bar1 10 Pa1atm101325Pa760mmHg1mmHg133.32Pa1H O9.80665Pamm 附: 常用壓力單位：例題第一章A4001441.ppt 如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi) 汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數(shù)為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數(shù)peAA4001441解：61 0 1 3 2 5 P a0 .2 5 4 31 0P a3 5 5 6 0 0 P aBbe Bppp(133.32300) P a355600 P a0.

8、3956 M P aABpHp0.3956MPa0.101325MPa0.2943MPaAbeAeAAbpppppp強調(diào)：pb是測壓儀表所在環(huán)境壓力3）溫度T ：溫度T是確定一個系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡的狀態(tài)函數(shù)。（熱平衡的唯一判據(jù)） 溫標(biāo)：溫度的數(shù)量表示法；溫標(biāo)的建立一般需要選定測溫物質(zhì)及其某一物理性質(zhì)，規(guī)定基準(zhǔn)點及分度方法。 熱力學(xué)溫標(biāo)：是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的而完全不依賴測溫物質(zhì)性質(zhì)的溫標(biāo)（符號為T）。單位：開爾文（K）水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點為基準(zhǔn)點，規(guī)定此點的溫度為273.15K。 攝氏溫標(biāo)： t / T / K 273.15，即攝氏溫度的零點相當(dāng)于熱力學(xué)溫度的2

9、73.15 K，且溫度間隔完全一樣，即t= T。 華氏溫標(biāo)：t(F)=9/5t（ ）+32Celsius: Triple point of waterBoiling point of waterAbsolute zero-273.15 0100 Kelvin: K0 K273.15K373.15KFahrenheit: F32F212F100parts100parts180parts各種溫標(biāo)的比較上一節(jié)課內(nèi)容回顧1 1、什么是熱能動力裝置？熱能動力裝置可分為哪幾類？、什么是熱能動力裝置？熱能動力裝置可分為哪幾類？2 2、什么是表壓力，什么是真空度？、什么是表壓力，什么是真空度？3 3、閉口系與

10、外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)、閉口系與外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系嗎？量保持恒定的熱力系一定是閉口系嗎？4 4、有人認為，開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量、有人認為，開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開口系不可能是絕熱系，對不對，為什么？不可分割，所以開口系不可能是絕熱系，對不對，為什么？1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖一、平衡狀態(tài)定義：一個熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。熱力系統(tǒng)沒有熱量傳遞熱的平衡沒有相對位移力的平

11、衡熱力平衡狀態(tài)存在化學(xué)反應(yīng)化學(xué)平衡實現(xiàn)熱力平衡的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界各種不平衡勢差（力、溫度、化學(xué)勢差）的消失。討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定 穩(wěn)定未必平衡平衡不一定必須均勻工程熱力學(xué)只研究系統(tǒng)的平衡狀態(tài)二、狀態(tài)方程 簡單可壓縮熱力系平衡態(tài)的獨立參數(shù)只有2個，原則上可選取p、v、T中的任意兩個獨立參數(shù)作為自變量，其余參數(shù)為因變量，對于基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系可寫成： T=T(p,v), p=p(T,v), v=v(p,T)或者也可寫作隱函數(shù)形式： F=F(p,v,T) 上述關(guān)系式稱為狀態(tài)方程式。三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 一簡單可壓縮系的平衡狀態(tài)只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)圖上一

12、點確定其狀態(tài)，反之熱力系任一平衡狀態(tài)可在平面坐標(biāo)圖上找到對應(yīng)點。由熱力系狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖熱力狀態(tài)坐標(biāo)圖只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)參數(shù)圖上的一點來表示pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3壓容（p-v）圖溫熵（T-s）圖壓溫（p-T）圖1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程一、準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）弛豫時間：物系由平衡被破壞到建立新平衡所需時間。pv12p1Pout12p 初始狀態(tài)（平衡點1）： P1=Pout1p 過程中： Pout2=Pout1-P=恒定值p 新的平衡（點2）新平衡建立的條件：平衡的恢復(fù)率外界條件的變化率弛豫時間與物性關(guān)系：氣體的弛豫時間比液體短；粘性大的流體比粘性小的流體長。弛

13、豫時間與平衡恢復(fù)率的關(guān)系：二者互為倒數(shù)。 進行條件： A、物系平衡恢復(fù)的速度過程進行的速度（外界條件變化率的大?。﹑ 準(zhǔn)平衡過程：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。準(zhǔn)平衡過程中，物系隨時具有力、熱和化學(xué)的平衡，因而狀態(tài)變化的軌跡可用熱力狀態(tài)坐標(biāo)圖上的過程曲線表示。B、過程進行無限緩慢舉例：活塞運動速度10m/s氣體分子運動速度、 壓力波的傳播速度幾百米/s按準(zhǔn)平衡過程考慮注意：無限緩慢不等于靜止不動，為準(zhǔn)靜態(tài)過程。二、可逆過程與不可逆過程定義：系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向進行時，能使系統(tǒng)和外界都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化，這一過程稱為可逆過程；不滿足上述條件的稱為不可

14、逆過程?？赡孢^程實現(xiàn)的條件：無耗散(通過摩擦、電阻、磁阻等使功變成熱的效應(yīng))的準(zhǔn)靜態(tài)過程。1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+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; 4.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示. 關(guān)于可逆與準(zhǔn)靜態(tài)的討論：1-6 過程功和熱量一、功的定義與單位定義：熱力系通過邊界與外界交換的能量,其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。約定：系統(tǒng)對外界作功取正，外界對系統(tǒng)作功為負。單位：1J=1N m比功：單位質(zhì)量的物質(zhì)所作的功，w=W/m （J/kg)功率：單位時間完成的功，1W=1J/s WFdx211-2WFdx例如：功率為1KW的

15、發(fā)動機，工作1h所作的功為千瓦小時，顯然1KW h=3600KJ功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示。功不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，是一個與過程特性有關(guān)的過程量。可逆過程的功可以應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)計算。Vp12dvdxWnm如果工質(zhì)是1kg，則所作的比功為：21211pdvwpdvpdVmw21212121pdVpAdxFdxWpdVpAdxFdxW設(shè)質(zhì)量m的氣體工質(zhì)，可逆膨脹：1212pdvw約定：正值代表氣體膨脹對外作的功；負值表示外力壓縮氣體所消耗的功。（dv為負值）ab（1）（2）p 有用功：其中: W 膨脹功； Wl 摩擦耗功； Wr 排斥大氣功pbfp 體積變化功：由氣態(tài)工質(zhì)組

16、成的簡單可壓縮系統(tǒng)，當(dāng)其反抗外力（或在外力作用下）進行膨脹或壓縮時，與外界交換的功相應(yīng)地稱為膨脹功或壓縮功。lruWWWW由于大氣壓力可作定值，故VpVVpWbbr)(12而可逆過程不包含任何耗散效應(yīng)，可用功簡化成：)(1221,VVppdVWbreu注意：在不平衡過程中，由于無法確定p=f（v）關(guān)系，因而不能用公式(1)、(2) 計算。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部存在擾動和摩擦，使機械能耗散，狀態(tài)變化復(fù)雜。對不平衡或存在摩擦過程，體積變化功常借助于外參數(shù)（F和V）來確定。例題第一章A7001331.ppt例題第一章A4002771.ppt總的來說，體積變化功是過程量，計算時必須考慮過程信息：n確定過程性質(zhì)（能

17、否視為內(nèi)部可逆過程或可逆過程）n過程種類（確定過程方程（）n選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ嬎阌猛獠繀?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21dWpVVpAHpW00?三、過程熱量 定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。 符號約定： 系統(tǒng)吸熱“+”；系統(tǒng)放熱“-”。 單位：國際制為J (kJ)；公制為cal（kcal）。 計算式及狀態(tài)參數(shù)圖21d(dQT SQT S可逆過程）n熱量是過程量；n可逆過程熱量在圖上用過程線下方的面積表示。1cal=1/860W h1cal=4.1868J討論：熱量與功的異同 1.通過邊界傳遞的能量，即能量傳遞的度量； 1.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志；

18、熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；2.功是物系間通過宏觀有序運動（有規(guī)則運動）的方式傳遞的能量；作功過程往往伴隨能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化. 功2.過程量；功是有條件的熱熱是無條件 3.只有在能量傳遞過程中才有所謂的功和熱量。3.熱是物系間通過微觀粒子的無序運動（無規(guī)則運動）的方式傳遞的能量；傳熱過程不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化.相同點不同點1-7 熱力循環(huán) 定義：工質(zhì)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)變化后，又回到初態(tài)的熱力過程稱為熱力循環(huán)。（例） 特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值. 分類：按性質(zhì)：可逆循環(huán)（全部由可逆過程組成的循環(huán)）和不可逆循環(huán)（含有不可逆過程的循環(huán)）；按目的：正向循環(huán)（即熱動力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能）和逆向循環(huán)（即制冷循環(huán)或熱泵循環(huán)將熱量從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩矗?熱動力循環(huán)（正向循環(huán)）膨脹過程：1-2-3，過程功：1-2-3-n-m-1, “+”壓縮過程：3-4-1，消耗功：3-4-1-m-n-3 ,“-”循環(huán)功：工質(zhì)完成一個循環(huán)后對外作出的凈功,wnet，1-2-3-4-1wwnetnRTpVppvv4242n 膨脹過程線位置高于壓縮過程線n