湖南大學(xué)工程熱力學(xué)-第一章

1、 陳敬煒陳敬煒 助理教授2 2第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts and Definition1-1 熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程1-2 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) 1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1-6 功和熱量功和熱量1-7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)3 34 4一、熱能動力裝置一、熱能動力裝置(Thermal power plant) 定義定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設(shè)備到動力的整套設(shè)備。分分類類燃氣動

2、力裝置燃氣動力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機內(nèi)燃機(internal combustion gas engine) 燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置(gas turbine power plant) 噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機(jet power plant) 蒸氣動力裝置蒸氣動力裝置 (steam power plant)1-1 熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程 熱能熱能機械能機械能化學(xué)能化學(xué)能5 5內(nèi)燃機裝置內(nèi)燃機裝置6 6燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置7 7燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置8 8小型燃氣輪機裝置小型燃氣輪機裝置9 9噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機101

3、0蒸汽輪機裝置蒸汽輪機裝置1111核核電電廠廠汽汽輪輪機機1212電廠俯瞰圖電廠俯瞰圖1313工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：燃氣燃氣燃氣燃氣熱能熱能機械能機械能燃料燃料化學(xué)能化學(xué)能排入大氣排入大氣n燃燒、膨脹燃燒、膨脹n排氣排氣n吸氣吸氣n壓縮壓縮工作過程：工作過程：能量轉(zhuǎn)換：能量轉(zhuǎn)換：14141515161617171587624391鍋爐鍋爐2沸水管沸水管3汽鍋汽鍋4過熱器過熱器 5汽汽輪機輪機6發(fā)電機發(fā)電機7冷凝器冷凝器8泵泵9蓄水池蓄水池1818高溫熱源高溫熱源吸熱吸熱Q1熱機熱機作功作功W機械能放熱放熱Q2低溫熱源低溫熱源鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機冷凝器冷凝器冷卻水冷卻水循環(huán)水循環(huán)水1919為使熱能

4、源源不斷地轉(zhuǎn)化為機械能必須：為使熱能源源不斷地轉(zhuǎn)化為機械能必須：1.1. 憑借工質(zhì)作為媒介物質(zhì)；憑借工質(zhì)作為媒介物質(zhì)；2.2. 工質(zhì)源源不斷地從高溫熱源吸收熱量；工質(zhì)源源不斷地從高溫熱源吸收熱量；3.3. 工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生循環(huán)往復(fù)的連續(xù)變化；工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生循環(huán)往復(fù)的連續(xù)變化；4.4. 向溫度較低的熱源排出一部分熱量。向溫度較低的熱源排出一部分熱量。2020工質(zhì)：工質(zhì)：實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)熱源：熱源：工質(zhì)從中吸取熱能的物系，或稱高溫熱源工質(zhì)從中吸取熱能的物系，或稱高溫熱源冷源：接受工質(zhì)排出熱能的物系，或稱低溫熱源冷源：接受工質(zhì)排出熱能的物系，

5、或稱低溫熱源 熱能熱能吸熱吸熱 膨脹膨脹 作功作功 排氣排氣機械能機械能熱動力裝置的工作過程：工質(zhì)自高溫熱源吸熱，將熱動力裝置的工作過程：工質(zhì)自高溫熱源吸熱，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機械能而做功，并把余下部分傳其中一部分轉(zhuǎn)化為機械能而做功，并把余下部分傳給低溫熱源給低溫熱源 熱源熱源2121二、工質(zhì)二、工質(zhì)(working substance)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對工質(zhì)的要求對工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)氣態(tài)最適宜最適宜。 1）膨脹性）膨脹性 2）流動性）流動性 3）熱容量）熱容量 4）穩(wěn)定性，安全性）穩(wěn)定性，安全性 5）對環(huán)境

6、友善）對環(huán)境友善 6）價廉，易大量獲?。﹥r廉，易大量獲取工質(zhì)是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換必不可少的內(nèi)部條件工質(zhì)是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換必不可少的內(nèi)部條件2222三、熱源三、熱源(heat source; heat reservoir)定義定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。 高溫熱源高溫熱源熱源熱源 （ heat source ） 低溫熱源低溫熱源冷源（冷源（heat sink） 恒溫熱源恒溫熱源(constant heat reservoir) 變溫熱源變溫熱源熱動力裝置工作可以概括為：熱動力裝置工作可以概括為：工質(zhì)工質(zhì)從高溫熱源吸取熱能，將其中一部分轉(zhuǎn)化為從高溫熱源

7、吸取熱能，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機械能，把另一部分熱能傳給低溫熱源。機械能，把另一部分熱能傳給低溫熱源。23231-2 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系） 外界和邊界外界和邊界人為分割出來，作為熱力學(xué)人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。 外界外界(surrounding )：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。 邊界邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義一、定義 系統(tǒng)系統(tǒng)(thermodynamic system, system) 2424二、系統(tǒng)及邊界示例二、系統(tǒng)及邊

8、界示例 汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機2525 汽缸汽缸-活塞裝置（閉口系例）活塞裝置（閉口系例） 2626 移動和虛構(gòu)邊界移動和虛構(gòu)邊界2727真實、虛構(gòu)真實、虛構(gòu)固定、活動固定、活動2828鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機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29291.系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界，不畫邊界進行熱系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界，不畫邊界進行熱力學(xué)研究無意義。力學(xué)研究無意義。2.熱力系統(tǒng)的選取，取決于所提出的研究任務(wù)，但熱力系統(tǒng)的選取，取決于所提出的研究任務(wù)，但不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守統(tǒng)計平不能小到只包含少量的分子

9、，以至不能遵守統(tǒng)計平均規(guī)律。均規(guī)律。3.邊界可以是：邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的實際的或虛擬的3030三、熱力系分類三、熱力系分類 按組元數(shù)按組元數(shù) 單元系單元系(one component system;pure substance system) 多元系多元系(multicomponent system)按相數(shù)按相數(shù) 單相系單相系(homogeneous system) 復(fù)相系復(fù)相系(heterogeneous system)注意：注意：1）不計恒外力場影響；）不計恒外力場影響； 2）復(fù)相系

10、未必不均勻）復(fù)相系未必不均勻濕蒸汽；濕蒸汽； 單元系未必均勻單元系未必均勻氣液平衡分離狀態(tài)。氣液平衡分離狀態(tài)。 1. 按組元和相分按組元和相分3131 閉口系（閉口系（closed system） （控制質(zhì)量（控制質(zhì)量CM）沒有質(zhì)量越過邊界沒有質(zhì)量越過邊界 2. 按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換3232開口系統(tǒng)的分類：開口系統(tǒng)的分類：(1)不穩(wěn)定流動開口系(2)穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)中的質(zhì)量及狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化。穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)中的質(zhì)量及狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化。開口系（開口系（open system）（控制體積（控制體積CV）通過通過邊界與外界有質(zhì)量交換邊界與

11、外界有質(zhì)量交換3333絕熱系（絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換與外界無熱量交換; 孤立系（孤立系（isolated system） 與外界無任何形式的質(zhì)能交換。與外界無任何形式的質(zhì)能交換。3. 按能量交換按能量交換方式方式3434最重要的系統(tǒng)最重要的系統(tǒng) 只交換只交換熱量熱量和和一種一種準靜態(tài)的準靜態(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4. 簡單可壓縮系（簡單可壓縮系（simple compressible system） 由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交交 換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。換容

12、積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。3535注意：注意：1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)2）開口系與絕熱系的關(guān)系；）開口系與絕熱系的關(guān)系；3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。）孤立系與絕熱系的關(guān)系。孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)= =系統(tǒng)系統(tǒng)+ +相關(guān)外界相關(guān)外界= =各相互作用的子系統(tǒng)之和各相互作用的子系統(tǒng)之和 = =一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的外界外界孤立系統(tǒng)一定是閉口系；反之則不然。孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)一定是閉口系；反之則不然。孤立系統(tǒng)一定是絕熱系統(tǒng)；絕熱系統(tǒng)不一定是孤立系統(tǒng)。一定是絕熱系統(tǒng)；絕熱系統(tǒng)不一定是孤立系統(tǒng)。3636以系統(tǒng)與外界

13、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3737四、熱力系示例四、熱力系示例例例1：剛性剛性絕熱氣缸絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲側(cè)設(shè)有電熱絲 紅線內(nèi)紅線內(nèi)閉口絕熱系閉口絕熱系黃線內(nèi)黃線內(nèi)不包含電熱不包含電熱絲絲閉口閉口系系黃線內(nèi)黃線內(nèi)包含電熱絲包含電熱絲閉口閉口 絕熱絕熱系系蘭線內(nèi)蘭線內(nèi)孤立系孤立系3838閉口系閉口系例例2：剛性絕熱噴管剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)取紅線為系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)取噴管為

14、系統(tǒng) 開口系絕熱系開口系絕熱系3939例例：A、B兩部落兩部落“雞、犬之聲相聞雞、犬之聲相聞，民，民至至老老死不相往來死不相往來”ABA部落為系統(tǒng)部落為系統(tǒng)A+B部落為部落為系統(tǒng)系統(tǒng) 閉口系閉口系孤立系孤立系40401-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù) 熱力學(xué)狀態(tài)（熱力學(xué)狀態(tài)（state of thermodynamic system） 系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)（state properties） 描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量 1狀態(tài)參數(shù)是宏觀量狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均，是大量粒子

15、的統(tǒng)計平均效應(yīng)效應(yīng)，只有只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多多個狀態(tài)參數(shù)，如個狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類壓力壓力 p、溫度、溫度 T、比容、比容 v41412狀態(tài)的單值函數(shù)狀態(tài)的單值函數(shù) 物理上物理上與過程無關(guān)與過程無關(guān)； 數(shù)學(xué)上數(shù)學(xué)上其微量是全微分其微量是全微分。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 (x , y)dz是全微分是全微分充要條件：充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)1 21 2d0ddbaxxx42423狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類 (1)廣延量廣延量

16、（extensive property）: 與系統(tǒng)的量有關(guān)，有可加性；如體積、與系統(tǒng)的量有關(guān)，有可加性；如體積、熱力學(xué)能熱力學(xué)能、動能、位能動能、位能等等； (2)強度量強度量（intensive property ）：）： 與系統(tǒng)與系統(tǒng)的量無關(guān)，無可加性，如溫度、的量無關(guān)，無可加性，如溫度、壓力壓力、速、速度度等等。 又：又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，如比體積如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。比參數(shù)：比參數(shù)：比比容容比比內(nèi)能內(nèi)能比比焓焓比比熵熵vuhs4343工程工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有熱力學(xué)中常

17、用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、壓力、溫度、比體積、比熱力學(xué)能、比焓、比熵比熱力學(xué)能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積，壓力、溫度、比體積，稱為稱為基本狀態(tài)參數(shù)。基本狀態(tài)參數(shù)?；緺顟B(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按是否直接或按是否直接或容易測量分容易測量分非基本狀態(tài)參數(shù)非基本狀態(tài)參數(shù)內(nèi)能內(nèi)能U、焓、焓 H、熵、熵S4444系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件相同的充分必要條件系統(tǒng)系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等簡單簡單可壓縮系兩狀態(tài)相

18、同的充要條件：可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩兩個獨立的個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等4545（一）溫度和溫標（一）溫度和溫標（temperature and temperature scale）溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運動的強弱。當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡熱平衡（即溫度（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)相等）。所以溫度是

19、熱平衡的判據(jù) 。（1）溫度的物理意義）溫度的物理意義溫度相等溫度相等熱平衡熱平衡 4646（2）熱力學(xué)第零定律：）熱力學(xué)第零定律： (zeroth law of thermodynamics)如果兩個物體中的每一如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。也必處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù)熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù) 。C溫度：溫度：可以確定一個系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于可以確定一個系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。是一個熱平衡的物理量。是一個強度量強度量。4747熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)

20、第零定律熱力學(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基準基準4848（3）溫標：）溫標：溫度的數(shù)值表示法。溫度的數(shù)值表示法。 建立溫標的三個要素：建立溫標的三個要素：a . 選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；b. 確定溫度標尺的分度方法和單位；確定溫度標尺的分度方法和單位；c. 選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)。依據(jù)。4949攝氏溫標攝氏溫標:2、固定點：、固定點：在

21、在標準大氣壓下，純水的冰點溫度標準大氣壓下，純水的冰點溫度為為0 ，純水的沸點溫度為，純水的沸點溫度為100，純水的三相點（固、，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01 。1、單位、單位：瑞典瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（天文學(xué)家攝爾修斯（Celsius）于于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏攝氏溫度溫度，用符號，用符號t 表示，單位為表示，單位為。 3、物性及分度：、物性及分度：選擇選擇水銀的體積作為溫度測水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0 和

22、和100溫度下的體積差均分溫度下的體積差均分100份，每份對應(yīng)份，每份對應(yīng)1。5050華氏溫標：華氏溫標： 1、單位、物性：單位、物性： 1714年德國物理學(xué)家華倫海特利年德國物理學(xué)家華倫海特利用水銀隨溫度的漲縮做為指示器，并在管子上設(shè)一用水銀隨溫度的漲縮做為指示器，并在管子上設(shè)一個等級刻度表，使溫度可以定量地讀出。用符號個等級刻度表，使溫度可以定量地讀出。用符號 2、固定點：、固定點：他他把在實驗室所得到的最低溫度設(shè)為把在實驗室所得到的最低溫度設(shè)為零，這是由鹽和水的混合液測量得到的，而后他將零，這是由鹽和水的混合液測量得到的，而后他將純水的冰點設(shè)為純水的冰點設(shè)為32度，沸點設(shè)為度，沸點設(shè)為2

23、12度。度。 3、分、分度：度：有有兩個好處：第一、水的液態(tài)范圍為兩個好處：第一、水的液態(tài)范圍為180度，很自然和度聯(lián)想在一起，因為半圓恰好是度，很自然和度聯(lián)想在一起，因為半圓恰好是180度。度。第二、人體的溫度精確值為第二、人體的溫度精確值為98.6華氏度，約接近華氏度，約接近100華氏度。華氏度。Fo5151用用熱力學(xué)溫標確定的溫度稱為熱力學(xué)溫標確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度，用符，用符號號T 表示，單位為表示，單位為 K（開）。（開）。熱力學(xué)溫標（絕對溫標）熱力學(xué)溫標（絕對溫標）: 英國物理學(xué)家開爾文（英國物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱開

24、爾文溫標。律基礎(chǔ)上建立，也稱開爾文溫標。熱力學(xué)溫標熱力學(xué)溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫取水的三相點為基準點，并定義其溫度為度為273.16K。溫差。溫差1K相當于水的三相點溫度的相當于水的三相點溫度的1/273.16。熱力學(xué)溫標熱力學(xué)溫標與與攝氏溫標攝氏溫標的關(guān)系：的關(guān)系：溫差溫差:1 K = 1 t = T 273.15 K5252絕對絕對K攝氏攝氏 華氏華氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點冰熔點水三相點水三相點鹽水熔點鹽水熔點發(fā)燒發(fā)燒水沸點水沸

25、點559.675353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）基準點基準點刻度刻度溫標溫標國際單位制（國際單位制（SI）采用）采用熱力學(xué)溫熱力學(xué)溫T度作度作為基本狀態(tài)參數(shù)。為基本狀態(tài)參數(shù)。5454溫度的測量方法溫度的測量方法a. 接觸式接觸式:水銀溫度計、酒精溫度計水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。熱電偶、電阻溫度計等。b. 非接觸式非接觸式:光學(xué)輻射高溫計光學(xué)輻射高溫計激光全息干涉儀激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法（相干反斯托克斯喇曼光譜）法5555極極寒寒 40或低于此值或低于此值 奇奇寒寒 3539.9 酷寒

26、酷寒 3034.9 嚴寒嚴寒 2029.9 深深寒寒 1519.9 大寒大寒 1014.9 小寒小寒 59.9 輕輕寒寒 4.90 微微寒寒 04.9 科科學(xué)學(xué)家家給給地地球球上上的的氣氣溫溫劃劃分分了了等等級級涼涼 59.9 溫涼溫涼 1011.9 微溫涼微溫涼 1213.9 溫和溫和 1415.9 微溫和微溫和 1617.9 溫暖溫暖 1819.9 暖暖2021.9 熱熱 2224.9 炎熱炎熱 2527.9 暑熱暑熱 2829.9 酷熱酷熱 3034.9 奇熱奇熱 3539 極熱高于極熱高于405656定義：單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）定義：單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強

27、）（二）壓力（二）壓力(pressure)單位單位 : Pa （帕帕），），1 Pa =1 N/ m21 MPa = 103 kPa =106 Pa ： 1 bar（巴巴） = 105 Pa 1 atm（標準大氣壓標準大氣壓） = 1.013 105 Pa 1 at （工程大氣壓工程大氣壓） = 0.981 105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱毫米水柱） = 9.81 Pa1 mmHg （毫米汞柱毫米汞柱） = 133.3 Pa 氣體分子撞擊器壁的統(tǒng)計（平均）效果氣體分子撞擊器壁的統(tǒng)計（平均）效果5757一般是工質(zhì)絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值一般是工質(zhì)絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值 相對壓力相對壓

28、力注意：注意：只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才是才是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)5858高精度測量高精度測量： 活塞活塞式壓力計式壓力計工業(yè)或一般科研測量：工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器壓力傳感器壓力表壓力表5959壓力計測壓原理壓力計測壓原理6060當當 p pb表壓力表壓力 peebppp當當 p 有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程7878容器為剛性絕熱，抽去隔板，容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過程性質(zhì)。重又平衡，過程性質(zhì)。逐個抽去隔板，又如何？逐個抽去隔板，又如何？79793. 已知活塞式發(fā)動機每分鐘已知活塞式發(fā)動機每分鐘2000轉(zhuǎn)，曲柄每轉(zhuǎn)，曲柄每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)2沖程，每沖

29、程位移沖程，每沖程位移0.15米，判斷活塞式發(fā)米，判斷活塞式發(fā)動機在工作狀況下是否可以視為準靜態(tài)過程。動機在工作狀況下是否可以視為準靜態(tài)過程。8080解：活塞運動速度解：活塞運動速度cf=2000*2*0.15/60=10m/s；壓；壓力波恢復(fù)平衡速度可以按聲速處理，壓力波恢力波恢復(fù)平衡速度可以按聲速處理，壓力波恢復(fù)平衡速度復(fù)平衡速度a350 m/s；在一定的位移；在一定的位移x下，下，1=x/10，0=x/350，則，則1/0=351。 因此，活塞式發(fā)動機在工作狀況下可以視為準因此，活塞式發(fā)動機在工作狀況下可以視為準靜態(tài)過程。靜態(tài)過程。一般地，工程上的熱力過程都可認為是準靜態(tài)一般地，工程上的

30、熱力過程都可認為是準靜態(tài)過程。過程。8181二、可逆過程二、可逆過程( reversible process) 系統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使經(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)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為跡，則此過程為可逆過程可逆過程。(1)可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)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。的過程。(2)可逆過程是一個理想過程。實際過程都是可逆過程是一個理想過程。實際過程都是不可逆過不可逆過程程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱

31、等。熱等。注意：注意：8282準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)無耗散效應(yīng) = 可逆過程可逆過程無不平衡勢差無不平衡勢差通過摩擦使功通過摩擦使功變熱的效應(yīng)變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，摩阻，電阻，非彈性變性，非彈性變性，磁阻等）磁阻等） 不平衡不平衡勢差勢差不可逆根源不可逆根源 耗散耗散效應(yīng)（有序變成無序）效應(yīng)（有序變成無序） 耗散效應(yīng)耗散效應(yīng) 準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)準靜態(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部及系統(tǒng)與外界作用的總效果8383不等溫傳熱不等溫傳熱自由膨脹自由膨脹T1T2T1T2Q真空真空8484節(jié)流過程節(jié)流過程 (閥門）閥門）混合過程混

32、合過程p1p2p1p28585(1)準靜態(tài)過程是實際過程的準靜態(tài)過程是實際過程的理想化理想化過程過程,但并非但并非最最優(yōu)優(yōu)過程，可逆過程是過程，可逆過程是最優(yōu)最優(yōu)過程過程。 (2)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)的工質(zhì)的狀狀態(tài)參數(shù)態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。易分析。 (3)實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以析，然后考慮不可逆因素加以修正。修正。86

33、86可逆可逆完全可逆完全可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆常見的形式常見的形式8787以冰水混合物為熱力系90 0 緩慢加熱外部溫差傳熱外部溫差傳熱準靜態(tài)過程系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無耗散內(nèi)可逆外不可逆外不可逆8888帶活塞的氣缸內(nèi)，水被緩慢的加熱緩慢加熱，每一時刻水有確定的溫度準靜態(tài)過程水與火有溫差外不可逆外不可逆以水為系統(tǒng)內(nèi)可逆內(nèi)可逆以水+活塞為系統(tǒng)活塞與壁面無摩擦內(nèi)可逆內(nèi)可逆活塞與壁面有摩擦內(nèi)不可逆內(nèi)不可逆8989是否是否準靜態(tài)準靜態(tài)，看加熱快慢，看加熱快慢電或重物帶動攪拌器加熱容器中氣體電功電功熱機械功機械功熱但不可逆但不可逆耗散9090準靜

34、態(tài)過程準靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)無耗散效應(yīng) = 可逆過程可逆過程可逆過程一定是準靜態(tài)過程可逆過程一定是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程不一定是可逆過程準靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念準靜態(tài)過程很少用（就是為了引出可逆過程）準靜態(tài)過程很少用（就是為了引出可逆過程）9191一、功一、功(work)的定義和可逆過程的功的定義和可逆過程的功1功的力學(xué)定義功的力學(xué)定義:力在力的方向上的位移力在力的方向上的位移 2功的熱力學(xué)定義：功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量其全部通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。效果可表現(xiàn)為舉起重物。 （定義

35、二：通過有序運動方式定義二：通過有序運動方式傳遞的能量）傳遞的能量）3功的一般表達式功的一般表達式1-6 過程功和熱量過程功和熱量 wF dx外wF dx外熱力學(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（可逆、準靜態(tài)過程可逆、準靜態(tài)過程） pdvw pdvw9292解釋解釋可逆過程可逆過程功的表達式來源功的表達式來源準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)無耗散效應(yīng) = 可逆過程可逆過程1、準靜態(tài)過程的容積變化功以氣缸中以氣缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)為系統(tǒng)初始：初始：A+fP A P 外如果：如果：P外微 小pdl很小 ，近似認為 不變可視為準靜態(tài)過程可視為準靜態(tài)過程mkg工質(zhì)發(fā)生容積變工質(zhì)

36、發(fā)生容積變化對外界作的功化對外界作的功pp外外21fdlA dl=pdV1kgwpdvWp工質(zhì)9393pV12Wpp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv可逆過程的功可逆過程的功功是過程量功是過程量功可以用功可以用p-V圖上過程線圖上過程線與與v軸包圍的面積表示軸包圍的面積表示進入：狀態(tài)方程及坐標圖2211=-wwvwpd9494 系統(tǒng)系統(tǒng)對外作功為對外作功為“+”外界外界對系統(tǒng)作功為對系統(tǒng)作功為“-”5功和功率的單位：功和功率的單位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ4功的符號約定：功的符號約定：單位質(zhì)量工質(zhì)所作的

37、功，用單位質(zhì)量工質(zhì)所作的功，用w表示，單位：表示，單位：J/kg95956討論討論有用功有用功(useful work)概念概念pluWWWW其中其中:W膨脹功膨脹功(compression/expansion work)； Wl 摩擦耗功；摩擦耗功； Wp排斥大氣功。排斥大氣功。pbf9696思考題思考題：1kg 某種氣態(tài)工質(zhì)，從初態(tài)某種氣態(tài)工質(zhì)，從初態(tài)1可逆膨脹到達終可逆膨脹到達終態(tài)態(tài)2的過程中分別遵循：的過程中分別遵循：求：兩過程中各作功多少（求：兩過程中各作功多少（a、b、c為常數(shù)）為常數(shù)）解：解：（1）2222212111d()d()2awp vavcvvvc vv（2）21dwp

38、v可用面積可用面積1A2MN1表示表示可用面積可用面積1B2MN1表示表示功與初、終態(tài)及中間過程有關(guān)！功與初、終態(tài)及中間過程有關(guān)！222111ddlnvbwp vvbvv9797靈活計算功：用外部參數(shù)計算不可逆過程的功靈活計算功：用外部參數(shù)計算不可逆過程的功21dWpVVpAHpW00?9898二、廣義功二、廣義功(generalized work)簡介簡介彈性力功彈性力功表面張力功表面張力功 電極化功及磁化功等電極化功及磁化功等9999三、熱量（三、熱量（heat）1定義：熱量是熱力系與外界相互作定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，用的另一種方式，在溫度的推動下，以

39、以微觀無序運動方式傳遞的能量微觀無序運動方式傳遞的能量。2符號約定：系統(tǒng)吸熱符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱放熱“-”3單位：單位： J ()kJ4計算式及狀態(tài)參數(shù)圖計算式及狀態(tài)參數(shù)圖21d(dQT SQT S可逆過程）熱量是過程量熱量是過程量（T-S圖上）表示圖上）表示100100熵的初步了解：熵的初步了解：P，T為強度量，V廣延量熵熵S為廣延量，單位：為廣延量，單位：J/K比熵比熵s，單位：，單位：J/(kgK）熵的定義式：熵的定義式：TQSrevd熱量與容積變化功比較熱量與容積變化功比較過程量過程量可逆過程公式可逆過程公式過程推動力過程推動力過程標志過程標志W(wǎng)VpWdpdVQTdS準靜態(tài)

40、也可以準靜態(tài)也可以僅可逆僅可逆1011011、熵是狀態(tài)參數(shù)、熵是狀態(tài)參數(shù)熵的說明熵的說明2、符號規(guī)定、符號規(guī)定系統(tǒng)系統(tǒng)吸熱吸熱時為正時為正0,d0QS系統(tǒng)系統(tǒng)放熱放熱時為負時為負0,d0QS3、熵的物理意義：體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小和、熵的物理意義：體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小和方向方向4、用途：用途：判斷熱量方向，計算可逆過程的傳熱量判斷熱量方向，計算可逆過程的傳熱量102102pVWTSQ 示功圖溫熵圖QTdS103103四、熱量與功的異同：四、熱量與功的異同： 1.均為通過邊界傳遞的能量；均為通過邊界傳遞的能量； 3.功傳遞由壓力差推動，體積變化是作功標志；功傳遞由壓力差推動，體積變化是作功

41、標志； 熱量傳遞由溫差推動，熵變化是傳熱的標志；熱量傳遞由溫差推動，熵變化是傳熱的標志； 4.功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。傳遞的能量。功功2.均為過程量；均為過程量；熱是無條件的；熱是無條件的；熱熱功功是有條件、限度的。是有條件、限度的。不同點 相同點104104要實現(xiàn)要實現(xiàn)連續(xù)連續(xù)作功，必須構(gòu)成作功，必須構(gòu)成循環(huán)循環(huán)定義：定義： 熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為化過程稱為

42、熱力循環(huán)熱力循環(huán)。分類：分類：可逆可逆過程過程不可逆不可逆循環(huán)循環(huán)可逆循環(huán)可逆循環(huán)封閉的熱力過程，特性封閉的熱力過程，特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值，即即0d x不不可逆可逆循環(huán)循環(huán)105105pVTS凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：對外作功對外作功凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：吸熱吸熱正向循環(huán)：順時針方向正向循環(huán)：順時針方向2112 0Q106 0WpVTS凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：對內(nèi)作功對內(nèi)作功凈效應(yīng)：凈效應(yīng)：放熱放熱逆向循環(huán)：逆時針方向逆向循環(huán)：逆時針方向2112 0Q22:361071QWt吸熱凈功代價收益1、正向正向循環(huán)：凈效應(yīng)循環(huán)：凈效應(yīng)（對外作功，吸熱）（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環(huán)：熱

43、效率動力循環(huán)：熱效率10t數(shù)值范圍：數(shù)值范圍：22:361081082、逆向逆向循環(huán)：凈效應(yīng)循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）（對內(nèi)作功，放熱）2QW收益代價吸熱耗功制冷循環(huán)：制冷系數(shù)制冷循環(huán)：制冷系數(shù)WT0Q1Q2T2數(shù)值：數(shù)值：01091093、逆向逆向循環(huán)：凈效應(yīng)循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）（對內(nèi)作功，放熱）1QW收益代價放熱耗功制熱循環(huán)：供熱系數(shù)制熱循環(huán)：供熱系數(shù)或熱泵系數(shù)或熱泵系數(shù)WT1Q1Q2T0數(shù)值：數(shù)值：1110110 代價收益動力循環(huán)：動力循環(huán)： 熱效率熱效率(thermal efficiency)nett11wq逆向循環(huán)：逆向循環(huán)： 制冷系數(shù)制冷系數(shù)(coefficient of performance for the refrigeration cycle)2netor1qw供熱系數(shù)供熱系數(shù)(coefficient of performance fo