工程熱力學(xué)：第二三次課-基本概念

1、Engineering Thermodynamics 工 程 熱 力 學(xué) 0.2 課程特點(diǎn)2考核方式考核方式平時(shí)成績(jī)10遲交作業(yè)一次扣5分期末考試 90 缺課一次扣5分 3問題1。 海洋蘊(yùn)藏巨大能量，可否作為能源?4。熱機(jī)運(yùn)行一般包括哪幾大部件？5。外燃機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的主要區(qū)別是什么 ？3。 從工程應(yīng)用角度看，熱力學(xué)有幾大定律？2。工程熱力學(xué)研究方法屬宏觀法還是微觀法?Basic Conceptions第一章 基本概念5第一章 基本概念及定義1-2. 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)1-4. 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式和坐標(biāo)圖1-5. 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1-7. 熱力循環(huán)1-6. 熱量

2、和功1-1. 研究對(duì)象的模型化61-1. 研究對(duì)象的模型化模型： 根據(jù)需要，對(duì)研究的對(duì)象合理近似或抽象。模型化是科學(xué)研究的第一步也是最重要的一步7系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)，thermodynamic system, system ）外界（環(huán)境，surrounding ）邊界（ boundary ）系統(tǒng)與外界的分界域人為分離出來，作為研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。系統(tǒng)之外的一切物質(zhì)系統(tǒng)邊界外界1-2.熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）8外界實(shí)際指對(duì)系統(tǒng)有顯著影響的物質(zhì)系統(tǒng)系統(tǒng)、外界、邊界的說明取氣體包括重力場(chǎng)為系統(tǒng) 系統(tǒng)為有限物質(zhì)限制了將宏觀世界得到的結(jié)論隨意推廣到宇觀世界。取氣體不包括重力場(chǎng)為系統(tǒng)實(shí)體物質(zhì)蒸汽：幾

3、何區(qū)域場(chǎng)取蒸汽通過的幾何區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)系統(tǒng) 9系統(tǒng)、外界、邊界的說明取氣體不包括重力場(chǎng)為系統(tǒng)的邊界 系統(tǒng)只能通過邊界與外界發(fā)生相互作用。取氣體包括重力場(chǎng)為系統(tǒng)的邊界幾何面幾何體邊界熱力學(xué)中系統(tǒng)與外界的相互作用包括交換質(zhì)量和交換能量?jī)煞N形式10系統(tǒng)、外界、邊界的說明渦輪蒸汽：虛擬變形虛擬固定剛性移動(dòng)剛性固定邊界可以剛性或變形固定或移動(dòng)實(shí)際或虛擬 11閉口系（控制質(zhì)量, closed system）1-2. 熱力系統(tǒng)開口系（控制體積, open system） 與外界無質(zhì)量交換閉口系： 無質(zhì)量交換可能量交換開口系： 與外界有質(zhì)量交換（不是質(zhì)量變化）12孤立系（isolated system）1-2.熱

4、力系統(tǒng) 與外界既質(zhì)量交換也無能量交換 無質(zhì)量、能量交換孤立系：孤立系：開口系：外界 無質(zhì)量、能量交換系統(tǒng)與外界構(gòu)成孤立系無熱量交換絕熱系絕熱系：可壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)均勻系統(tǒng)非均勻系統(tǒng)單元系統(tǒng)多元系統(tǒng)單相系復(fù)相系熱力系統(tǒng)內(nèi)部狀況的分類 1剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲 紅線內(nèi)閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲閉口絕熱系蘭線內(nèi)孤立系熱力系示例開口系?剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)開口絕熱系?開口系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)與能量又不可分割，所以開口系統(tǒng)一定不是絕熱系，這種觀點(diǎn)對(duì)否？16微觀態(tài)：系統(tǒng)由大量（N個(gè)）作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)粒子構(gòu)成，6 N個(gè)粒子的位置與速度坐標(biāo)構(gòu)

5、成系統(tǒng)的微觀狀態(tài)量。微觀狀態(tài)量確定的狀態(tài)稱系統(tǒng)的微觀態(tài)。狀態(tài)：由狀態(tài)量取確定值描述的系統(tǒng)宏觀狀況狀態(tài)量（狀態(tài)參數(shù)）：描述系統(tǒng)宏觀特征的可測(cè)（直接或間接）物理量（密度、壓力、溫度、體積、能量等）。狀態(tài)是狀態(tài)參數(shù)的單值函數(shù)，與達(dá)到狀態(tài)路徑無關(guān)1-3. 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)17狀態(tài)與達(dá)到狀態(tài)路徑無關(guān)狀態(tài)1=狀態(tài)2=狀態(tài)3秋天夏天冬天溫度 T（Temperature）六個(gè)主要狀態(tài)參數(shù)焓 H（Enthalpy）比體積 v（Specific volum）壓力 p（Pressure）內(nèi)能 U（Internal energy）熵 S（Entropy）基本狀態(tài)參數(shù)：可直接測(cè)量，使用最多強(qiáng)度量廣延量基

6、本狀態(tài)參數(shù)密度強(qiáng)度量與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)強(qiáng)度量：均勻非均勻 無可加性點(diǎn)的強(qiáng)度量為宏觀無限小微觀無窮大體積內(nèi)微觀粒子的統(tǒng)計(jì)平均量。宏觀上系統(tǒng)可視為無窮多點(diǎn)連續(xù)分布組成的連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型均勻系非均勻廣延量與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)，有可加性定義比參數(shù)比參數(shù)是強(qiáng)度量溫度的衡量標(biāo)準(zhǔn)如何去測(cè)量溫度？經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)測(cè)溫物質(zhì) （水銀）水冰點(diǎn)測(cè)溫變量 （液柱高 z）測(cè)溫函數(shù) （線性）-273.15 0Celsius: 0100 水銀溫度計(jì)的標(biāo)定：沸點(diǎn)測(cè)溫基準(zhǔn)點(diǎn)沸點(diǎn)100冰點(diǎn)依賴測(cè)溫物質(zhì)溫標(biāo)溫度數(shù)值化的標(biāo)準(zhǔn)人為規(guī)定數(shù)值經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的要素：測(cè)溫物質(zhì) （水銀，鉑電阻）測(cè)溫基準(zhǔn)點(diǎn)（冰點(diǎn)、沸點(diǎn)、三相點(diǎn)）測(cè)溫變量 （液柱高，阻值）

7、測(cè)溫函數(shù) （線性、非線性）人為規(guī)定理想氣體溫標(biāo)測(cè)溫物質(zhì) （氫氣或氦)水三相點(diǎn)測(cè)溫變量 （p）測(cè)溫函數(shù) （線性）273.16K定容溫度計(jì)的標(biāo)定：測(cè)溫基準(zhǔn)點(diǎn)溫泡三相點(diǎn)溫度的選擇p攝氏溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)水冰點(diǎn)沸點(diǎn)0K273.16K三相點(diǎn)取由取攝氏理想熱力學(xué)（絕對(duì)）溫標(biāo)（ K ）R：可逆卡諾熱機(jī)；Q0、Q 為 R 工作過程中與 T熱、T0 交換的熱量；T熱、T0 ：兩個(gè)熱源溫度熱力學(xué)溫標(biāo)不依賴測(cè)溫物質(zhì)，恒大于零，但無法實(shí)施，可證明在理想氣體測(cè)溫范圍內(nèi)兩者一致RR國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（）絕對(duì)K攝氏 100373.150.01273.160273.15-273.15冰點(diǎn)沸點(diǎn)規(guī)定攝氏溫標(biāo) 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定用氣體溫計(jì)測(cè)

8、出一系列固定平衡點(diǎn)（如金凝固點(diǎn)），在這些點(diǎn)之間用規(guī)定的基準(zhǔn)儀器和相應(yīng)的內(nèi)插和外推公式測(cè)溫使之盡可能接近熱力學(xué)溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)（自學(xué)）三相點(diǎn)線性溫標(biāo)的換算要點(diǎn)：測(cè)溫變量相同任意點(diǎn)與固定點(diǎn)測(cè)溫變量溫標(biāo)1任意點(diǎn)與固定點(diǎn)讀數(shù)溫標(biāo)2任意點(diǎn)與固定點(diǎn)讀數(shù)29華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)T R=t +459.67t =5/9t -32t =9/5t +32各種溫標(biāo)轉(zhuǎn)換熱力學(xué)溫標(biāo)t =T-273.15壓力的測(cè)量與力平衡液體密度假定常量氣壓假定不隨高度變表壓力表壓力力平衡態(tài)絕對(duì)壓力環(huán)境壓力環(huán)境壓力壓力即為物理學(xué)的壓強(qiáng)壓力 (pressure)環(huán)境壓力（surround absolute press

9、ure)絕對(duì)壓力 (absolute pressure)表壓力 (gauge pressure)真空度（ vacuum pressure)表壓力 ,真空度為壓力計(jì)讀數(shù)均為正數(shù)環(huán)境壓力常為大氣壓（隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。）壓力 的單位常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 kPa = 103 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 at =10 mH2o = 9.80665104 Pa 1psi = 6895Pa=0.06895bar物理中壓力單位: Pa , N/m2環(huán)境壓力不一定為大氣壓加壓壓力罐壓力室壓力表作業(yè)習(xí)題 p32 11

10、，15 ，16 ，19思考題 P30 11，12, 141-4. 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式和坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)（Equilibrium state）:不受外界影響系統(tǒng)狀態(tài)不隨時(shí)間變化的狀態(tài). 外界影響指作功、傳熱、傳質(zhì)熱力學(xué)平衡力平衡熱平衡相平衡化學(xué)平衡平衡均勻平衡非均勻 沒有任何一種不平衡勢(shì)差 當(dāng)外界影響停止系統(tǒng)最終將趨于平衡態(tài)弛豫時(shí)間:非平衡態(tài)到平衡態(tài)的時(shí)間弛豫時(shí)間隨壓力波速與溫度擴(kuò)散速度增大而減小,與工質(zhì)物性物性相關(guān)非平衡平衡弛豫時(shí)間狀態(tài)量不隨時(shí)間變化是否一定為平衡態(tài)? 穩(wěn)態(tài)(定常態(tài))熱力系各處狀態(tài)量不隨時(shí)間變化定常非平衡態(tài)透熱璧270C恒溫?zé)嵩唇^熱璧環(huán)境溫度 有外界影響時(shí)熱力系各處狀態(tài)量仍可不

11、隨時(shí)間變化，但一般情況下狀態(tài)量分布不均勻非平衡態(tài)如何定義狀態(tài)量非平衡態(tài)強(qiáng)度狀態(tài)量假定 t 時(shí)刻將M點(diǎn)的微元邊界內(nèi)物質(zhì)與周圍隔離經(jīng)馳豫時(shí)間后微元處于平衡態(tài)，稱為局部平衡狀態(tài)，測(cè)得此狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)定義為系統(tǒng)在M點(diǎn) t 時(shí)刻的強(qiáng)度狀態(tài)函數(shù)：t 時(shí)刻系統(tǒng)此模型要求宏觀分析的最小時(shí)段遠(yuǎn)大于微元的馳豫時(shí)間tttt+t狀態(tài)方程簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，平衡狀態(tài)下狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系如:理想氣體的狀態(tài)方程狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)液-氣氣固-液固-氣固液三相線等壓線等溫線(臨界)狀態(tài)方程的圖形為什么引入平衡概念？如果系統(tǒng)平衡，狀態(tài)量與時(shí)間和空間無關(guān)(單相)熱力學(xué)定律的初終態(tài)為平衡態(tài)狀態(tài)參數(shù)在平衡態(tài)（

12、或局部平衡態(tài)）定義狀態(tài)方程在平衡態(tài)成立外界影響小時(shí)平衡態(tài)近似成立經(jīng)典熱力學(xué)主要研究平衡態(tài)下規(guī)律平衡態(tài)是一種模型過程：狀態(tài)的變化1-5. 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程T2V1初態(tài)終態(tài)路徑非平衡態(tài)必須打破平衡才能與外界作用平衡態(tài)1平衡態(tài)2路徑：過程中系統(tǒng)經(jīng)歷的一系列狀態(tài)T2V1初態(tài)終態(tài)路徑非平衡態(tài)必須打破平衡才能與外界作用平衡態(tài)1平衡態(tài)2準(zhǔn)靜態(tài)模型的引入一般來說，路徑是非平衡的，不便分析，有必要引入準(zhǔn)靜態(tài)過程模型(簡(jiǎn)稱準(zhǔn)靜態(tài)模型)p2V1準(zhǔn)靜態(tài)過程:假定為過程中隨時(shí)無限接近于平衡態(tài)的過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點(diǎn)過程進(jìn)行非常慢，系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢(shì)差無限小過程中任何時(shí)刻的狀態(tài)可看成時(shí)平衡態(tài),系統(tǒng)狀態(tài)

13、參數(shù)分布均勻。實(shí)際過程當(dāng)溫度擴(kuò)散速度和壓力傳播度很快使破壞平衡所需時(shí)間遠(yuǎn)大于馳豫時(shí)間，可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程（如內(nèi)燃機(jī)氣缸）, 但很多情況只是一種研究模型。過程進(jìn)行慢并非一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程（自由膨脹）不平衡勢(shì)差指引起不平衡的因素（溫差壓差等）絕熱自由膨脹過程初態(tài)若分多步完成是否為準(zhǔn)靜態(tài)過程？真空氣體隔板終態(tài)p12V實(shí)際過程不可逆OKNO!溫差傳熱自由膨脹受控膨脹彈簧力改變?cè)饨缈苫謴?fù)原態(tài)OK冷改變?cè)饨缫卜Q在外界留下變化（痕跡）要實(shí)現(xiàn)可逆，系統(tǒng)和外界在正向每一微小過程中輸出（輸入）的能量必須等于反向過程中輸入（輸出）的能量不可逆原因何在由于存在不平衡勢(shì)差，系統(tǒng)輸出的能量大于外界得到的能量，要復(fù)原必須

14、另加能量彈簧力摩擦力由于摩擦,反向時(shí)外界需要輸出更大能量無不平衡勢(shì)差正反可逆過程的能量交換可逆過程循環(huán):可逆過程的正反過程構(gòu)成的循環(huán)正過程反過程功=熱=可逆模型的引入如果沒有不平衡勢(shì)差和摩擦,系統(tǒng)與外界能同時(shí)沿原路徑恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下變化可逆過程可逆過程外界得到的功大于不可逆過程物理上無限小勢(shì)差理論上可逆過程是最優(yōu)過程不可逆可逆過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng)= 可逆過程無不平衡勢(shì)差由摩擦,電阻，非彈性變性，磁阻等引起的功變熱效應(yīng)耗散性耗散效應(yīng)不可逆性不平衡性 如何實(shí)現(xiàn)無溫差傳熱引入可逆過程的意義 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程不僅分析簡(jiǎn)便，而且是最優(yōu)理想

15、化過程 實(shí)際過程是不可逆過程，但為了研究方 便，先按理想情況（可逆過程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。 熱量(heat) ：是熱力過程中由于溫差通過邊界傳遞的能量。絕熱方法：絕熱材料消除溫差過程量1-6. 熱量和功時(shí)段 t2- t1傳遞能動(dòng)勢(shì)能、內(nèi)能是儲(chǔ)存能（狀態(tài)量）食物含有100焦耳熱量吸熱為正功是什么功是熱力過程中不是由溫差,系統(tǒng)與外界通過邊界傳遞的能量功是力乘在力方向上的位移功的符號(hào)：系統(tǒng)對(duì)外作功為正。功是通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。熱力學(xué)定義 ： 力學(xué)定義： 理想能量轉(zhuǎn)換及機(jī)械傳動(dòng)裝置熱不能完全轉(zhuǎn)換成機(jī)械功廣義力廣義位移 線 線 線功和熱量

16、的異同熱是溫差的驅(qū)動(dòng)下物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量（無序）均為通過邊界傳遞的能量，為系統(tǒng)與外界共有的過程量功是物系間通過宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量（有序）功全變熱熱不可全變功熱機(jī)57狀態(tài)公理n 容積變化功、表面張力功等平衡狀態(tài)下，在無化學(xué)變化時(shí)，質(zhì)量一定的系統(tǒng)獨(dú)立強(qiáng)度狀態(tài)量數(shù)目N 等于各種可逆功(準(zhǔn)靜態(tài)功)的方式數(shù)目n 加以1簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)（simple compressible system） 無化學(xué)反應(yīng)、電、磁，重力，運(yùn)動(dòng)以及表面張力等效應(yīng)的可壓縮物質(zhì)。狀態(tài)量與過程量的數(shù)學(xué)特性點(diǎn)函數(shù)二元函數(shù) 態(tài)函數(shù)狀態(tài)量全微分yx12熱力學(xué)

17、坐標(biāo) 要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化后，又回到原初始狀態(tài)的一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：循環(huán)可逆循環(huán)1-7. 熱力循環(huán)內(nèi)部可逆循環(huán)全可逆循環(huán) 1(2)如何確定系統(tǒng)熱源？實(shí)際熱源邊界熱源T系統(tǒng)邊界熱源v對(duì)復(fù)合系統(tǒng)不可逆循環(huán)取實(shí)際熱源溫度 對(duì)復(fù)合系統(tǒng)可逆循環(huán)取邊界熱源溫度 邊界熱源(也稱多熱源)是與系統(tǒng)溫度相差無限?。ㄓ?jì)算取Tr=T）的假想變溫?zé)嵩?它與系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)部可逆系統(tǒng)。鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器1234過熱器4321Ts12 汽輪機(jī) s 膨脹34 給水泵 s 壓縮正循環(huán)23 凝汽器 p 放熱41 鍋爐 p 吸熱熱機(jī)T1T2Q1W高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩次鼰崤艧嶙鲀艄崃ρh(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（吸熱、對(duì)外作功）動(dòng)力循環(huán)：熱效率T1T2Q1W逆循環(huán)Ts12344123蒸發(fā)器冷凝器壓縮機(jī)節(jié)流閥冷藏室環(huán)境制冷機(jī)與熱泵冷藏室房間環(huán)境環(huán)境制冷機(jī)Q1WQ2WQ1Q2排熱輸入功輸入功熱泵供