工程熱力學(xué)課件：01章：基本概念

1、第一章 基本概念1-1 本課涉及的幾種熱能轉(zhuǎn)換(移)過程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、坐標(biāo)圖1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1-6 過程功和熱量1-7 熱力循環(huán)課件目錄熱能動力裝置：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。分為蒸汽動力及燃?xì)鈩恿深愌b置。工作過程可概括成右圖。 下面簡單介紹一下本課程涉及的三種熱能動力裝置和壓縮蒸汽制冷裝置簡圖。1-1 本課涉及的幾種熱能轉(zhuǎn)換(移)過程圖1-1 熱能動力裝置工作示意圖熱能動力裝置WQ2Q1低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩粗评溲b置：利用動力實現(xiàn)熱能逆向傳遞的整套裝置。工作過程也可簡化成右圖，但箭頭方向相

2、反。制冷裝置WQ2Q1曲軸連桿活塞氣缸排氣閥火花塞進氣塞（1）圖1-2 內(nèi)燃機裝置 示意簡圖（動畫）船用柴油機實物圖片：爐膛爐墻汽包冷凝器發(fā)電機汽輪機蓄水池過熱器泵（2）圖1-3 蒸汽動力裝置簡圖 （動畫）引入：系統(tǒng)、工質(zhì)、熱源、循環(huán)。 鍋爐外觀汽輪發(fā)電機組自動控制室實物圖片： 火 電 站231壓氣機4燃?xì)廨啓C燃燒室q1（3）圖1-4 燃?xì)廨啓C裝置簡圖 （動畫） 燃?xì)廨啓C裝置實物圖片：節(jié)流閥 冷庫(蒸發(fā)器)冷凝器壓氣機1542（4）圖1-5 壓縮蒸汽制冷裝置簡圖（動畫）冷凝器壓氣機蒸發(fā)器節(jié)流閥實物圖片：熱力系統(tǒng)：分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限 物質(zhì)系統(tǒng)。外 界：系統(tǒng)周圍物質(zhì)的統(tǒng)稱。 進口出口

3、1-2 熱力系統(tǒng)圖1-6 系統(tǒng)和邊界閉口系統(tǒng): 與外界有能量交換而無物質(zhì)交換，又稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng): 與外界既有能量又有物質(zhì)的交換，又稱控制體積。絕熱系統(tǒng): 與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng): 與外界無能量交換又無物質(zhì)交換，一切作用發(fā)生在 系統(tǒng)內(nèi)部。熱力系統(tǒng)的分類 常用的狀態(tài)參數(shù)有：壓力p ，溫度T ，體積V ，熱力學(xué)能(內(nèi)能)U ，焓H ，熵 S 等 。這里主要講解壓力 p，溫度 T，體積V（比容v 和密度）等。一、溫度 一般國際上常用到的溫度計量標(biāo)準(zhǔn)有四種：攝氏(Celsius)溫標(biāo)；華氏(Faharenheit)溫標(biāo)；開爾文（Kelvin）溫標(biāo)（熱力學(xué)（絕對）溫標(biāo)）；朗肯(Rankine)溫

4、標(biāo)。 1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài) 及其基本狀態(tài)參數(shù)“哥倫比亞”號航天飛機的機身左側(cè)溫度在5分鐘內(nèi)上升了60華氏度（約15.6攝氏度？）。（羊城晚報2003.2.3） 攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)（開爾文溫標(biāo)）間有以下關(guān)系： 華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系： 朗肯溫標(biāo)是英制的熱力學(xué)（絕對）溫標(biāo)，它和開爾文溫標(biāo)之間有如下關(guān)系：（1-1）（1-2）（1-3）二、壓力 壓力的宏觀定義及其在分子運動學(xué)方面的解釋（略）。 壓力計量一般有三種標(biāo)準(zhǔn)： 絕對壓力（p） ：以絕對真空為起點的壓力值。 表壓力（pe）：指絕對壓力大于大氣壓力時二者的差值。 真空度（pv）：指大氣壓力大于絕對壓力時二者的差值。pepbppvpbp

5、圖1-7 絕對壓力（a）（b）（1-4）（1-5）三、比體積及密度 比體積（又稱比容，v）：單位質(zhì)量物質(zhì)的體積。 密度（）：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。 即： 顯然二者互為倒數(shù)。 一、平衡狀態(tài) 不受外界影響時，參數(shù)始終保持不變的系統(tǒng)狀態(tài)。 穩(wěn)定狀態(tài)：強調(diào)時間上穩(wěn)定不變。 平衡狀態(tài)：屬于穩(wěn)定狀態(tài)，但要求“內(nèi)外平衡”。 均勻狀態(tài)：強調(diào)空間各點的參數(shù)值相同。注意： （1）本課一般把處于平衡狀態(tài)的單相物系當(dāng)作是均勻的， 即此時系統(tǒng)同時處于平衡狀態(tài)和均勻狀態(tài)。 （2）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)是本課主要研究的熱力系統(tǒng)，對于 這類系統(tǒng)而言，兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)可確定一個狀態(tài)， 其他狀態(tài)參數(shù)都只是這兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。

6、（3）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)的兩個狀態(tài)之間，如果有兩個獨立 的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等，則可斷定這兩個狀態(tài)相同。1- 4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖注意區(qū)分二、狀態(tài)方程式 指簡單可壓縮熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，各部分具有相同的參數(shù)，并服從一定關(guān)系的關(guān)系式。即或 （1-6）（1-7）三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 指由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖。 熱力系每一平衡狀態(tài)總可在由任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標(biāo)圖上的一點來表示。 常用的有壓容圖和溫熵圖等。如下圖1-8： 1v1Opvp1sOTs22T2一、準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程） 要點：1、弛豫時間（系統(tǒng)從平衡破壞到恢復(fù)的 時間）相對很短； 2、平衡的破壞程度要相對很小

7、； 3、外界對系統(tǒng)的熱和力的刺激趨近于零 （ p 0；T 0）。 1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程二、可逆過程與不可逆過程 可逆過程：系統(tǒng)可能沿相同路徑回復(fù)原狀，相互作用 所涉及到的外界也回復(fù)原狀，不留下任何 改變。 不可逆過程：不滿足以上要點的任何一項過程。三、有關(guān)準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的爭論 都是實際過程的理想化，二者是否異同存在不同看法： 1、可逆過程是條件要求更為苛刻的理想化過程，是沒有能量耗散的準(zhǔn)平衡過程，是一切實際過程的理想極限。準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程成立的前提條件?？赡孢^程一定是準(zhǔn)平衡過程，反之未必成立。2、可逆過程和準(zhǔn)平衡過程是相同的，表述方式不同，本質(zhì)一樣！有能量耗散時，準(zhǔn)平衡過程也

8、不可能成立。當(dāng)熱力過程滿足準(zhǔn)平衡過程的條件時，它必然沒有能量耗散，此時可逆過程的成立條件也已經(jīng)滿足。3、可逆過程可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實線表示，這是基本公認(rèn)的。但準(zhǔn)平衡過程是否也可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實線表示，這是有所爭議的。一、功的熱力學(xué)定義 功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。 約定：系統(tǒng)對外界作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負(fù)。二、可逆過程的功 功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，而且還和過程的中間的途徑有關(guān)，是過程量。對于可逆過程有： 可逆過程可用功： ?1-6 過程功和熱量（1-8）（1-9）pv21功w 如何在p-v 圖上表示?三、過程熱量

9、 熱力學(xué)中把熱量定義為熱力系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過傳遞的能量。體系吸熱，熱量為正；反之，為負(fù)。 系統(tǒng)在可逆過程中與外界的換熱量可用下式計算：（1-11）（1-10）?Ts21熱量q如何在T-s 圖上表示? 相同點：熱量和功都是能量傳遞的度量，都是過程量。 不同點：功是有規(guī)則的宏觀運動能量的傳遞，在作功過程中往往伴隨能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化；熱量則是大量微觀粒子雜亂熱運動的能量的傳遞，傳遞過程中不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化。功變成熱量是無條件的，而熱轉(zhuǎn)變成功是有條件的。功和熱量的異同： 利用體積為2m3的貯氣罐中的壓縮空氣給氣球充氣，開始時氣球內(nèi)完全沒有氣體，呈扁平狀，可忽略其內(nèi)部容積。設(shè)氣球彈力忽略

10、不計，充氣過程中氣體溫度維持不變，大氣壓力為0.9105 Pa。為使氣球充到2m3，問罐內(nèi)氣體最低初氣壓及氣體所作的功為多少？已知空氣滿足狀態(tài)方程式pVmRgT,其中壓力p的單位為Pa，體積V的單位m3，溫度T的單位為K，質(zhì)量m的單位為kg，氣體常數(shù)Rg的單位為J/(kg K)。例1-1解: 忽略氣球彈力，充氣后氣球內(nèi)壓力維持在與大氣壓力相同的0.9105 Pa。據(jù)題意，留在罐內(nèi)與充入球內(nèi)的氣體溫度相同，由于壓力相同、溫度相同，故這兩部分氣體的狀態(tài)相同。若取全部氣體為熱力系，則氣體的最小初壓P1,min應(yīng)滿足考察該過程，儲氣罐的體積不變，充氣時氣球中氣體壓力等于大氣壓力，氣球膨脹排斥了大氣，故氣球?qū)Υ髿庾鞴}索引一、循環(huán)概說經(jīng)濟性指標(biāo) = 得到的收獲 / 花費的代價。在參數(shù)坐標(biāo)圖上表現(xiàn)為一閉合的曲線。二、正向循環(huán)即熱動力循環(huán)，總的效果表現(xiàn)為熱能轉(zhuǎn)化為機械能，向外界提供動力。在參數(shù)坐標(biāo)圖上循環(huán)沿曲線順時針方向進行的。評價指標(biāo)是循環(huán)的熱效率，即： 1-7 熱力循環(huán)（1-12）三、逆向循環(huán)主要應(yīng)用于制冷循環(huán)裝置和熱泵，分別稱為制冷循環(huán)和