工程熱力學(xué) 第一章

1、工程熱力學(xué) 第一章第1頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三1一、熱能動力裝置(Thermal power plant) 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。分類共同本質(zhì)：由媒介物通過吸熱膨脹作功排熱 氣體動力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機(jī)(internal combustion gas engine) 燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gas turbine power plant) 噴氣發(fā)動機(jī)(jet power plant) 蒸氣動力裝置 (steam power plant)1-1 熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過程 第2頁，共48頁，

2、2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三2二、工質(zhì)(working substance; working medium)定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。 1）膨脹性 2）流動性 3）熱容量 4）穩(wěn)定性，安全性 5）對環(huán)境友善 6）價廉，易大量獲取第3頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三3三、熱源(heat source; heat reservoir) 定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。 高溫?zé)嵩礋嵩?（ heat source ） 低溫?zé)嵩蠢湓矗╤eat sink） 恒溫?zé)嵩?constant heat res

3、ervoir) 變溫?zé)嵩吹?頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三41-2 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系） 外界和邊界 系統(tǒng)(thermodynamic system, system) 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)。 外界(surrounding )：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。 邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義第5頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三5二、系統(tǒng)及邊界示例 汽車發(fā)動機(jī)第6頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三6 汽缸-活塞裝置（閉口系例） 第7頁，共48頁，2022年，5

4、月20日，20點(diǎn)14分，星期三7 移動和虛構(gòu)邊界第8頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三8 1）系統(tǒng)與外界的人為性 2）外界與環(huán)境介質(zhì) 3）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的 c）實(shí)際的或虛擬的注意：第9頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三9三、熱力系分類 按組元數(shù) 單元系(one component system;pure substance system) 多元系(multicomponent system)按相數(shù) 單相系(homogeneous system) 復(fù)相系(heterogeneous system)注

5、意：1）不計(jì)恒外力場影響； 2）復(fù)相系未必不均勻濕蒸汽； 單元系未必均勻氣液平衡分離狀態(tài)。 1. 按組元和相第10頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三10 閉口系（closed system） （控制質(zhì)量CM） 沒有質(zhì)量越過邊界 開口系（open system） （控制體積CV） 通過邊界與外界有質(zhì)量交換2. 按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換第11頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三11 1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別； 2）開口系與絕熱系的關(guān)系； 3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：4. 簡單可壓縮系（simple compressible system） 由可

6、壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交 換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換; 孤立系（isolated system） 與外界無任何形式的質(zhì)能交換。3. 按能量交換第12頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三12四、熱力系示例 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)孤立系第13頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三13閉口系2剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)開口系絕熱系?第14頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14

7、分，星期三14A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)孤立系閉口系第15頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三151-3 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)（state of thermodynamic system） 系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)（state properties） 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，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效 應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類第16頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三162狀態(tài)

8、的單值函數(shù)。 物理上與過程無關(guān)； 數(shù)學(xué)上其微量是全微分。3狀態(tài)參數(shù)分類 廣延量（extensive property） 強(qiáng)度量（intensive property ） 又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性，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)。第17頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三17三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件 系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等第18頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三18四、溫度和溫標(biāo)（temperature and temper

9、ature scale） 溫度的定義： 測溫的基礎(chǔ)熱力學(xué)零定律 (zeroth law of thermodynamics) 熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo) (thermodynamics scale; Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Celsius temperature scale)第19頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三19華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：T R=t +459.67t =5/9t -32t =9/5t +32第20頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三2

10、0五、壓力(pressure)絕對壓力 p(absolute pressure)表壓力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure)真空度 pv(vacuum; vacuum pressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(local atmospheric pressure)第21頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三21常用壓力單位：例A4001441例A4002771第22頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三22六、比體積和密度比體積(specific volume) 單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)

11、的質(zhì)量兩者關(guān)系:第23頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三231-4 平衡狀態(tài)1定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)熱平衡（thermal equilibrium） ： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界 處處溫度相等。力平衡（mechanical equilibrium）： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外 界處處壓力相等。熱力平衡的充要條件 系統(tǒng)同時達(dá)到熱平衡和力平衡。一、平衡狀態(tài)（thermodynamic equilibrium state）第24頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三24討論： 1）系統(tǒng)平衡與均

12、勻2）平衡與穩(wěn)定 平衡可不均勻 穩(wěn)定未必平衡第25頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三25* 二、 狀態(tài)公設(shè)（state postulate）n系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)；f系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式第26頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三26三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程 （pure substance state equation）狀態(tài)方程1理想氣體狀態(tài)方程 （ideal-gas equation; Clapeyrons equation） Rg 氣體常數(shù) （gas constant）R通用氣體常數(shù) （universal(

13、molargas constant ) 摩爾質(zhì)量第27頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三27實(shí)際氣體(real gas; imperfect gas)的狀態(tài)方程范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）R-K方程（a,b為物性常數(shù)）第28頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三28BWR方程維里型方程第29頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三29四、 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametric coordinates） 一簡單可壓縮系只有兩個獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2

14、T2s2pT3p3T3OOO第30頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三30附：純物質(zhì)的p-v-T圖第31頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三31水p-v-T圖第32頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三32一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process) 定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。進(jìn)行條件： 破壞平衡的勢 過程進(jìn)行無限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無窮小1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 第33頁，共48頁，202

15、2年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三33二、可逆過程( reversible process) 定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀 態(tài)而在外界不留下任何變化 的過程?？赡孢^程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆單純傳熱過程第34頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三34非準(zhǔn)靜態(tài)過程 (nonequilibrium process)準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆作功過程pFfpb第35頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三35 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(shí)際過

16、程不可逆 4.內(nèi)部可逆過程的概念 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示 討論：第36頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三36一、功(work)的定義和可逆過程的功 1功的力學(xué)定義 2功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3可逆過程功的計(jì)算功是過程量功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示1-6 功和熱量 第37頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三37 系統(tǒng)對外作功為“+”外界對系統(tǒng)作功為“-”5功和功率的單位：附：4功的符號約定：第38頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三386討論有用功(useful

17、 work)概念其中:W膨脹功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功； Wp排斥大氣功。pbf例A7001331第39頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三39用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過程的功?第40頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三40二、廣義功(generalized work)簡介彈性力功表面張力功 電極化功及磁化功等第41頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三41三、熱量（heat）1定義：僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量。2符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱“-”3單位： 4計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)

18、圖熱量是過程量（T-s圖上）表示第42頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三42四、熱量與功的異同： 1.均為通過邊界傳遞的能量； 3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志； 4.功是物系間通過宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用傳遞的能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。功2.均為過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。第43頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三43思考題：容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過程性質(zhì)。逐個抽去隔板，又如何？第44頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三441-7 熱力循環(huán)一、定義： 封閉的熱力過程 特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值，即二、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)(reversible cycle and irreversible cycle )第45頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三45三、動力循環(huán)（正向循環(huán)）（power cycle; direct cycle ）輸出凈功；在pv圖及Ts圖上順時針進(jìn)行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。第46頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)14分，星期三46四、逆向循環(huán)(reverse cycle) 制冷循環(huán)(refriger