工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)-2第一章

水過鍋爐機(jī)第一章 基本概念及定義1、定義：人為劃定的一定范圍內(nèi)的研究對象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。（system）2、系統(tǒng)、外界與邊界外界（surroundings）：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界（

boundary

）：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界。1-1熱力學(xué)系統(tǒng)一、熱力系統(tǒng)第一章 基本概念及定義二、熱力系統(tǒng)的分類1

、根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換情況分類：開口系統(tǒng)——控制容積閉口系統(tǒng)——控制質(zhì)量有質(zhì)量交換系統(tǒng)（CV）無質(zhì)量交換（CM）2

、根據(jù)系統(tǒng)與外界的能量交換情況分類：絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱量交換孤立系統(tǒng)：既 量交換又無物質(zhì)交換系統(tǒng)簡單熱力系統(tǒng)：只交換熱量及一種形式的功復(fù)雜熱力系統(tǒng)：交換熱量及兩種形式以上的功3、對熱力系統(tǒng)的幾點(diǎn)說明：在簡單熱力系統(tǒng)中，工質(zhì)若是可壓縮流體，并且系統(tǒng)與外界交換的功的形式是容積變化功(膨脹功或壓縮功)，則此熱力系第一章 基本概念及定義的大部份系統(tǒng)都是統(tǒng)稱為簡單可壓縮系統(tǒng)。工程熱力學(xué)所簡單可壓縮系統(tǒng)。幾種熱力系統(tǒng)的區(qū)別與關(guān)系：123mQW41

開口系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系三、工質(zhì)與熱源1、工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。例如：燃?xì)?、煙氣、水蒸氣、氟里昂、空氣等?、熱源：在能量交換中與工質(zhì)有熱量交換的物系。分為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩础５谝徽?基本概念及定義1-2

熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)一、定義：1、狀態(tài)：指系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。2、平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢3、狀態(tài)參數(shù)：對任意給定的平衡熱力系，可以用確定的物理量進(jìn)行描述，這些 熱力系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。第一章 基本概念及定義二、狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然；2、狀態(tài)參數(shù)具有積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)；p

2112dp

p

p

dp

012ab第一章 基本概念及定義y

xx

ydz

(

z

)

dx

(

z

)

dy3、狀態(tài)參數(shù)具有全微分特性：設(shè)狀態(tài)參數(shù)z是另外兩個(gè)變量x和y的函數(shù)，則：三、狀態(tài)參數(shù)的分類：1

、按與所含工質(zhì)的量有關(guān)：廣延量參數(shù)——有關(guān)，如V、H、U、S等，有可加性強(qiáng)度量參數(shù)——無關(guān)，如p、T、v、u、h等。第一章 基本概念及定義2

、按是否直接或易測：基本狀態(tài)參數(shù)——可以直接或易測，如p、v、T。非基本狀態(tài)參數(shù)——不可以直接或易測，如s、h等。工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有六個(gè)：p、T、v、u、h、s，其中p、T、v三個(gè)可以直接測量，也比較直觀，是基本狀態(tài)參數(shù)。第一章 基本概念及定義三、基本狀態(tài)參數(shù)：1、比體積：單位質(zhì)量物質(zhì)所擁有的容積。v

V

m3

/

kgm密度：

1

m

kg

/

m3v

V第一章 基本概念及定義2、壓力：力學(xué)定義：Ap

FF——為垂直作用力；A——為面積。p——單位面積上承受的垂直作用力。單位：

1N

m2

1Pa第一章 基本概念及定義壓力單位換算:(單位換算見附表A-7)1MPa=106Pa=103kPa其它單位：①1bar=105Pa②標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm＝1.013×105Pa③工程大氣壓1at

=1kgf/cm2=9.8×104Pa④mmHg

、mH2O

ρgh⑤psi(磅力/英寸2,1bf/in2)第一章 基本概念及定義壓力是物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)對容器壁的撞擊所引起的。壓力是表征熱力系統(tǒng)是否處于力平衡的物理量。壓力的測量彈簧管式壓力表U型管壓力計(jì)P

：絕對壓力（真實(shí)壓力）Pb

：環(huán)境壓力（大氣壓力）第一章 基本概念及定義當(dāng)p>pb時(shí)

pe：表壓力（

pe=ρgH）根據(jù)力平衡原理：p=pe+pb當(dāng)P<pb時(shí)

pv：真空度（

pe=ρgH）同理有：p=p-pb

vpbpeppvp注意：絕對壓力才是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)第一章 基本概念及定義3、溫度：俗稱是物體冷熱程度的標(biāo)志。Q冷熱不均

達(dá)熱平衡A

BC熱力學(xué)第零定律：處于熱平衡的兩個(gè)物體，如果分別和第三個(gè)物體處于熱平衡，則三個(gè)物體之間也必然處于平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。第一章 基本概念及定義處于熱平衡的系統(tǒng)必然具有一個(gè)彼此相同的宏觀性質(zhì)，描述這一宏觀性質(zhì)的物理量就是溫度。溫度是用以判別系統(tǒng)與其他物質(zhì)是否處于熱平衡狀態(tài)的參數(shù)。符號:T或t表示，單位K或℃常用測量儀器：溫度計(jì)、熱電偶。溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)，溫度測量的基本溫標(biāo)為熱力學(xué)溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)中的基本溫度是熱力學(xué)溫度，用T表示，單位為開爾文，稱號為K。第一章 基本概念及定義以水的三相點(diǎn)，溫度作為基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)的熱力學(xué)溫度定為：Ttp

273.16K

1K

Ttp

/

273.16有時(shí)用到攝氏溫標(biāo)，用t表示，單位符號為℃t

0C

TK

273.15這兩種溫標(biāo)的溫度間隔相同，即ΔT=Δt工程上近似取t

0C

TK

273第一章 基本概念及定義1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖一、平衡狀態(tài)1、定義：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。2、條件：熱平衡、力平衡、化學(xué)平衡。（無溫差、無壓差、無化學(xué)平衡）3、狀態(tài)公理：對于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)，若可能有n種功的作用，則確定該系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)有n+1個(gè)。n+1表明系統(tǒng)所需的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)取決于熱力系統(tǒng)與外界交換能量的各種方式的總數(shù)。對簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)就可以確定其平衡狀態(tài)。第一章 基本概念及定義二、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖對簡單可壓縮的平衡系統(tǒng)，獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)目最多只有兩個(gè)?？梢杂萌我鈨蓚€(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)組成二維平面坐標(biāo)系。圖中任意一點(diǎn)代表某一確定的平衡狀態(tài)。這種由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖稱為熱力狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖。以絕對壓力p為縱坐標(biāo)，比容v為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)圖稱為壓容圖(P～v圖)。第一章 基本概念及定義說明：

1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上。圖中的每一點(diǎn)都代表系統(tǒng)中的一個(gè)平衡狀態(tài)。不平衡態(tài)無法在圖中表示。p

p(v,T)v

v(p,T)第一章 基本概念及定義1-4狀態(tài)方程式一、狀態(tài)方程式對簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)就可以確定其平衡狀態(tài)。狀態(tài)方程：描述平衡態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系的表達(dá)式。T

T

(p,v)f(p,T,

v)

0第一章 基本概念及定義二、理想氣體狀態(tài)方程1、理想氣體模型：氣體分子是具有彈性但不占據(jù)體積的質(zhì)點(diǎn)；除相互碰撞外無其它作用力。2、理想氣體狀態(tài)方程pv

RgT

pV

mRgT

pVm

RTpV

nRTRg——?dú)怏w常數(shù)

kJ/(kg.K)R——摩爾氣體常數(shù)(通用氣體常數(shù))kJ/(kmol.K)第一章 基本概念及定義3、摩爾氣體常數(shù)R與氣體常數(shù)RgRg與氣體種類有關(guān)，與氣體的狀態(tài)無關(guān)；

R與氣體種類，狀態(tài)都無關(guān)。R

p0Vm0

1.01325105

Pa

22.414103

m3

/

molT0273.15K

8.314J

/(mol

K

)pV

mRgTmpV

RTVm

RV

mRgRg

nR

m

RRg

M第一章 基本概念及定義1-5熱力過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程一、熱力過程處于平衡狀態(tài)的工質(zhì)，在受到外界作用時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)變化到另一個(gè)平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程。無法用狀態(tài)參數(shù)描述能量轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)過程

平衡被破壞平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換第一章 基本概念及定義無法用狀態(tài)參數(shù)描述能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)過程平衡被破壞平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程二、準(zhǔn)靜態(tài)過程2p1

..2.vp1

.A.vp1v1p2v2p1v1p2v2pA、vA2p1

..Av...BC……2p1

.v.........進(jìn)行得足夠緩慢，以致于連續(xù)經(jīng)過的每個(gè)中間態(tài)都可近似為平衡態(tài)的過程。p2v2p2v2p1v1p1v1第一章 基本概念及定義1、定義：系統(tǒng)經(jīng)歷的一系列狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的過程。2、意義：既是平衡，又是變化；既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。疑問：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？第一章 基本概念及定義3、準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過程第一章 基本概念及定義破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）>>恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧崩夯钊\(yùn)動(dòng)速度=10m/s；壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350

m/s；0℃

H2分子的均方根速率1838m/s。第一章 基本概念及定義三、可逆過程1、定義：如果系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)熱力過程后，可以沿原來路徑逆向進(jìn)行，使系統(tǒng)和外界都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化的過程。反之，不滿足的稱不可逆過程。2、準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程的聯(lián)系和區(qū)別：可逆過程也稱無功耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程。力學(xué)例子：第一章 基本概念及定義三、熱力循環(huán)1、定義：封閉的熱力過程。是指系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，又回到原來狀態(tài)的過程。2、分類：正循環(huán)：熱變功逆循環(huán)：功變熱第一章 基本概念及定義1-6準(zhǔn)靜態(tài)過程的功的定義①力學(xué)定義：

W=Fx不足：1)與系統(tǒng)狀態(tài)、過程無關(guān)；2)未包括電磁功②熱力學(xué)定義：在熱力過程進(jìn)行 是系統(tǒng)和外界相互作用所傳遞能量的一種形式。當(dāng)系統(tǒng)作功時(shí)，它對外界的單一影響，可歸結(jié)為舉起重物。③功的正負(fù)：系統(tǒng)對外界作功，功值取為正；外界對系統(tǒng)作功，功值取為負(fù)。第一章 基本概念及定義二、容積變化功的計(jì)算W

F

dx

pAdx

pdVdV——為氣體的容積變化量若m=1kgW1-2是過程量，與積分路徑有關(guān)。單位：J

kJ

；J/kgdV>0

膨脹作功kJ/kgdV<0

被壓縮,消耗外界功量。δW表示無限小功量，不是功量的無限小增量。W12

21pdV12w

21pdvp-V圖也稱為示功圖。p-V圖中過程線下方陰影面積為功量大小。第一章 基本概念及定義1-7熱量1

定義：熱量是系統(tǒng)和外界之間僅僅由于有了溫度差異而通過邊界傳遞的能量。2

熱量與