工程熱力學(xué)課件

工程熱力學(xué)課件華北電力大學(xué)〔北京〕動(dòng)力工程系工程熱物理教研室制造2019年5月

第一章

根本概念

BasicConceptsandDefinition§1-1熱力系統(tǒng)thermodynamic

system

熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)):人為分割出來，作為熱力學(xué)研討對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。

外界：系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)1、系統(tǒng)(system)與邊境(boundary)邊境(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都經(jīng)過邊境系統(tǒng)、邊境和外界〔surrounding〕邊境特性真實(shí)、虛擬固定、活動(dòng)熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：有無能否傳質(zhì)開口系閉口系能否傳熱非絕熱系絕熱系能否傳功非絕功系絕功系能否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系熱力系統(tǒng)其他分類方式其他類方式物理化學(xué)性質(zhì)均勻系非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相簡(jiǎn)單可緊縮系統(tǒng)simplecompressiblesystem最重要的系統(tǒng)簡(jiǎn)單可緊縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功緊縮功膨脹功2.工質(zhì)workingsubstance;workingmedium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(duì)工質(zhì)的要求:1〕膨脹性;2〕流動(dòng)性3〕熱容量4〕穩(wěn)定性，平安性5〕對(duì)環(huán)境友善6〕價(jià)廉，易大量獲取物質(zhì)三態(tài)中

氣態(tài)最適宜。3.熱源(heatsource;heatreservoir)定義：工質(zhì)從中汲取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。高溫?zé)嵩础矡嵩?-

heat

source

〕

低溫?zé)嵩础怖湓础猦eat

sink〕恒溫?zé)嵩?constant

heat

reservoir)變溫?zé)嵩础?-2形狀和形狀參數(shù)形狀：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀情況形狀參數(shù)：描畫熱力系形狀的物理量形狀參數(shù)的特征：1、形狀確定，那么形狀參數(shù)也確定，反之亦然2、形狀參數(shù)的積分特征：形狀參數(shù)的變化量與途徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、形狀參數(shù)的微分特征：全微分形狀參數(shù)的積分特征形狀參數(shù)變化量與途徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)12ab例：溫度變化山高度變化形狀參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判別能否是形狀參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)intensive

propertyextensive

property強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)如壓力p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性如質(zhì)量m、容積V、內(nèi)能U、焓H、熵S比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol§1-3根本形狀參數(shù)壓力p、溫度T、比容v〔容易丈量〕1、壓力p物理中壓強(qiáng)，單位:Pa,N/m2絕對(duì)壓力p—absolute

pressure

表壓力

pe〔pg〕--

gauge

pressure;

真空度

pv—vacuum;

vacuum

pressure當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b—localatmosphericpressure絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)p>pb表壓力pe當(dāng)p<pb真空度pvpbpeppvp環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境留意：環(huán)境壓力普通為大氣壓，但不一定。大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。物理大氣壓1atm=760mmHg當(dāng)h變化不大ρ常數(shù)1mmHg=ρgh=133.3Pa當(dāng)h變化大，ρρ(h)常用單位：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1mmH2O=9.81Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa例題：如圖，知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi)汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數(shù)為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數(shù)pgA強(qiáng)調(diào)：pb是測(cè)壓儀表所在環(huán)境壓力解：2.溫度T的普通定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。覺得，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度T0.5mw2熱力學(xué)第零定律溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律〔R.W.Fowler〕假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，那么兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度丈量的實(shí)際根底B溫度計(jì)溫度的熱力學(xué)定義處于同一熱平衡形狀的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此一樣，用于描畫此宏觀特征的物理量溫度。溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)能否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量溫度的丈量溫度計(jì)物質(zhì)〔水銀，鉑電阻〕特性〔體積膨脹，阻值〕基準(zhǔn)點(diǎn)刻度溫標(biāo)常用溫標(biāo)〔temperature

scale〕絕對(duì)K攝氏℃華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水沸點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.67溫標(biāo)的換算3.比體積v(specific

volume)［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)的體積。又稱為比容。比體積與密度(density)密度：?jiǎn)挝惑w積工質(zhì)的質(zhì)量§1-4平衡形狀thermodynamic

equilibrium

state

1、定義：在不受外界影響的條件下〔重力場(chǎng)除外〕，假設(shè)系統(tǒng)的形狀參數(shù)不隨時(shí)間變化，那么該系統(tǒng)處于平衡形狀。溫差—熱不平衡勢(shì)壓差—力不平衡勢(shì)化學(xué)反響—化學(xué)不平衡勢(shì)平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢(shì)2.平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差去掉外界影響，那么形狀變化穩(wěn)定未必平衡假設(shè)以〔熱源+銅棒+冷源〕為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定3.平衡與均勻平衡：時(shí)間上均勻：空間上平衡可不均勻平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)那么一定是均勻的為什么引入平衡概念？假設(shè)系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)〔壓力、溫度〕描畫但平衡形狀是死態(tài)，沒有能量交換能量交換形狀變化破壞平衡如何描畫4.形狀公理閉口系：不平衡勢(shì)差形狀變化能量傳送消除一種不平衡勢(shì)差到達(dá)某一方面平衡消除一種能量傳送方式而不平衡勢(shì)差彼此獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢(shì)差數(shù)=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目=各種功的方式+熱量=n+1n容積變化功、電功、拉伸功、外表張力功等5.形狀方程簡(jiǎn)單可緊縮系統(tǒng)：N=n+1=2絕熱簡(jiǎn)單可緊縮系統(tǒng)N=?形狀方程根本形狀參數(shù)〔p,v,T)之間的關(guān)系形狀方程的詳細(xì)方式理想氣體的形狀方程實(shí)踐工質(zhì)的形狀方程？？？形狀方程的詳細(xì)方式取決于工質(zhì)的性質(zhì)范德瓦爾方程〔a,b為物性常數(shù)〕BWR方程維里型方程可見，實(shí)踐工質(zhì)的形狀方程是很復(fù)雜的6.坐標(biāo)圖簡(jiǎn)單可緊縮系N=2，平面坐標(biāo)圖pv1〕系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上闡明：2〕過程線中恣意一點(diǎn)為平衡態(tài)3〕不平衡態(tài)無法在圖上用實(shí)線表示常見p-v圖和T-s圖§1-5工質(zhì)的形狀變化過程平衡形狀形狀不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡形狀無法簡(jiǎn)單描畫熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)〔準(zhǔn)平衡〕過程普經(jīng)過程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0忽然去掉重物最終p2=p0T2=T0pv12..1.準(zhǔn)靜態(tài)過程〔quasi-static

process〕p1=p0+重物p，Tp0T1=T0假設(shè)重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)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)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程運(yùn)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度〔聲速〕350m/s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〕普通的工程過程都可以為是準(zhǔn)靜態(tài)過程詳細(xì)工程問題詳細(xì)分析?！昂鋈花暋熬徛暅?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA=p外A+fA假設(shè)p外微小可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功W=pAdl=pdV1kg工質(zhì)w=pdvdl很小，近似以為p不變準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1留意：上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的闡明pV.12.1〕單位為[kJ]或[kJ/kg]2〕p-V圖上用面積表示3〕功的大小與途徑有關(guān)功，是過程量4〕一致規(guī)定：dV>0，膨脹對(duì)外作功〔正〕

dV<0，緊縮外內(nèi)作功〔負(fù)〕5〕適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)〔普通為流體〕6〕外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7〕有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別例題：1kg某種氣態(tài)工質(zhì)，在可逆膨脹過程中分別遵照：〔1〕

〔2〕從初態(tài)1到達(dá)終態(tài)2求：兩過程中各作功多少？〔a，b為常數(shù)〕解：〔1〕〔2〕摩擦損失的影響假設(shè)有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’<W假設(shè)外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’那么外界、活塞、系統(tǒng)不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失的影響假設(shè)f＝0pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’＝W假設(shè)外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)那么外界、活塞、系統(tǒng)同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。2.可逆過程〔reversible

process〕定義：系統(tǒng)閱歷某一過程后，假設(shè)能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始形狀，而不留下任何痕跡，那么此過程為可逆過程。留意：可逆過程只是指能夠性，并不是指必需求回到初態(tài)的過程?？赡孢^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)差經(jīng)過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等〕不平衡勢(shì)差

不可逆根源耗散效應(yīng)：耗散效應(yīng)典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q自在膨脹真空?????????????????典型的不可逆過程節(jié)流過程(閥門〕p1p2p1>p2混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★引入可逆過程的意義準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)踐過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的形狀參數(shù)表達(dá)，可不思索系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實(shí)踐過程不是可逆過程，但為了研討方便，先按理想情況〔可逆過程〕處置，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后思索不可逆要素加以修正?！?-6過程功和熱量1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義(外文參考書〕a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳送時(shí)，假設(shè)對(duì)外界的獨(dú)一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推進(jìn)下，經(jīng)過有序運(yùn)動(dòng)方式傳送的能量。功的表達(dá)式功的普通表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功容積變化功其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，外表張力功，電功等熱量--heat

定義：僅僅由于溫差而

經(jīng)過邊境傳送的能量。符號(hào)商定：系統(tǒng)吸熱“+〞；

放熱“-〞

單位：

熱量與T-s圖熱量與功的異同：1.經(jīng)過邊境傳送的能量；2.都是過程量；3.功傳送由壓力差推進(jìn)，比體積變化是作功標(biāo)志;熱量傳送由溫差推進(jìn)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；4.功是物系間經(jīng)過宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳送的

能量；

熱是物系間經(jīng)過紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳送的能量。5。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菬o條件的；熱轉(zhuǎn)化為功是有條件、限制的?！?-7熱力循環(huán)thermodynamic

cycle要實(shí)現(xiàn)延續(xù)作功，必需構(gòu)成循環(huán)定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)正循環(huán)〔directcycle〕pVTS凈效應(yīng)：對(duì)外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時(shí)針方向2112逆循環(huán)(reversecycle)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)：逆時(shí)針方向2112熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)目的正循環(huán)〔動(dòng)力循環(huán)〕：對(duì)外作功，吸熱WT1Q1Q2T2熱效率thermal

efficiency制冷系數(shù)coefficient

of

performancefor

the

refrigeration

cycle逆循環(huán)：凈效應(yīng)〔對(duì)內(nèi)作功，放熱〕WT0Q1Q2T21〕制冷循環(huán)：制冷系數(shù)WT1Q1Q2T02〕制熱循環(huán)〔熱泵循環(huán)〕：制熱系數(shù)、熱泵系數(shù)、供暖系數(shù)第一章小結(jié)根本概念：熱力系平衡、穩(wěn)定、均勻準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過程量、形狀量、形狀參數(shù)功、熱量、熵p-V圖、T-S圖循環(huán)、任務(wù)系數(shù)第一章討論課熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系熱力系的選取取決于研討目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊境尋覓相互作用。例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊境，標(biāo)明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對(duì)活塞作功WWQ熱量：氣體經(jīng)過活塞從外界吸熱Q(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對(duì)放逸氣體作功W’W’Q’熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q’(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W+W’熱量：Q+Q’WQW’Q’(4)以容器為系統(tǒng)開口系功量：W’熱量：Q’W’Q’(5)以氣缸為系統(tǒng)開口系功量：W+W’’熱量：Q+Q’’W’’Q’’WQ強(qiáng)度量與廣延量速度動(dòng)能高度位能內(nèi)能溫度摩爾數(shù)〔強(qiáng)〕〔強(qiáng)〕〔強(qiáng)〕〔廣〕〔廣〕〔廣〕〔廣〕思索題7有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始形狀的過程，這種說法對(duì)嗎？不對(duì)。關(guān)鍵看能否引起外界變化?？赡孢^程指假設(shè)系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到初態(tài)。可逆過程并不是指系統(tǒng)必需回到初態(tài)的過程?？赡孢^程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)絡(luò)可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程＝準(zhǔn)靜態(tài)過程＋無耗散可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準(zhǔn)靜態(tài)過程很少用。判別能否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆〔1〕以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱