工程熱力學(xué)第一章 基本概念 熱力系統(tǒng)

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程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)1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)1一、熱能動力裝置(Thermalpowerplant)

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(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(internalcombustiongasengine)

燃氣輪機裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動機(jetpowerplant)……

蒸氣動力裝置

(steampowerplant)1-1熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程2二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(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3三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：與外界僅有熱量的交換，且有限熱量的交換不引起系統(tǒng)溫度變化的熱力系統(tǒng)。?高溫?zé)嵩础獰嵩?/p>

（

heatsource）

低溫?zé)嵩础湓矗╤eatsink）?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)

變溫?zé)嵩?1-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）

外界和邊界?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,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5二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動機6?汽缸-活塞裝置（閉口系例）7?移動和虛構(gòu)邊界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）實際的或虛擬的注意：9

閉口系（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）

—沒有質(zhì)量越過邊界

開口系（opensystem）

（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質(zhì)量交換1.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換三、熱力系分類10

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；注意：2.按能量交換11四、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12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?131-3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)簡稱狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—熱力系在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況

狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述系統(tǒng)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142．狀態(tài)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（extensiveproperty）

強度量（intensiveproperty

）

又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，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)。15三、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：

兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等16四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemperaturescale）

溫度的定義：

(zerothlawofthermodynamics)

熱力學(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo)

(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale)17五、壓力(pressure)絕對壓力p(absolutepressure)表壓力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)18常用壓力單位：例A4001441例A400277119六、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量兩者關(guān)系:201-4平衡狀態(tài)1．定義：一個熱力系統(tǒng)，如果不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變。?熱平衡（thermalequilibrium）：

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（mechanicalequilibrium）：

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（△P=0、△T=0）

—系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡。（此系統(tǒng)必須是簡單可壓縮系統(tǒng)）一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）21討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定—平衡可不均勻—穩(wěn)定未必平衡22*

二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）n—系統(tǒng)獨立的狀態(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23三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordinates）

一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對應(yīng)點，如：pv1p1v1Ts2T2s2HS3H3S3OOO24四、狀態(tài)方程式定義：對于簡單可壓縮系統(tǒng)，描述平衡基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系式狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）

Rg

—氣體常數(shù)（gasconstant）R—通用氣體常數(shù)

（universal(molargasconstant)摩爾質(zhì)量25一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

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。進行條件：

破壞平衡的勢—

過程進行無限緩慢工質(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)實線表示無窮小1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程26二、可逆過程(reversibleprocess)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27非準(zhǔn)靜態(tài)過程

(nonequilibriumprocess)準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆●作功過程pFfpb28

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

3.一切實際過程不可逆

4.內(nèi)部可逆過程的概念

5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示

討論：29一、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30

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：316．討論有用功(usefulwork)概念其中:

W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf例A700133132用外部參數(shù)計算不可逆過程的功?33二、廣義功(generalizedwork)簡介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等34三、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．計算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-s圖上）表示35四、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。36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？371-7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)(reversiblecycleandirreversiblecycle)38三、動力循環(huán)（正向循環(huán)）（powercycle;directcycle）輸出凈功；在p－v圖及T－s圖上順時針進行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。39四、逆向循環(huán)(reversecycle)

▲制冷循環(huán)(refrigerationcycle)

▲熱泵循環(huán)(heat-pumpcycle)

一般地講：輸入凈功；