中國礦業(yè)大學(xué)工程熱力學(xué)第一章剖析

EngineeringThermodynamics第一章根本概念BASICCONCEPTS1精選ppt§1熱力系統(tǒng)ThermodynamicsSystem§2狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)StateandStateProperties§3根本狀態(tài)參數(shù)§4平衡狀態(tài)Equilibrium§5狀態(tài)方程§6準靜態(tài)過程和可逆過程ReversibleProcess§7熱量和功EnergyTransferbyWorkandHeat§8熱力循環(huán)ThermodynamicsCycles主要內(nèi)容2精選ppt本章重點取熱力系統(tǒng)、對工質(zhì)狀態(tài)的描述、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系、狀態(tài)參數(shù)、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程、可逆過程。3精選ppt§1-1熱力系統(tǒng)壓縮機

Compressor熱電廠

Steam

power

plant飛機Aircraft空調(diào)熱泵

HeatPump4精選ppt壓縮機5精選ppt熱電廠鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器6精選ppt

飛機7精選ppt空調(diào)熱泵8精選ppt制冷熱泵系統(tǒng)示意圖房屋蒸發(fā)器冷凝器膨脹閥壓縮機Q1WinQ29精選ppt§1-1熱力系統(tǒng)系統(tǒng)、外界與邊界〔System、Surrounding、Boundary〕系統(tǒng)：用界面別離出的研究對象。Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)。邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。Boundary:Therealorimaginarysurfacethatseparatesthesystemfromitssurroundings系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界10精選ppt邊界11精選ppt邊界特性邊界可以：

真實或虛構(gòu)；

realorimaginary

固定或移動；fixedormovable

沒有厚度和體積，不含有任何物質(zhì)。nothicknessandvolume,doesnotcontainanysubstance.Note:12精選ppt熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱13精選ppt系統(tǒng)分類

Classification§1-1熱力系統(tǒng)以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無是否傳質(zhì)開口系

閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系14精選ppt系統(tǒng)分類

Classification閉口系Closedsystem開口系Opensystem孤立系Isolatedsystem絕熱系A(chǔ)diabatic

system§1-1熱力系統(tǒng)15精選ppt閉口系系統(tǒng)和外界〔邊界處〕只有能量交換，無質(zhì)量交換Asystemthatonlyenergycancrosstheboundarybutnomasscanenterorleave(alsoknownascontrolmass)閉口系例子密閉容器氣缸-活塞系統(tǒng)piston-cylindersystem16精選ppt系統(tǒng)和外界〔邊界處〕既可有能量交換，也有質(zhì)量交換Asystemthatnotonlyenergybutalsomasscancrosstheboundary(alsoknownascontrolvolume)閉口系例子泵pumps,壓縮機compressor,汽輪機熱交換器heatexchanger.開口系17精選ppt孤立系Isolatedsystem系統(tǒng)和外界〔邊界處〕既無能量交換，也無質(zhì)量交換Asystemthatneitherenergynormasscancrosstheboundary(aspecialclosedsystem)TheUniverseIsolatedSystemBoundaryMassSystemSurr3MassWorkSurr1Heat=0Work=0Mass=0AcrossIsolatedBoundaryHeatSurr2Surr418精選ppt絕熱系

AdiabaticSystem19精選ppt1234mQW1

開口系

熱力系統(tǒng)非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系20精選ppt1、以下系統(tǒng)類型？automobileenginepiston-cylindersystem問題？2、以下系統(tǒng)之間的關(guān)系？1〕閉口系和定質(zhì)量系統(tǒng)closedsystemandconstantmasssystem?2〕閉口系和絕熱系？closedsystemandadiabaticsystem?3〕孤立系和閉口絕熱系？isolatedsystemandadiabaticsystem?21精選ppt例題1-1例1：一剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲

紅線內(nèi)——閉口絕熱系粉紅線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系粉紅線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系蘭線內(nèi)——孤立系22精選ppt例題1-2熱力系例如2A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來〞ABA部落為A+B部落為

—孤立系—閉口系23精選ppt§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)StateandStateProperties狀態(tài)某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況

theconditionofasystem

狀態(tài)參數(shù)StateProperties

描述熱力系狀態(tài)的物理量

anycharacteristicofasystem常用狀態(tài)參數(shù)

壓力

pressure

P,溫度temperature

T,體積volume

V,質(zhì)量mass

M，內(nèi)能

internalenergyU,熵entropy

S,

焓enthalpy

H24精選ppt§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)分類強度量

Intensiveproperty：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

independentofthesizeofsystem.

suchas:如壓力

p、溫度T廣延量

Extensiveproperty：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性dependonthesizeorextentofthesystem.suchas：質(zhì)量m、容積V、內(nèi)能U、焓H、熵S比參數(shù)

Specificproperties

單位質(zhì)量的廣延狀態(tài)參數(shù)

Extensivepropertiesperunitmass

Suchas:比容specificvolumeu(u=V/m)

比焓

specificenthalpyh(h=H/m)

……具有強度量的性質(zhì)25精選ppt強度量和廣延量判別mVTP1/2m1/2vTP1/2m1/2vTPextensiveintensive強度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動能高度

位能

內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)〔強〕〔強〕〔強〕〔強〕〔廣〕〔廣〕〔廣〕〔廣〕Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol26精選ppt§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)特性CharacterofProperty狀態(tài)確定，那么狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)Theydependonthestatesonly,buthavenothingtodowiththepathfromonestatetoanother狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分27精選ppt狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：12ab例：溫度變化山高度變化28精選ppt狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)29精選ppt§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)根本狀態(tài)參數(shù)〔容易測量〕溫度T壓力p比容v30精選pptWhatistemperature?溫度Temperatureandtemperaturescale溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。熱力學(xué)定義：？？？熱力學(xué)第零定律：〔thezerothlawofthermodyn〕如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，那么兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論根底B溫度計31精選ppt溫度Temperatureandtemperaturescale

熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律

18401850年

E熱力學(xué)第二定律

18541855年

S熱力學(xué)第三定律

1906年

S基準為什么叫做熱力學(xué)第零定律？32精選ppt溫度Temperatureandtemperaturescale溫度的熱力學(xué)定義處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量

溫度。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。33精選ppt溫度測量溫標(biāo)Temperaturescale熱力學(xué)溫標(biāo)〔絕對溫標(biāo)〕Kelvinscale〔Britisher,L.Kelvin,1824-1907〕攝氏溫標(biāo)Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744〕華氏溫標(biāo)Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標(biāo)Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)34精選ppt常用溫標(biāo)之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.6735精選ppt溫標(biāo)Temperaturescale溫度計物質(zhì)〔水銀，鉑電阻〕特性〔體積膨脹，阻值〕基準點刻度

Scale溫標(biāo)

TemperaturescaleReferencestate36精選ppt壓力

PressureDefinition物理中壓強單位：SI:

Pa--------N/m2

(bar,atm,kgf/cm2)

English:

psi------lbf/in2其他單位間關(guān)系：1bar=105Pa=0.1Mpa=100kPa1atm=101,325Pa=101.325kPa=1.01325bar=14.696psi37精選ppt壓力

Pressure如何測量？38精選ppt壓力Pressure表壓和真空度GagePressureandVacuumPressure絕對壓力

AbsolutePressure(p)Theactual

pressureatagivenpositioniscalledtheabsolutepressure.環(huán)境壓力

Atmosphericpressure(pb

)指壓力表所處環(huán)境壓力。表壓力

Gagepressure(pg)當(dāng)p>pb表壓力

pe真空度

Vacuumpressure(pv)當(dāng)

p<pb真空度

pv注意：只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)39精選ppt壓力PressureAbsolutevacuumAbsolutevacuumppvppg絕對壓力和相對壓力40精選ppt壓力測量Pressure壓力測量

ManometerBourdontube41精選ppt例題1-3某地環(huán)境壓力為98kPa，某容器真空表讀數(shù)為30kPa，試求該容器內(nèi)的絕對壓力？

解:

42精選ppt容器分成1和2兩室.壓力表A讀數(shù)為300kPa，壓力表B讀數(shù)為120kPa.當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?20mmHg,試求A和B內(nèi)的絕對壓力以及氣壓表C的讀數(shù)？例題1-412ABC解:大氣壓力為室1的絕對壓力室2的絕對壓力

壓力表C讀數(shù)

43精選ppt比容和密度SpecificVolumeandDensity比容

為強度量。[m3/kg]44精選ppt§1-3平衡狀態(tài)

EquilibriumState平衡狀態(tài)如果在不受外界影響的條件下〔重力場除外〕，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，那么系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。平衡類型熱平衡Thermalequilibrium力平衡Mechanicalequilibrium化學(xué)平衡Chemicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium平衡條件〔實質(zhì)〕不存在不平衡勢差溫差—熱不平衡勢壓差—力不平衡勢相變—相不平衡勢化學(xué)反響—化學(xué)不平衡勢Therearenounbalancedpotentials。45精選ppt思考?1〕平衡與均勻Equilibriumandhomogeneous2〕平衡與穩(wěn)定EquilibriumandSteady—平衡可不均勻—

穩(wěn)定未必平衡平衡：時間上均勻：空間上46精選ppt§1-3平衡狀態(tài)為什么引入平衡概念？工程熱力學(xué)研究平衡問題。如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)〔壓力、溫度〕描述。狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)N=n+1具體需要多少參數(shù)？47精選ppt§1-3平衡狀態(tài)n各種功的方式n容積變化功、電功、拉伸功、外表張力功等1熱量傳遞N獨立參數(shù)數(shù)目〔能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目〕狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)N=n+1簡單可壓縮系統(tǒng)：只交換熱量和一種容積變化功簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2

48精選ppt§1-3平衡狀態(tài)狀態(tài)方程根本狀態(tài)參數(shù)〔p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2

49精選ppt§1-3平衡狀態(tài)例：R134a的維里型狀態(tài)方程50精選ppt坐標(biāo)圖diagram簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，即可用兩個參數(shù)確定系統(tǒng)狀態(tài)，可選取此2參數(shù)組成平面坐標(biāo)系，常見的參數(shù)坐標(biāo)：

T-s圖

P-v圖

h-s圖等pv常見p-v圖和T-s圖2151精選ppt準靜態(tài)過程

偏離平衡態(tài)無窮小隨時恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。即系統(tǒng)的每一個狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)的過程，又稱準平衡過程。

Aprocessproceedsinasuchmannerthatthesystemremainsinfinitesimallyclosetoanequilibriumstateatalltimes.

§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程

Quasi-equilibriumandreversibleProcess←fast←slowNonequili.Quasi-equil.理論上無限緩慢

NoteAquasi-equilibriumisanidealizedprocess.

Butmanyactualprocessesapproximateit.52精選ppt一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..53精選ppt準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=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p12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)54精選ppt準靜態(tài)過程55精選ppt§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態(tài)過程的工程條件：破壞平衡所需時間〔外部作用時間〕恢復(fù)平衡所需時間〔馳豫時間〕>>有足夠時間恢復(fù)新平衡

準靜態(tài)過程56精選ppt§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程

準靜態(tài)過程的實現(xiàn):??用常溫的水放入冷庫制冰，這個過程是不是準靜態(tài)過程？熱、力平衡57精選ppt§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程氣缸活塞飛輪熱源工質(zhì)、機器和熱源組成的系統(tǒng)過程假設(shè)：1、無摩擦；2、熱源與工質(zhì)溫差無限小；3、工質(zhì)與外界壓差無限小。58精選ppt氣缸活塞飛輪熱源左止點1pv可逆過程模擬59精選ppt氣缸活塞飛輪熱源左止點12pv續(xù)4160精選ppt氣缸飛輪熱源左止點12pv續(xù)4161精選ppt氣缸飛輪熱源左止點12pv續(xù)4162精選ppt氣缸飛輪熱源左止點12pv續(xù)4163精選ppt氣缸飛輪熱源左止點12pv續(xù)4164精選ppt氣缸飛輪熱源左止點1pv續(xù)4165精選ppt氣缸飛輪熱源左止點1pv續(xù)4166精選ppt氣缸飛輪熱源左止點1pv續(xù)4167精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4168精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4169精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4170精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4171精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4172精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4173精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4174精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4175精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4176精選ppt氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4177精選ppt氣缸活塞飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)4178精選ppt可逆過程ReversibleProcess系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，那么此過程為可逆過程?？赡孢^程的實現(xiàn)條件準靜態(tài)過程〔internallyreversible)無耗散效應(yīng)nodissipativeeffect(externallyreversible)---摩擦、電阻、磁阻、非彈性變形等.不可逆根源不平衡勢差和耗散效應(yīng)實際過程都是不可逆的?！?-4準靜態(tài)過程和可逆過程注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。79精選ppt§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程思考？0℃冰20℃0℃±dtANonequili.＆Irrever.Equii.＆Rever.Nonequil.αfFEquii.＆IrreverBEquili.＆

Rever.80精選ppt§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程常見的不可逆過程BA(b)不等溫傳熱(c)自由膨脹··

(a)功變熱出生童年中年老年八寶山(d)“今天的你我怎能重復(fù)昨天的故事！”人的生命81精選ppt總結(jié):§1-4準靜態(tài)過程和可逆過程1、可逆=準靜態(tài)+沒有耗散效應(yīng)

2、準靜態(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、可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示

82精選ppt§1-5功和熱

WorkandHeat功Work定義isaformofenergytransferredassociatedwithaforceactingthroughadistance.符號規(guī)定系統(tǒng)對外做功膨脹dV>0+對系統(tǒng)做功壓縮dV<0-功的類型體積功Movingboundarywork軸功Shaftwork彈性功Springwork外表拉伸功Workassociatedwiththestretching電功Electricalwork磁功Magneticwork83精選ppt體積功Movingboundarywork§1-5功和熱1kg工質(zhì):84精選ppt§1-5功和熱pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdvW又稱示功圖85精選ppt§1-5功和熱P-vdiagram1286精選ppt回憶準靜態(tài)過程進行無限緩慢，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；工程上問題可近似用準靜態(tài)過程處理。可逆過程系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡條件準靜態(tài)無耗散87精選ppt回憶功符號規(guī)定(對外“+〞,對系統(tǒng)“-〞)體積功計算〔可逆過程〕熱符號規(guī)定(吸熱“+〞,放熱“-〞)熱量表達式88精選ppt熱量定義

熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫

度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

Q>0

系統(tǒng)放熱時為負

Q<0§1-5功和熱又稱示熱圖ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵〞sT2189精選ppt§1-5容積變化功與熱量能量傳遞方式

容積變化功

傳熱量性質(zhì)

過程量過程量推動力

壓力p溫度T標(biāo)志dV,dvdS,ds公式

條件

準靜態(tài)或可逆可逆90精選ppt§1-5容積變化功與熱量是過程量，不是狀態(tài)量。其大小與初、終狀態(tài)有關(guān)，也與路徑有關(guān)。v1p2``abTs12abS1S291精選ppt例題1-4

vP1kg氣體以以下關(guān)系a)和(b)膨脹。試計算各過程的膨脹功。并示意在p-v圖上。解：〔1〕〔2〕92精選ppt§1-6熱力循環(huán)Cycle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)。分類可逆和不可逆Reversible/Irre.CycleReversiblecycleconsistentirelyofreversibleprocesses.循環(huán)過程特點