工程熱力學(xué)第1章

第1章

基本概念

武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院楊俊2007.08§1-1熱力系統(tǒng)第四章

基本概念1.熱力系統(tǒng)

：選定的研究對(duì)象2.外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)3.邊界：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過(guò)邊界一、系統(tǒng)與邊界固定、活動(dòng)真實(shí)、虛構(gòu)系統(tǒng)外界邊界第四章基本概念4.熱力系統(tǒng)分類系統(tǒng)與外界相互作用

有無(wú)是否傳質(zhì)開(kāi)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)非孤立系孤立系最重要的系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)

由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)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)。二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)第四章

基本概念?汽缸-活塞裝置（閉口系例）

第四章

基本概念?燃?xì)廨啓C(jī)（開(kāi)口系例）

?移動(dòng)邊界?虛構(gòu)邊界§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)第四章基本概念一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài):某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定；反之，只有足夠數(shù)量的狀態(tài)參數(shù)同時(shí)確定，才能確定狀態(tài)。2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分第四章基本概念二、狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)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第四章基本概念三、強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)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)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol具有強(qiáng)度量的性質(zhì)§1-3基本狀態(tài)參數(shù)第四章基本概念壓力

p、溫度T、比容v（容易測(cè)量）一、壓力p——單位面積上的垂直作用力

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa

,N/m2常用單位：

1

bar

=105

Pa

1

Mpa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013

105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg=9.80665

104

Pa第四章基本概念當(dāng)

p>pb表壓力

pe當(dāng)

p<pb真空度

pvpbpeppvp壓力測(cè)量第四章基本概念二、溫度（T）傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺(jué)，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度

T

0.5

mw2（1）同T

,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣（2）.0.5mw2總

0,T

0,1951年核磁共振法對(duì)氟化鋰晶體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)的開(kāi)爾文溫度（3）T=0

0.5mw

2=0

分子一切運(yùn)動(dòng)停止，零點(diǎn)能第四章基本概念1.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）

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)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(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量第四章基本概念絕對(duì)K攝氏℃

100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1537.8冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)水沸點(diǎn)華氏F朗肯R212671.67100032-459.670459.67491.67鹽水沸點(diǎn)發(fā)燒559.67第四章基本概念三、比容v——工質(zhì)聚集的疏密程度［m3/kg]物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)第四章基本概念一、平衡

在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)所處的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。?熱平衡：在無(wú)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：在無(wú)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(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。第四章基本概念二、穩(wěn)定——參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定系統(tǒng)可能存在不平衡勢(shì)差穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定溫差—熱不平衡勢(shì)壓差—力不平衡勢(shì)濃度差—化學(xué)不平衡勢(shì)平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢(shì)不平衡勢(shì)平衡可不均勻穩(wěn)定未必平衡第四章基本概念三、為什么引入平衡概念？

非平衡的熱力系其狀態(tài)瞬息萬(wàn)變，無(wú)法用宏觀參數(shù)描述。如果系統(tǒng)平衡，就可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述。四、狀態(tài)公理需要多少個(gè)狀態(tài)參數(shù)才能描述系統(tǒng)的平衡狀態(tài)？不平衡勢(shì)差

狀態(tài)變化

能量傳遞消除一種不平衡勢(shì)差

達(dá)到某一方面平衡

消除一種能量傳遞方式可以用某個(gè)宏觀狀態(tài)參數(shù)描述這方面的特征。不平衡勢(shì)差彼此獨(dú)立第四章基本概念獨(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、表面張力功等簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N

=n

+1=2絕熱簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)

N=?狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系第四章基本概念四、座標(biāo)圖簡(jiǎn)單可壓縮系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2）坐標(biāo)圖中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無(wú)法在圖上描述p-v

圖§1-5熱力過(guò)程第四章基本概念二、準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程熱力系任一時(shí)刻的狀態(tài)都無(wú)限接近平衡態(tài)的變化過(guò)程稱為準(zhǔn)平衡過(guò)程一、熱力過(guò)程——熱力系從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的全部過(guò)程矛盾：研究能量轉(zhuǎn)換，必須借助狀態(tài)變化；宏觀方法只能描述平衡態(tài)——不變化；必須解決這個(gè)矛盾?。?！熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程第四章基本概念1.非平衡過(guò)程——突然去掉重物pv12..系統(tǒng)先在平衡態(tài)1，突然去掉重物后，最終在平衡態(tài)2，中間經(jīng)歷的狀態(tài)都是非平衡態(tài)，無(wú)法描述，用虛線表示。假如重物由n塊構(gòu)成，每次去掉一塊后讓系統(tǒng)恢復(fù)平衡在1——2之間得到n-1個(gè)平衡態(tài)，將點(diǎn)連成線，可以對(duì)過(guò)程進(jìn)行粗略描述，重塊分割越小，描述月完整。第四章基本概念破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>

準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過(guò)程假如重物被有無(wú)限分割，每次去掉無(wú)限薄一層，系統(tǒng)隨時(shí)無(wú)限接近平衡態(tài)。此時(shí)，有限個(gè)點(diǎn)變成無(wú)限多個(gè)點(diǎn)，變成一條線，可以非常完整地描述過(guò)程2.準(zhǔn)平衡過(guò)程——重物無(wú)限分割例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分，活塞運(yùn)動(dòng)速度=10

m/s，但壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350

m/s，可視為準(zhǔn)平衡過(guò)程第四章基本概念

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。（強(qiáng)調(diào)完全復(fù)原性）3.可逆過(guò)程—準(zhǔn)平衡+無(wú)耗散非平衡過(guò)程是否能做到這一點(diǎn)呢？隔板抽掉隔板很明顯，外界必須消耗功，系統(tǒng)才能回到初態(tài)，（不能全復(fù)原）非平衡過(guò)程不是可逆過(guò)程。準(zhǔn)平衡過(guò)程是否能保證做到這一點(diǎn)呢？第四章基本概念pv12..如果活塞是絕熱的，且與氣缸之間沒(méi)有摩擦，我們每次減小外力dF工質(zhì)從1-2。反過(guò)來(lái)依次增加外力dF，工質(zhì)從2-1.工質(zhì)和外界都能回到初態(tài)。F第四章

基本概念

如果存在摩擦，情況就不同了。膨脹時(shí)，工質(zhì)需克服外力和摩擦阻力膨脹做功。壓縮時(shí)，外界需克服工質(zhì)壓力和摩擦阻力做功。因?yàn)榭朔Σ亮ψ龉Χ甲兂蔁崮埽ㄔO(shè)想熱能傳遞到外界）系統(tǒng)從1-2后，要想反過(guò)來(lái)從2-1回到初態(tài)，外界必須提供消耗在摩擦上的功，也就是說(shuō)，此時(shí)外界消耗了功，得到了等量的熱能。系統(tǒng)回到初態(tài)，但外界沒(méi)有。（留下痕跡，不能完全復(fù)原性）準(zhǔn)平衡過(guò)程有摩擦無(wú)摩擦可逆過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)“摩擦”使機(jī)械能變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性磁阻等）

不平衡勢(shì)差（非平衡不可逆）

不可逆根源

耗散效應(yīng)

（耗散不可逆）

第四章

基本概念典型的不可逆過(guò)程溫差傳熱T1T2T1>T2Q自由膨脹真空?????????????????第四章

基本概念典型的不可逆過(guò)程節(jié)流過(guò)程p1p2p1>p2混合過(guò)程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★第四章

基本概念引入可逆過(guò)程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。

可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)及其變化過(guò)程表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。

實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。第四章

基本概念完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆

外部可逆，內(nèi)部不可逆常見(jiàn)90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆第四章

基本概念§1-6功量與熱量1、力學(xué)定義:力

在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義：

a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為提升重物，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，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。第四章

基本概念一、功量3.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果

p外變小dp，工質(zhì)經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程dl以氣缸中工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功

W=p

A

dl=pdV1kg工質(zhì)

w=pdv產(chǎn)生微元位移dl，可認(rèn)為p不變第四章

基本概念mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdv注意：

上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程pp外21第四章

基本概念4.示功圖21pp外mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdvpV.12.W第四章

基本概念5.準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說(shuō)明1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功是過(guò)程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對(duì)外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負(fù)）5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）pV.12.6）外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有摩擦，系統(tǒng)功不等于外界功第四章

基本概念6．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第四章

基本概念二、熱量

1.熱量定義：僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量?；蛘哒f(shuō)熱量是熱力系與外界相互作用，在溫度的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。第四章

基本概念2.熱量與功量的類比主要共同點(diǎn)：1）都是在“勢(shì)”的作用下，通過(guò)邊界傳遞的能量；2）都是與過(guò)程有關(guān)的量；聯(lián)想：熱量的計(jì)算是否與功具有形式上一致的公式？能量傳遞

容積變化功

傳熱量性質(zhì)過(guò)程量

過(guò)程量推動(dòng)“勢(shì)”