工程熱力學(xué)第一篇-03

1、第一篇,工程熱力學(xué),（Engineering Thermodynamics）,第一章 基本概念,1-1 熱力系統(tǒng),1-2 平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù),1-3 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,1-4 準(zhǔn)平衡過程與可逆過程,1-5 功量和熱量,1-6 熱力循環(huán),1-1 熱力系統(tǒng),熱力學(xué)中常把研究的對(duì)象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種人為的分割出來的研究對(duì)象稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱熱力系或系統(tǒng)。,√ 外界（surroundi

2、ng）,√ 邊界（boundary）,√ 熱力系統(tǒng)（thermodynamic system）,熱力系以外與之相互作用的周圍物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。,為了避免把熱力系和外界混淆起來，設(shè)想有分界面將它們分開，這個(gè)分界面稱為邊界。,邊界可以是真實(shí)的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運(yùn)動(dòng)的。熱力系的邊界常用虛線表示。,舉例說明,,,熱力系統(tǒng)分類,根據(jù)熱力系與外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系可分為：,（1）閉口系（closed sy

3、stem） 與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量（control mass，簡(jiǎn)寫為CM）。,（2）開口系（open system） 與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。通常總是取一相對(duì)固定空間，把研究對(duì)象限制在這一空間范圍內(nèi)，也稱為控制容積（control volume簡(jiǎn)寫為CV）。,注意：1）閉口系與開口系都可能通過邊界與外界發(fā)生能量的傳遞。2）區(qū)分閉口系和開口系的關(guān)鍵是有沒有物質(zhì)

4、越過了邊界，并不是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量是不是發(fā)生了變化。,（3）絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系（isolated system） 外界既無能量交換又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。,閉口系絕熱系,開口系絕熱系,,Q≈0,,★ A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng) ——孤立系,——閉口系,注

5、意：1）絕熱系與孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情況。2）選取何類熱力系對(duì)研究問題的結(jié)果并無影響，僅與解決問題的繁復(fù)程度有關(guān)。3）在作熱力學(xué)分析時(shí)，不僅要考慮熱力系內(nèi)部的變化，同時(shí)還要考慮熱力系通過邊界與外界發(fā)生的能量與物質(zhì)的交換，至于外界的變化則不必研究。,√ 熱機(jī)（heat-engine）： 凡能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱為熱機(jī)。如蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等等，或稱熱能動(dòng)力裝置。

6、,√ 熱源（heat source）： 與熱力系有熱量交換的物質(zhì)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 高溫?zé)嵩础獰嵩?恒溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩础湓?變溫?zé)嵩?√ 簡(jiǎn)單可壓縮系（simple compressible system）： 熱力系由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可逆體積變化功（可逆過程的膨脹功或壓縮功）

7、的交換的系統(tǒng)。,√ 工質(zhì)（working substance）： 實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物稱為工質(zhì)。,介紹幾個(gè)常用概念,,,1-2 平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1. 平衡狀態(tài)（equilibrium state）,（1）熱力狀態(tài),系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。,（2）平衡狀態(tài),在沒有外界影響的條件下（重力場(chǎng)影響除外），熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，必須

8、同時(shí)具備熱平衡和力平衡，對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)同時(shí)還應(yīng)具備化學(xué)平衡。,? 熱平衡 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。 溫差是驅(qū)動(dòng)熱傳遞的不平衡勢(shì)差，溫差的消失則是系統(tǒng)建立熱平衡的必要條件。,? 力平衡 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。 力差也是驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種不平衡勢(shì)差，力差的消失是使系統(tǒng)建立起力平衡的必要條件。,? 對(duì)于

9、有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)勢(shì)差的消失才能建立起化學(xué)平衡。,? 建立平衡狀態(tài)的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與外界之間各種不平衡勢(shì)差的消失。,2. 狀態(tài)參數(shù)（parameter of state）,用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個(gè)，即壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S）。,狀態(tài)參數(shù),,強(qiáng)度參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量無關(guān) 的 狀態(tài)參數(shù)，如

10、p、T 等。不具有 可加性。,廣延參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的 狀態(tài)參數(shù)。如 V、U、H、S 等。 具有可加性。單位質(zhì)量的廣延參 數(shù)，具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)，稱為 比參數(shù)，如 v、h、u、s 等。,狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn),狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，熱力系的狀態(tài)一

11、定，其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也一定。系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的路徑無關(guān)。,,,當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而又回復(fù)到初態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)的變化為零。,如果能證明某物理量具有上述數(shù)學(xué)特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。,處于平衡狀態(tài)的熱力系，狀態(tài)參數(shù)具有確定的數(shù)值。而非平衡狀態(tài)的熱力系其狀態(tài)參數(shù)是不確定的。,工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)，它是經(jīng)典熱力學(xué)理論框架得以建立的重要基礎(chǔ)。,3. 基本狀態(tài)參數(shù),壓力（p）

12、、溫度（T）、比體積（v）可以直接或間接地用儀表測(cè)量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。,（1）壓力（pressure）,單位面積上所受到的垂直作用力（壓強(qiáng)）。,P為工質(zhì)的真實(shí)壓力，即絕對(duì)壓力。,,根據(jù)分子熱運(yùn)動(dòng)學(xué)說，氣體的壓力是大量氣體分子運(yùn)動(dòng)撞擊容器壁面所產(chǎn)生的平均結(jié)果。,力,面積,,,16,常用非SI壓力單位：,國(guó)際單位制 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2,1 MPa = 103 kPa =106 Pa,1 bar（巴） = 1

13、05 Pa,1 atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） = 1.013?105 Pa,1 at （工程大氣壓） = 0.981?105 Pa,1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa,1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa,壓力測(cè)量：,只有絕對(duì)壓力 p 才是狀態(tài)參數(shù)。,,,絕對(duì)壓力 p表壓力 pe（pg） 真空度 pv,當(dāng)?shù)卮髿鈮?pb,負(fù)壓,正壓,18,（2）溫度（temperature）,溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度

14、的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。,當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個(gè)物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達(dá)到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù) 。,1）溫度的物理意義,2）熱力學(xué)第零定律,如果兩個(gè)物體中的每一個(gè)都分別與第三個(gè)物體處于熱平衡，則這兩個(gè)物體彼此也必處于熱平衡。,熱力學(xué)第零定律是溫度測(cè)量的理論依據(jù) 。,3）溫標(biāo),溫度的數(shù)值表示法。,國(guó)際單位制（SI）采用熱力學(xué)溫標(biāo)

15、作為基本溫標(biāo)。,用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用符號(hào)T 表示，單位為 K（開）。,熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）:,熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16 K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。,攝氏溫標(biāo):,用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號(hào)t表示，單位為℃（攝氏度）。,攝氏溫度的定義式為：,,攝氏溫度的零點(diǎn)相當(dāng)于熱力學(xué)溫度的273.15K，1 ℃=1K,（3）比體積（specific volu

16、me）,定義：,單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號(hào)v表示，單位為 m3/kg 。,密度：,單位體積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號(hào) ? 表示，單位為 kg/ m3 。,比體積和密度不是兩個(gè)互相獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù) 。,,,,1-3 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,（1）狀態(tài)公理,對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，只需給出兩個(gè)相互獨(dú)立狀態(tài)的參數(shù)（如 p、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。,（2）狀態(tài)方程式,表示基本狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式

17、 。如：,,,,,（3）狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,在以兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點(diǎn)都代表一個(gè)平衡狀態(tài)，而非平衡狀態(tài)無法在圖上表示。,以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的坐標(biāo)圖。,,,1-4 準(zhǔn)平衡過程和可逆過程,（1）熱力過程,熱力系從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)稱為熱力過程，簡(jiǎn)稱過程。,,,P,Pb,Pˊ,P = Pˊ+ Pb,P = Pb,P＞Pb,（2）準(zhǔn)平衡過程（quasi-equilibrium process）,由一系列

18、非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的過程就稱為準(zhǔn)平衡過程，也稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程（quasi-static process）。,,準(zhǔn)平衡過程的實(shí)現(xiàn)條件是：破壞平衡狀態(tài)存在的不平衡勢(shì)差（除力差外，還包括溫差、化學(xué)勢(shì)差等）應(yīng)無限小。,準(zhǔn)平衡過程是實(shí)際過程的理想化，是實(shí)際過程進(jìn)行得非常緩慢的一個(gè)極限。實(shí)際設(shè)備中所進(jìn)行的過程都是在有限勢(shì)差作用下進(jìn)行的，都是非平衡過程。但在熱力學(xué)中，為便于分析，常把實(shí)際過程當(dāng)作準(zhǔn)平衡過程來處理。這是因?yàn)橄到y(tǒng)在平衡狀態(tài)被破壞后

19、自動(dòng)恢復(fù)平衡所需的時(shí)間，即所謂弛豫時(shí)間非常短，而過程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間，系統(tǒng)一旦偏離平衡狀態(tài)，系統(tǒng)很快重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。因此，將某些實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行的過程視為準(zhǔn)平衡過程是可以被允許的。如果在某些情況下這樣的處理會(huì)帶來較大的誤差時(shí)，應(yīng)引入考慮不平衡影響而進(jìn)行的修正。,在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過程可以用連續(xù)的實(shí)線表示。,（3）可逆過程（reversible process）,當(dāng)系統(tǒng)完成了某一過程之后，如果系統(tǒng)能沿原路徑逆行而回復(fù)到原來

20、狀態(tài)，同時(shí)外界也隨之回復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。,,可逆過程的特征是：1）準(zhǔn)平衡過程，因?yàn)樵谟邢迍?shì)差作用下進(jìn)行的非平衡過程必然導(dǎo)致不可逆。2）在可逆過程中不應(yīng)有任何諸如摩擦、電阻、磁阻等的耗散效應(yīng)（通過摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)稱為耗散效應(yīng)，由此造成可用功的損失稱為耗散損失）。,實(shí)現(xiàn)可逆過程的的充要條件，一是過程沒有勢(shì)差（或勢(shì)差無限小）如傳熱沒有溫差，作膨脹功沒有力差等，二是過程沒有耗散效應(yīng)，如

21、機(jī)械運(yùn)動(dòng)沒有摩擦，導(dǎo)電沒有電阻等。也可以說，只有準(zhǔn)平衡過程且過程中無任何耗散效應(yīng)的過程才是可逆過程。,準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的聯(lián)系與區(qū)別：,1）兩個(gè)過程都是由一系列平衡狀態(tài)所組成，在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上都能用一條連續(xù)的曲線來表示。,2）有無耗散損失,可逆過程是一切實(shí)際過程的理想化極限，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。引入可逆過程是一種研究方法。,可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程，但準(zhǔn)平衡過程則不一定是可逆過程。,引入可逆過程的概念對(duì)分析實(shí)際過程有何意義？,實(shí)際

22、過程都或多或少地存在著各種不可逆因素，都是不可逆的。在對(duì)不可逆過程進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)往往是相當(dāng)困難的，為了簡(jiǎn)便起見，通常把實(shí)際過程當(dāng)作可逆過程來進(jìn)行分析計(jì)算，，然后再用一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正。另外，可逆過程是一切實(shí)際過程的理想化極限模型，可逆過程進(jìn)行的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，因而可以作為實(shí)際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)和極限。,1-5 功量與熱量,1. 功量（work）,√功的力學(xué)定義：力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積。,,√功的熱力學(xué)定義：

23、熱力系與外界間通過邊界而傳遞 的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為 舉起重物。,,功是與過程性質(zhì)有關(guān)的過程量。功不是狀態(tài)參數(shù)。,國(guó)際單位制：J（焦耳）或 kJ（千焦）,比功：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)所作的功。 單位：J/kg 或 kJ/kg 。,,功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成

24、的功。 單位：W（瓦）或 kW （千瓦） 。,1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W,熱力學(xué)中規(guī)定：系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正值， 外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)值。,1J=1N·m，1kJ=103 J,√ 體積功（膨脹功或壓縮功）,工質(zhì)通過體積變化（膨脹或壓縮）所做的功。,,,,,討論可逆過程的體積功,對(duì)于微元可逆過程,對(duì)于可逆過程1—2,若工質(zhì)質(zhì)

25、量為mkg,1kg,,膨脹：dv > 0 , w > 0,壓縮：dv < 0 , w < 0,w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積12nm1來表示，p-v圖稱為示功圖,功是過程量而不是狀態(tài)量。,,討論,有用功概念,,,其中:　W——膨脹功； 　Wl ——摩擦耗功； 　Wp ——排斥大氣功。,,,,,pb,f,,,用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過程的功,,,?,36,2. 熱量與示

26、熱圖,（1）熱量,系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號(hào)為Q ，單位為J 或kJ。,單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q表示，單位為 J/kg 或 kJ/kg。,熱量正負(fù)的規(guī)定：,系統(tǒng)吸熱：q > 0,系統(tǒng)放熱：q < 0,熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量。,在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計(jì)算公式具有相同的形式。,功量：,熱量：,s 稱為比熵。比熵同比體積 v 一樣是

27、工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。,比熵的定義式：,（可逆過程）,比熵的單位為J/ (kg·K) 或 kJ/ (kg·K) 。,對(duì)于質(zhì)量為 m的工質(zhì),S為質(zhì)量為 m 的工質(zhì)的熵，單位是 J/K。,根據(jù)熵的變化判斷一個(gè)可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：,（2）示熱圖（T-s圖）,在可逆過程中單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量可以用T-s 圖（溫熵圖）上過程曲線下的面積來表示。,溫熵圖也稱示熱圖。,,1-6 熱力循環(huán),工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)

28、，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，又回復(fù)到初態(tài)的封閉熱力過程稱為熱力循環(huán)，簡(jiǎn)稱循環(huán)（cycle）。 按循環(huán)性質(zhì)分 可逆循環(huán) 不可逆循環(huán) 按循環(huán)產(chǎn)生的效果不同 正循環(huán) 逆循環(huán),,,1. 正循環(huán)及其熱效率,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)，也稱為動(dòng)力循環(huán)或熱機(jī)循環(huán)。,在p-v圖上，正向循環(huán)按順