工程热力学第1章基本概念及定义.ppt

工程热力学 Engineering Thermodynamics 大连理工大学 能源与动力学院 因个人原因，第二周（因个人原因，第二周（9 9月月 1414日和日和1616日日) )的课程暂停，的课程暂停， 并顺延至第九周并顺延至第九周(11(11月月2 2日日 和和4 4日）完成。日）完成。 请各位同学相互转达。请各位同学相互转达。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 定义义：从燃料燃烧烧中获获得热热能并利用热热能得到 动动力的整套设备设备 。 分类类 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 燃气动力装置 蒸汽动力装置 内燃机 燃气轮机 喷气动力装置 燃煤发电机组 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 四冲程汽油机 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 四冲程柴油机 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 蒸汽动力装置 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 简简化的蒸汽动动力装置 朗肯循环环（Rankine Cycle） T1 T2 Q1 Q2 W 热力学原理图 锅 炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器 1 2 3 4 steam turbine boiler pump condenser electric generator 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 一、热热能动动力装置（热热能机械能） 共同本质质： 都是通过媒介物的 吸热热膨胀胀作功排热热 来完成从燃料燃烧产生的热能 向机械能的转化。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 二、工质质 定义义：实现热实现热 能和机械能互相转转化的媒介物质质 。 如何选选取一种合适的工质质作为为媒介？ 特点 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1、膨胀性 2、流动性 3、热容量 4、稳定性、安全性 5、对环境友好 6、价廉、易大量获取 物质三态中， 气态是最合适的。 如：水蒸汽 内燃机中的燃气 制冷剂 常用气态物质等 1.1 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 三、热热源 定义义：与工质进质进 行热热交换换的物质质系统统。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 分类类 按温度高低 按温度变化 高温热源（热源） 低温热源（冷源） 恒温热源 变温热源 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 一、热热力系统统（热热力系、系统统、system） 定义义：人为为分割出来的，作为热为热 力学研究对对象的有限 物质质系统统。 外界（环环境，surrounding） 定义义：与系统发统发 生质质量、能量交换换的物体 边边界（boundary） 定义义：系统统与外界的分界 线线（面） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 System Boundary Surroundings 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 一、热热力系统统选择选择 的意义义 热热力系的确定是正确解决热热力学问题问题 的前提 没有明确热热力系而讨论讨论 能量转换转换 无意义义 热热力系选择选择 的不同，能量转换转换 情况也不同 如何判断一个热热力系统统？ 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 是否有热热量交换换 Q 是否有功量交换换 W 是否有质质量交换换 qm 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 一、热热力系统统（热热力系、系统统、system） 分类类按系统与外界有无质量交换。 开口系（控制体积积） 特点：通过边界与外界有质量交换 闭闭口系（控制质质量） 特点：没有质量交换 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 一、热热力系统统（热热力系、系统统、system） 还还有常见见的热热力系统统： 绝热绝热 系 特点：与外界无热热量交换换 孤立系（控制质质量） 特点：与外界既无能量交换换 也无质质量交换换 简单简单 可压缩压缩 系统统 特点：与外界可逆功交换换只有体积变积变 化功 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 Adiabatic System Insulation Q=0 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 二、热热力系边边界的特点边边界是可以人为为的 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 汽缸-活塞装置 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 二、热热力系边边界的特点边边界是可以人为为的 真实实的假想的 固定的运动动的 封闭闭的开口的 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 边界边界 外界外界 进口进口 出口出口 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 二、热热力系边边界的特点边边界是可以人为为的 真实实的假想的 固定的运动动的 封闭闭的开口的 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 三、热热力系示例 刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 红线红线 内 闭闭口绝热绝热 系 黄线线内（不含电热丝电热丝 ） 闭闭口系 黄线线内（含电热丝电热丝 ） 闭闭口绝热绝热 系 蓝线蓝线 内 孤立系 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 四、总结总结 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 分类QWqm表述分析方法 简单可压 缩系 体积体积 变化功变化功 闭口系 无质量交换控制质量法 开口系 有质量交换控制体积法 绝热系 无热量交换 孤立系 无任何交换 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 思考： 1、闭闭口系与质质量不变变系的区别别； 2、孤立系与绝热绝热 系的关系； 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 qmQW A开口系 A+B闭闭口系 A+B+C闭闭口绝热绝热 系 A+B+C+D孤立系 1.2 1.2 热力系统（热力系、系统）热力系统（热力系、系统） 思考： 开口系与绝热绝热 系的关系。 分析： “绝热绝热 系”指的是与外界无热热量交换换的系统统。热热量是指过过程中系统统与外界间间 以热热的方式交换换的能量，是过过程量，过过程一旦结结束就无所谓谓“热热量”。物质质 并不“拥拥有”热热量。一个系统统能否绝热绝热 与其边边界是否对对物质质流开放无关。 例如，一个绝热绝热 容器中有一个隔板将容器分为为相等体积积的两半，左右充以温 度相同但压压强不同的同种气体（左侧压侧压 强略高），将隔板抽去，左侧侧气体将 流入右侧侧（同时时也有少量反向扩扩散），以左侧侧（容器体积积的一半）为为系统统, 右侧为环侧为环 境，那么二者间间不存在热热交换换，却存在因物质质流动产动产 生的内能交 换换。很明显显，这这是一个开口系，但同时时是一个绝热绝热 系. 所以：不论论系统统是开口系还还是闭闭口系，只要没有热热能越过边过边 界，就是绝热绝热 系。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 一、热热力学状态态（热热力状态态、状态态、state） 定义义：工质质在热热力学变变化过过程中的某一瞬间间所呈现现的 宏观观物理状况。 平衡状态态（equilibrium state）：系统内部各处的宏观 性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为平衡状态。 状态态参数（state properties）：用来描述工质质所处处平衡 状态态的宏观观物理量。它们们反映了大量分子运动动的宏观观 平均效果这这也是工程热热力学的研究方法宏观热观热 力 学、经经典热热力学。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 一、热热力学状态态（热热力状态态、状态态、state） 对对于状态态参数 1、只有平衡状态态才有统统一的状态态参数 常用的状参有：p，T，V，U，H，S等，其中，p，T，V称 为为基本状态态参数。 强度量： p、T 广延量： V、U 、H 、S 2、状态态参数的特性：状态态的单值单值 函数 只与状态态有关状态态一旦确定、状态态参数也就确定，反 之亦然。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 v、u 、h 、s 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 一、热热力学状态态（热热力状态态、状态态、state） 对对于状态态参数 物理上与过过程无关 数学书书状态态参数是点函数 微分是全微分 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 y x 1 a b 2 c 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 二、状态态相同的充分必要条件 系统统两个状态态相同的充要条件： 所有的状态态参数对应对应 相等。 简单简单 可压缩压缩 系统统两个状态态相同的充要条件： 两个独立的状态态参数对应对应 相等。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 1、比容（比体积积） 比容（比体积积） m3/kg 密度 kg/m3 二者的关系 二者相关，不互相独立 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 2、温度 定义义：物体冷热热程度的标标志。 微观观上，标标志物质质分子热热运动动的激烈程度 。 热热平衡：冷热热程度相同时时，两物体达到热热平衡。 所以温度是热热平衡的判据。 热热力学第零定律（the zeroth law of thermodynamic) 若两个热热力系中的每一个都与第三个系统处统处 于热热平衡， 那么它们们彼此也处处于热热平衡。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 温度相等温度相等 热平衡热平衡 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 2、温度 温标标温度的数值值表示方法。 温标标三要素 常见见的温标标 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 选定一种测温物质的性质 选取基准点 确定分度法 经验经验 温标标 依赖赖于测测温物质质 的性质质 热热力学温标标（K） 摄摄氏温标标（C） 华华氏温标标（F） 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 2、温度 热热力学温标标（K） 摄摄氏温标标（C） 华华氏温标标（F） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 基准点：水的三相点规规定为为273.16K （单单一基准点） 分度法：基准点温度的1/273.16 基准点：1atm 水冰点 规规定为为0 C 1atm 水汽点 规定为100 C 分度法：基准点间 1/100 基准点：1atm 水冰点 规规定为为 32 F 1atm 水汽点 规规定为为212 F 分度法：基准点间间 1/180 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 2、温度 热热力学温标标与摄摄氏温标标 摄摄氏温度由热热力学温度移动动零点获获得 摄摄氏温标标与华华氏温标标 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 C F 100C 212F 0C 32F tC tF 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 3、压压力 定义义：单单位面积积上所受的垂直作用力。 微观观上，大量气体分子撞击击器壁的评评价结结果。 单单位换换算：见见教材page 15 table1-1。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 Pa （N/m2） n0单单位体积积分子数 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 3、几个常见压见压 力 绝对压绝对压 力（真实压实压 力）：p absolute pressure 表压压力：pe（ pg ） gage pressure 真空度： pv vacuum pressure 大气压压力： pb barometric pressure 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.3 1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 三、基本状态态参数 3、压压力 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 绝对真空 00 pe pb p p pv pb 当被测测系统压统压 力高于外界压压力时时，使用 压压力表测测量压压力，测测得的结结果叫表压压力 ，其值值是系统压统压 力与外界压压力的差。 当被测测系统压统压 力低于外界压压力时时，使用 真空计计测测量，测测得的结结果叫真空度，其 值值是外界压压力与系统压统压 力之差。 大气压压力的测测量用大气压压力计计，测测出的 是大气的绝对压绝对压 力。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 一、平衡状态态 1、定义义：如果在系统不受外界影响的条件下，系统的状态 能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。 2、系统处统处 于平衡状态态的条件 热热平衡 thermal equilibrium 力平衡 mechanical equilibrium 相平衡 phase equilibrium 化学平衡chemical equilibrium 3、经经典热热力学只研究平衡态态 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 实现平衡状态的必要条件： 内外一切势差0 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 一、平衡状态态 思考： 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 系统平衡与均匀平衡与稳定 平衡可不均匀稳定未必平衡 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 二、状态态方程式 1、状态态公理（state postulate）： 对对于组组成一定的物质质系统统，若存在着n个可逆功的作用， 则则决定该该系统统平衡态态的独立内参数为为n+1个。 即决定平衡态态的独立变变量数目等于系统统与外界交换换能量 的各种方式的总总和数。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 f系统统独立的状态态参数数； n系统统与外界交换换功形式数。 功量：n 热热量：1 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 二、状态态方程式 1、状态态公理（state postulate ）： 对对于简单简单 可压缩压缩 系统统？ 与外界可逆功交换换只有体积变积变 化功。 对对对对于和外界只有于和外界只有热热热热量和体量和体积变积变积变积变 化功（膨化功（膨胀胀胀胀功或功或压缩压缩压缩压缩 功）功） 的的简单简单简单简单 可可压缩压缩压缩压缩 系系统统统统，只需两个独立的参数（如，只需两个独立的参数（如p p、v v，p p、T T 或或v v、T T）便可确定它的便可确定它的平衡状平衡状态态态态。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1：1种可逆功的功量交换换 1：基于温差的热热量交换换 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 二、状态态方程式 2、状态态方程式（ state postulate ）： 基本状态态参数p，v，T之间间的关系式称为为状态态方程式。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.4 1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图 三、状态态参数坐标图标图 简单简单 可压缩压缩 系只有两个独立的状态态参数，故可以在平面 上以独立状态态参数为为坐标轴标轴 画坐标图标图 ，如： 坐标图标图 上的点与系统统的平衡状态态一一对应对应 。 非平衡态态不能用点在坐标图标图 上表示，因无确定的状态态参数 。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 p v p T T sh T p h 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 一、准平衡过过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 外在载载荷为为无数个质质量极小 的物体组组成。 全部加载载：系统统平衡。 撤去外在载载荷： a）一次全部撤走。 b）逐个撤走载载荷。 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 一、准平衡过过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 阀门 阀门阀门 关闭时闭时 ：系统统平衡 阀门阀门 打开时时： a）开度大，系统统内部不均匀 ，无统统一状态态参数。 b）开度极小，过过程极缓缓慢， 不均匀几乎不存在，短时间时间 内可以看作平衡状态态。 W=pdV 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 一、准平衡过过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process） 定义义：若过过程进进行得相对缓对缓 慢，工质质有足够够的时间时间 来恢 复平衡，随时时都不致显显著偏离平衡状态态，则这样则这样 的过过程叫准 平衡过过程。 实现实现 条件：不平衡势势p，T ，无穷穷小（趋趋近于0）； 过过程进进行得无限缓缓慢；工质质有恢复平衡的能力。 准静态过程可以在状态图上 用连续实线表示。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 pext F P 某一平衡状态态p1，v1，T1 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 1、耗散效应应 机械能 电电 能 磁 能 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 摩 擦 电电 阻 磁 阻 热热 能 热热 能 热热 能 有 序 能 通过过摩擦、电电阻、磁阻 转变为转变为 无序能现现象 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 2、可逆过过程 定义：过程使工质沿相同的路径逆行而恢复到原来状态 ，并使相互作用中所涉及的外界亦恢复到原来状态，而不留 下任何改变。 实现条件： 特点：系统与外界恒处于平衡状态，无限缓慢无任何的 不可逆耗散。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 可逆过程=准平衡过程+无耗散效应 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 p F f pb 非准静态过态过 程 (nonequilibrium process) 准静态过态过 程，不可逆 准静态过态过 程，可逆 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 2、可逆过过程 好处：可逆过程不必考虑外界参数，使问题简化。 可逆过程不会产生能量损失，可作为实际过程中比较的 标准和极限。 实际过程不可逆，可先按可逆分析计算，再进行修正。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 3、不可逆过过程（irreversible processes） 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 摩擦使过过程不可逆。 温差使过过程不可逆。 压压力差使过过程不可逆。 势势差使过过程不可逆。 1.5 1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 二、可逆过过程（reversible processes） 思考： 1、无耗散效应应(如摩擦、电电阻等)的准静态过态过 程是可逆过过程 可逆过过程 = 准平衡状态态 + 无耗散效应应 如何判定是否可逆？ 准平衡状态态着眼于系统统内部平衡，可逆着眼于系统统内 部及系统统与外界作用的总总效果。 2、一切实际过实际过 程均不可逆 3、内部可逆过过程；外部可逆过过程 4、可逆过过程可用状态态参数图图上的实线实线 表示 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 准平衡状态态：p、T、 耗散效应应：摩擦、电电阻、磁阻 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 一、功的热热力学定义义 1、在力学中，微元功 W微小功量 当物体在力F作用下由空间间某点1移动动到点2，则则力F所作 的总总功为为： 2、在热热力学中， 功是热热力系统统通过边过边 界而传递传递 的能量。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 如何理解？可逆过程的功 dx ppext 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 二、可逆过过程的功 功是热热力系统统通过边过边 界而 传递传递 的能量。 研究对对象：热热力系统统（工质质） 过过程可逆时时： 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 W=pdV F 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 二、可逆过过程的功 可逆过程的功，可由过程中工质状 态参数的变化来进行计算。 可逆过过程功在示功图图上为过为过 程线线1- 2与横坐标标v所围围的面积积 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 W=pdV F 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 二、可逆过过程的功 功是过过程量： 某一状态时态时 没有功的概念，因为为无dV。 p-V图图特点： 点：表示状态态，平衡状态态； 线线：表示过过程曲线线，实线实线 表示的是准平衡 状态态， 可逆过过程； 面积积：表示功，曲线线与V坐标标所围围面积积表示体积积功 ； 方向： 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 W=pdV F dV dV0 dV=0 dV0 定容W=0 压缩压缩 W0，表示吸热热 ； 熵熵减少ds0，表示放热热 。 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 五、进进一步理解功与热热量的本质质含义义 二者均为过程量，是传递的能量； 只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量； 功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志； 功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化 ； 热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转 化。 功 热 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 无条件 有条件和限度 1.6 1.6 过程功和热量过程功和热量 五、进进一步理解功与热热量的本质质含义义 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 p V W T S Q 示功图温熵图 1.6 1.6 过程功和热量过