工程热力学第一篇.ppt

第一篇第一篇 工程热力学工程热力学 （Engineering Thermodynamics） 第一章第一章 基本概念基本概念 1-1 热力系统 1-2 平衡状态及状态参数 1-3 状态方程与状态参数坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 功量和热量 1-6 热力循环 1-1 1-1 热力系统热力系统 热力学中常把研究的对象从周围物体中分割出来，研 究它与周围物体之间的能量和物质的传递。这种人为的分 割出来的研究对象称为热力系统热力系统，简称热力系热力系或系统系统。 外界外界（surrounding） 边界边界（boundary） 热力系统热力系统（thermodynamic system） 热力系以外与之相互作用的周围物体统称为外界外界或环境环境 。 为了避免把热力系和外界混淆起来，设想有分界面将 它们分开，这个分界面称为边界边界。 边界可以是真实的真实的，也可以是假想的假想的；可以是固定的固定的 ，也可以是运动的运动的。热力系的边界常用虚线表示。 举例说明举例说明 热力系统分类热力系统分类 根据热力系与外界之间的能量和物质交换情况，热 力系可分为： （1 1）闭口系（闭口系（closed systemclosed system） 与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定， 也称为控制质量（control mass，简写为CM）。 （2 2）开口系（开口系（open systemopen system） 与外界有物质交换的系统。通常总是取一相对固定 空间，把研究对象限制在这一空间范围内，也称为控制 容积（control volume简写为CV）。 注意：注意： 1）闭口系与开口系都可能通过边界与外界发生能量的传递 。 2）区分闭口系和开口系的关键是有没有物质越过了边界， 并不是系统内物质的质量是不是发生了变化。 进口 出口 （3 3）绝热系（绝热系（adiabatic systemadiabatic system） 与外界无热量交换的系统。 （4 4）孤立系（孤立系（isolated systemisolated system） 外界既无能量交换又无质量交换的系统。 闭口系绝热系开口系绝热系 Q0 A、B两部落“鸡、犬之 声相闻，民至老死不相 往来” A B A部落为系统 A+B部落为系统 孤立系 闭口系 注意：注意： 1）绝热系与孤立系都是抽象的概念 ，是完全理想化了的情况。 2）选取何类热力系对研究问题的结 果并无影响，仅与解决问题的繁复 程度有关。 3）在作热力学分析时，不仅要考虑 热力系内部的变化，同时还要考虑 热力系通过边界与外界发生的能量 与物质的交换，至于外界的变化则 不必研究。 热热机（heat-engine）： 凡能将热热能转换为转换为 机械能的机器统统称为热为热 机。如蒸汽 机、蒸汽轮轮机、燃气轮轮机、内燃机、喷喷气发动发动 机等等，或 称热热能动动力装置。 热热源（heat source）： 与热热力系有热热量交换换的物质质系统统的统统称。 高温热热源热热源 恒温热热源 低温热热源冷源 变变温热热源 简单简单 可压缩压缩 系（simple compressible system）： 热热力系由可压缩压缩 流体构成，与外界只有可逆体积变积变 化 功（可逆过过程的膨胀胀功或压缩压缩 功）的交换换的系统统。 工质质（working substance）： 实现实现 能量相互转换转换 的媒介物称为为工质质。 介绍几个常用概念介绍几个常用概念 1-2 1-2 平衡状态及基本状态参数平衡状态及基本状态参数 1. 1. 平衡状态平衡状态（equilibrium stateequilibrium state） （1 1）热力状态）热力状态 系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为 系统的热力状态，简称状态。 （2 2）平衡状态）平衡状态 在没有外界影响的条件下（重力场影响除外 ），热力系的宏观性质不随时间而变化的状态。 处于平衡状态的热力系，必须同时具备热平 衡和力平衡，对于有化学反应的系统同时还应具 备化学平衡。 热平衡热平衡 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处 温度相等。 温差是驱动热传递驱动热传递 的不平衡势势差，温差的消失则则是 系统统建立热热平衡的必要条件。 力平衡力平衡 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处 压力相等。 力差也是驱驱使系统统状态变态变 化的一种不平衡势势差，力 差的消失是使系统统建立起力平衡的必要条件。 对于有化学反应的系统，化学势差的消失才能建立起化化 学平衡学平衡。 建立平衡状态的充要条件建立平衡状态的充要条件：系统内部或者系统与外界之间系统内部或者系统与外界之间 各种不平衡势差的消失各种不平衡势差的消失。 2. 2. 状态参数状态参数（parameter of stateparameter of state） 用来描述系统状态的宏观物理量称为状态参 数。常用的状态参数有6个，即压力（p）、温度 （T）、比体积（v）、热力学能（U）、焓（H ）和熵（S）。 状态参数状态参数 强度参数:与系统统内所含工质质的数量无关 的 状态态参数，如 p、T 等。不具 有 可加性。 广延参数:与系统统内所含工质质的数量有关的 状态态参数。如 V、U、H、S 等 。 具有可加性。单单位质质量的广延参 数，具有强度参数的性质质，称为为 比参数，如 v、h、u、s 等。 状态参数的特点状态参数的特点 状态参数是状态的单值函数，热力系的状态一定，其状 态参数的数值也一定。系统状态变化时，初、终状态参数的 变化值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的路径无关。 当系统经历一系列状态变化而又回复到初态，其状态参 数的变化为零。 如果能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一 定是状态参数。 处于平衡状态平衡状态的热力系，状态参状态参 数具有确定的数值数具有确定的数值。而非平衡状态的 热力系其状态参数是不确定的。 工程热力学通常只研究平衡状态 ，它是经典热力学理论框架得以建立 的重要基础。 3. 3. 基本状态参数基本状态参数 压压力（p）、温度（T）、比体积积（v）可以直接 或间间接地用仪仪表测测量出来，称为为基本状态态参数。 （1 1）压力）压力（pressurepressure） 单位面积上所受到的垂直作用力（压强）单位面积上所受到的垂直作用力（压强） 。 P为为工质质的真实压实压 力，即绝对压绝对压绝对压绝对压 力。力。 根据分子热热运动动学说说，气体的压压力是大量气体 分子运动动撞击击容器壁面所产产生的平均结结果。 力 面积 16 常用非常用非SISI压力单位：压力单位： 国际单位制国际单位制 : : Pa Pa （帕），（帕），1 1 Pa = Pa =1 1 N/ m N/ m 2 2 1 1 MPaMPa = = 1010 3 3 kPakPa = =1010 6 6 Pa Pa 1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa 1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa 1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa 压力测量压力测量： 只有绝对压力只有绝对压力 p p 才是状态参数。才是状态参数。 绝对压力 p 表压力 pe（pg） 真空度 pv 当地大气压 pb 负压 正压 18 （2 2）温度）温度（temperaturetemperature） 温度是反映物体冷热程度的物理量。温度 的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。 当两个温度不同的物体相互接触时，它们 之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响 ，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将 达到热平衡热平衡（即温度相等）。所以温度是热平 衡的判据 。 1 1）温度的物理意义）温度的物理意义 温度相等温度相等 热平衡热平衡 2 2）热力学第零定律）热力学第零定律 如果两个物体中的每 一个都分别与第三个物体 处于热平衡，则这两个物 体彼此也必处于热平衡。 热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据 。 A A B B C 3 3）温标）温标 温度的数值表示法。 国际单位制（SI）采用热力学温标作为 基本温标。 用热力学温标确定的温度称为热力学温度 热力学温度，用符 号T 表示，单位为 K（开）。 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）: : 热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温 度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的 1/273.16。 摄氏温标摄氏温标: : 用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度摄氏温度，用符号t 表示，单位为（摄氏度）。 摄氏温度的定义式为： 摄氏温度的零点相当于热力学温度的273.15K，1 =1K （3 3）比体积）比体积（specific volumespecific volume） 定义：定义： 单位质量的工质所占有的体积，用符号 v表示，单位为 m3/kg 。 密度：密度：单位体积的工质所具有的质量，用符号 表示，单位为 kg/ m3 。 比体积和密度不是两个互相独立的状态参数。通 常以比体积作为状态参数 。 1-31-3 状态方程与状态参数坐标图状态方程与状态参数坐标图 （1 1）状态公理）状态公理 对于简单可压缩系统，只需给出两个相 互独立独立状态的参数（如 p、T）便可确定它的 平衡状态。 （2 2）状态方程式）状态方程式 表示基本状态参数之间关系的方程式称 为状态方程式状态方程式 。如： （3 3）状态参数坐标图）状态参数坐标图 在以两个独立状态参数为坐标的平面坐 标图上，每一点都代表一个平衡状态，而非 平衡状态无法在图上表示。 以独立状态参数为坐标的坐标图。 1-41-4 准平衡过程和可逆过程准平衡过程和可逆过程 （1 1）热力过程）热力过程 热力系从一个状态变化到另一个状态所经历 的全部状态称为热力过程热力过程，简称过程过程。 P PbP P Pb P = P+ PbP = PbPPb （2 2）准平衡过程）准平衡过程（quasi-equilibrium processquasi-equilibrium process） 由一系列非常接近平衡状态态的状态态所组组成的 过过程就称为为准平衡过过程，也称为为准静态过态过 程（ quasi-static process）。 准平衡过程的实现条件是：破坏平衡状态存在的不平准平衡过程的实现条件是：破坏平衡状态存在的不平 衡势差（除力差外，还包括温差、化学势差等）应无限小衡势差（除力差外，还包括温差、化学势差等）应无限小 。 准平衡过程是实际过程的理想化，是实际过程进行得 非常缓慢的一个极限。实际设备中所进行的过程都是在有 限势差作用下进行的，都是非平衡过程。但在热力学中， 为便于分析，常把实际过程当作准平衡过程来处理。这是 因为系统在平衡状态被破坏后自动恢复平衡所需的时间， 即所谓弛豫时间非常短，而过程进行的时间远大于弛豫时 间，系统一旦偏离平衡状态，系统很快重新恢复平衡状态 。因此，将某些实际设备中进行的过程视为准平衡过程是 可以被允许的。如果在某些情况下这样的处理会带来较大 的误差时，应引入考虑不平衡影响而进行的修正。 在状态参数坐标 图上，准平衡过程 可以用连续的实线 表示。 p v 1 2 （3 3）可逆过程（可逆过程（reversible processreversible process） 当系统完成了某一过程之后，如果系统能沿当系统完成了某一过程之后，如果系统能沿 原路径逆行而回复到原来状态，同时外界也随之原路径逆行而回复到原来状态，同时外界也随之 回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过 程称为可逆过程。程称为可逆过程。 可逆过程的特征是：可逆过程的特征是： 1）准平衡准平衡过过过过程程，因为为在有限势势差作用下进 进行的 非平衡过过程必然导导致不可逆。 2）在可逆过过程中不应应有任何诸诸如摩擦、电电阻、 磁阻等的耗散效耗散效应应应应（通过过摩擦、电电阻、磁阻等使 功变为热变为热 的效应应称为为耗散效耗散效应应应应，由此造成可用 功的损损失称为为耗散耗散损损损损失失）。 实现可逆过程的的充要条件实现可逆过程的的充要条件，一是过程没有势差过程没有势差 （或势差无限小）（或势差无限小）如传热没有温差，作膨胀功没 有力差等，二是过程没有耗散效应过程没有耗散效应，如机械运动 没有摩擦，导电没有电阻等。也可以说，只有准只有准 平衡过程且过程中无任何耗散效应的过程才是可平衡过程且过程中无任何耗散效应的过程才是可 逆过程逆过程。 准平衡过程与可逆过程准平衡过程与可逆过程的的联系联系与与区别区别： 1）两个过过程都是由一系列平衡状态态所组组成，在 状态态参数坐标图标图 上都能用一条连续连续 的曲线线来表 示。2）有无耗散损损失 可逆过程是一切实际过程的理想化极限，实 际上是不可能实现的。引入可逆过程是一种研究 方法。 可逆过程一定是准平衡过程，但准平衡过程 则不一定是可逆过程。 引入可逆过程的概念对分析实际过程有何意义引入可逆过程的概念对分析实际过程有何意义？ 实际过程都或多或少地存在着各种不可逆因素 ，都是不可逆的。在对不可逆过程进行分析计算时 往往是相当困难的，为了简便起见，通常把实际过 程当作可逆过程来进行分析计算，然后再用一些 经验系数加以修正。另外，可逆过程是一切实际过 程的理想化极限模型，可逆过程进行的结果不会产 生任何能量损失，因而可以作为实际过程中能量转 换效果比较的标准和极限。 1-5 1-5 功量与热量功量与热量 1. 1. 功功量量（workwork） 功的力学定功的力学定义义义义：力与沿力作用方向力与沿力作用方向产产产产生位移的乘生位移的乘积积积积 。 功的热力学定义：功的热力学定义：热力系与外界间通过边界而传递热力系与外界间通过边界而传递 的能量，且其全部效果可表现为的能量，且其全部效果可表现为 举起重物。举起重物。 功是与过程性质有关的过程量过程量。功不是状态参数 。 国国际单际单际单际单 位制位制：J J（焦耳）或（焦耳）或 kJkJ（千焦）（千焦） 比功比功：单位质量的物质所作的功。 单单位：J/kg J/kg 或或 kJ/kg kJ/kg 。 功率功率：单单位时间时间 内完成的功。 单单位：WW（瓦）（瓦）或或 kWkW （千千瓦）瓦） 。 1 1W=W=1 1J/sJ/s，1 1kW=kW=1 1kJ/s=kJ/s=1010 3 3 WW 热力学中规定热力学中规定：系统对外界作功取为正值， 外界对系统作功取为负值。 1 1J=J=1 1NmNm，1 1kJ=kJ=1010 3 3 J J 体体积积积积功（膨功（膨胀胀胀胀功或功或压缩压缩压缩压缩 功）功） 工质通过体积变化（膨胀或压缩）所做的功。 讨论可逆过程的体积功讨论可逆过程的体积功 对于微元可逆过程 对于可逆过程12 若工质质量为mkg 1kg 膨胀：膨胀：d dv v 0 , 0 , w w 0 0 压缩：压缩：d dv v 0 0 系统放热：系统放热：q q 0 0 热量和功量都是系统与外界在相互作用的过 程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量 。 在可逆过程中，系统与外界交换的热量在可逆过程中，系统与外界交换的热量 与功量的计算公式具有相同的形式。与功量的计算公式具有相同的形式。 功量：功量：热量：热量： s s 称为称为比熵比熵。比熵比熵同同比体积比体积 v v 一样是工质的状一样是工质的状 态参数。态参数。 比熵比熵的定义式：的定义式： （可逆过程）（可逆过程） 比熵比熵的单位为的单位为J/ (J/ (kgKkgK) ) 或或 kJ/ (kJ/ (kgKkgK) ) 。 对于质量为 m的工质 S S为质量为为质量为 mm 的工质的熵，单位是的工质的熵，单位是 J/KJ/K。 根据熵的变化判断一个可逆过程中系统根据熵的变化判断一个可逆过程中系统 与外界之间热量交换的方向：与外界之间热量交换的方向： 系统吸热；系统吸热； ， ， 系统放热；系统放热； ， ， 系统绝热，系统绝热，定熵过程定熵过程。 ， ， （2 2）示热图（示热图（T T- -s s图）图） 在可逆过程中在可逆过