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第一章 基本概念和定义,1.1 热能与机械能的转换,1.2 状态和状态参数,1.3 基本状态参数,1.4 状态方程,1.5 热力学能、焓和熵,1.6 可逆过程,1.7 功和热量,1.8 循 环,1,1.1.1 热能动力装置,从燃料燃烧中获得热能并 利用热能得到动力的整套设备。,分类,共同本质：由媒介物通过吸热膨胀作功排热才能源源 不断将热能转换为机械能,气体动力装置 内燃机 燃气轮机装置 喷气发动机 蒸气动力装置,1.1 热能和机械能的转换,热机工作过程示意图,2,1.1.2 工质,实现热能和机械能相互转化的媒介物质。,对 工 质 的 要 求,物质三态中 气态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,1.1.3 热源,工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。, 高温热源热源 低温热源冷源 恒温热源 变温热源,3,4,1.2 状态和状态参数, 系统,人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。, 外界,与体系发生质、能交换的物系。, 边界,系统与外界的分界面（线）。,1.2.1 热力系统(系统、体系)和外界,1）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质的关系 3）边界可以是： a.刚性的或可变形的或有弹性的 b.固定的或可移动的 c.实际的或虚拟的,注意：,5, 汽缸-活塞装置（移动和固定边界）,6, 移动和虚构边界,虚构边界,7,闭口系（控制质量CM） 没有质量越过边界,开口系（控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换,1. 按系统与外界质量交换,1.2.2 热力系分类,8,1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。,注意：,3. 按组成物质性质 简单可压缩系由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化 功的有限物质系统。,绝热系 与外界无热量交换; 孤立系 与外界无任何形式的质能交换。,2. 按能量交换,9,4. 热力系示例, 刚性绝热气缸-活塞系统，一侧设有电热丝。,红线内 闭口绝热系,黄线内（不包含电热丝） 闭口系,绿线内（包含电热丝） 闭口绝热系,兰线内 孤立系,10, 刚性绝热喷管,取喷管为系统,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,11,1.2.3 平衡状态和状态参数,热力学状态 系统宏观物理状况的综合。 状态参数处于平衡状态的每个宏观物理量。,1. 热力学状态,无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态,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。,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。,热力平衡的充要条件系统同时达到热平衡和力平衡。,2.平衡状态,12,讨论：,1）系统平衡与均匀,2）平衡与稳定, 平衡可不均匀, 稳定未必平衡,局部平衡假设把处在不平衡状态的体系，分割成许多 宏观上“小”的部分（在微观上仍包含有大量的粒子） ， 假设 每小部分各自近似地处于平衡状态。每一子体系可用状态参数 描述。,3. 局部平衡状态,13,2) 状态的单值函数。 物理上与过程无关；数学上其微量是全微分。,3) 状态参数分类 广延量；强度量,又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积,工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。,1) 状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如,4. 状态参数的特性和分类,4）处在局部平衡状态的体系，其热力学能等广延参数，可将 各部份数值相加，得整个体系的值；而温度和压力等强度参数， 可以看作连续分布，形成所谓的“场”，如温度场的概念。,14,5. 系统状态相同的充分必要条件,系统两个状态相同的充要条件： 所有状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的状态参数对应相等,6. 状态参数坐标图,简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,15,1.3.1 温度和温标,温度的概念 温度是物质的属性，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，若没有其它物体影响，这两个物 体的温度将趋于一致，最终将达到温度相等（热平衡）。 温度是热平衡的判据 。,1.3 基本状态参数,测温的基础热力学零定律,如果两个物体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 。,16,温标温度的数值表示法。,建立温标的三个要素：,a . 选择温度的固定点，规定其数值； b. 确定温度标尺的分度方法和单位； c. 选择某随温度变化的物性作为温度测量的 依据。,热力学温标和国际摄氏温标,用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T 表示，单位为 K（开）。,热力学温标（绝对温标）:,英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。,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。,17,摄氏温标:,标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ，纯水的沸点温度为100 ，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01 。,瑞典人摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t 表示，单位为 。,选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0 100 温度下的体积差均分成100份，每份对应1 。,热力学温标与摄氏温标的关系：,1 K = 1 ,t = T 273.15 K,18,华氏温标和朗肯温标,华氏温标和摄氏温标,附：,T R=t +459.67,t =5/9t -32 t =9/5t +32,AA4001442,19,1.3.2 压力,绝对压力 p; 表压力 pe（pg）; 真空度 pv ;,当地大气压pb ;,20,常用压力单位：,AA4001443,21,1.3.3 比体积和密度,比体积,单位质量工质的体积,密度,单位体积工质的质量,两者关系:,22,1.4 状态方程,分子为不占体积的弹性质点,除碰撞外分子间无作用力,理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。,1.4.1 理想气体的状态方程,1. 理想气体的基本假设,温度T、压力p和比体积v三个基本状态参数之间的关系式,Pa,m3,kg,气体常数,单位为J/(kgK),K,R =MRg= 8.314 5 J/(molK),2. 理想气体的状态方程,A411133,A4111332,23,*1.4.2 实际气体的状态方程式,a,b范德瓦尔常数，物性常数,内压力,气态物质较小； 液态，如水20时,1.05108Pa,分子自由活动的空间,1. 范德瓦尔方程,范氏方程： 1）定性反映气体p-v-T关系； 2）远离液态时即使压力较高，计算值与实验值误差较小。如N2常温下100 MPa时无显著误差。在接近液态时，误差较大，如CO2常温下5 MPa时误差约4%，100 MPa时误差35%； 3）巨大理论意义。,24,范德瓦尔常数a，b求法： 1）利用p、v、T 实测数据拟合; 2）利用通过临界点 cr 的等温线性质求取:,临界点p、v、T值满足范氏方程,25,临界参数及a、b值,特点： 1）用统计力学方法能导出维里系数； 2）维里系数有明确物理意义；如第二维里系数表示二个分子间相互作用； 3）有很大适用性，或取不同项数，可满足不同精度要求。,第二维里系数,第三维里系数,第四维里系数,2. 维里方程,理想气体,实际气体,压缩因子,氨压缩因子图,压缩因子的物理意义,气体的体积与将其作为理想气体的体积比,1) 压缩因子和压缩因子图,3. 压缩因子和通用压缩因子图,压缩因子是状态的函数,2) 通用压缩因子图,若取Zcr为常数，则Z = f2( pr,Tr )，即可利用已知数据构作通用 压缩因子图,对应态原理,对比参数,对大量流体研究表明，虽然相同的p，T 下，不同气体的v不同, 但相同的pr，Tr下，不同气体的vr 相同，即 各种气体在对应状态下有相同的比体积对应态原理 f (pr,Tr,vr)=0 对应态原理大致是正确的。,1.5 热力学能、焓和熵,1.5.1 热力学能和总能,Uch Unu Uth,Uk,平移动能 转动动能 振动动能,Up,总（储存）能,总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,1热力学能,热力学能是状态参数,热力学能单位,工程中关心,宏观动能与内动能的区别,1.5.2 焓,1. 推动功和流动功,推动功：系统引进或排除工质传递的功量。,p,v,p1,v1,1,o,流动功：系统维持流动 所花费的代价。,推动功在p-v图上：,定义：H = U + pV h = u + pv 单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg） 焓是状态参数。 物理意义： 引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。,1.5.3 熵,1. 定义,2. 熵是状态参数,2焓,熵的微观意义,33,1.6.1 准静态（准平衡）过程,定义：偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程。,进行条件： 破坏平衡的势,过程进行无限缓慢 工质有恢复平衡的能力,准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示,无穷小,能量的转化通过工质的状态变化过程完成，过程是指系统 从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。,1.6 可逆过程,34,1.6.2 可逆过程,定义：系统可经原途径返回原来状 态而在外界不留下任何变化 的过程。,可逆过程与准静态过程的关系,非准静态 不可逆 准静态 可逆,单纯传热过程,35,非准静态过程，不可逆,准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,作功过程,p,F,f,pb,（1）可逆=准静态+没有耗散效应 （2）一切实际过程不可逆 （3）可逆过程可用状态参数图上实线表示,讨论：,1.7.1 功和可逆过程的功,1功的力学定义,2功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部 效果可表现为举起重物。,3可逆过程功的计算,功是过程量,功可以用p-v图上过程线 与v轴包围的面积表示,1.7 功和热量,系统对外作功为“+” 外界对系统作功为“-”,5功和功率的单位：,附：,4功的符号约定：,膨胀：dv 0 , w 0,压缩：dv 0 , w 0,6讨论,有用功概念,其中: W膨胀功； Wl摩擦耗功； Wp排斥大气功。,pb,f,A7001331,A7001332,用外部参数计算不可逆过程的功,?,1.7.2 热量,1定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。,2符号约定：系统吸热“+”； 放热“-”,3单位：,4计算式及状态参数图,热量是过程量,（T-s图上）表示,系统吸热；,系统放热。,绝热，定熵过程。,1.7.3 热量与功的异同：,1.均为通过边界传递的能量；,3.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，比熵变化是传热的标志；,4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。,功,2.均为过程量；,热是无条件的；,热,功是有条件、限度的。,41,1.8.1 热力循环,1) 定义：封闭的热力过程 特性：一切状态参数恢复原值，即,2) 可逆循环与不可逆循环,3) 动力循环（正向循环）,输出净功； 在pv图及Ts图上顺时针进行； 膨胀线在压缩线上方； 吸热线在放热线上方。,1.8 热 力