基本概念及定义刘英光.ppt

1,第一章 基本概念及定义 Basic Concepts and Definition,1-1 热能和机械能相互转换过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态,1-5 工质的状态变化过程,1-6 功和热量,1-7 热力循环,2,1-1 热能和机械能相互转换的过程,热能动力装置： 从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。,热能动力装置分为两大类： 燃气动力装置（内燃机、燃气轮机） 蒸汽动力装置（蒸汽轮机）,热能,机械能,化学能,3,燃气动力装置：内燃机（汽油机）,工作物质：燃气,燃气 热能,机械能,燃料 化学能,排入大气,燃烧、膨胀 排气,吸气 压缩,工作过程：,能量转换：,4,蒸汽动力装置：汽轮机,5,不同点：构造和工作特性不同。 相同点： 存在某一种媒介物质以获得能量； （如内燃机中混合气，蒸汽机中的水） 存在能提供热能的能量源； 余下的热能排向环境介质。,结论： 各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。,两种热机比较,6,名词定义：,工质： 实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 热源（高温热源） ： 工质从中吸取热能的物系。 冷源（低温热源） ： 接受工质排出热能的物系。,7,工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。,热能动力装置的工作过程可概括成：,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,8,1 系统与边界 热力系统（ Thermodynamics system ）人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统，简称热力系。 外界： （surroundings） 热力系统以外的部分 边界： （boundary） 系统与外界之间的分界面,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,12 热力系统,9,热力系的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,10,热力系边界特性,真实、虚构,固定、活动,边界可以是实在的，可以是假想的；可以是固定的，可以是移动的,real 、 imaginary,fixed 、 movable,11,热力系统的分类：,根据系统与外界物质交换的情况,开口系统（Open system） ：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积(Control volume),闭口系统（ Closed system ）：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量（Control mass）, 开口系统和闭口系统都可能与外界发生能量（功和热）传递。,12,绝热系统（Adiabatic system） ：系统与外界无热量交换,孤立系统（Isolated system）：系统与外界既无能量交换，也无物质交换,根据系统与外界热量和能量交换的情况, 绝对的绝热系和孤立系实际上不存在，是两种理想模型。某段时间内与外界传热量很少，对于系统的能量传递和能量转换所起的作用可忽略，就可看成绝热系；研究对象连同它直接相关的外界所有物体一起取做新的热力系，就是一个孤立系。,13,以图表形式总结,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,14,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,15,简单可压缩系统（Simple compressible system）,最重要的系统：只交换热量和一种准静态的容积变化功,特点： 1、由可压缩物质组成 2、无化学反应 3、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。,16,1-3 热力状态及状态参数,状态（State）：某瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数（State properties）：描述热力状态的物理量,状态参数的特征：,1.状态参数是状态的函数，状态确定时，状态参数有唯一确定的值。,2.工质状态变化时，状态参数的变化值仅与初、终状态相关，而与状态变化的途径无关。 状态参数的积分特征,3、状态参数的微分特征：全微分,17,状态参数的积分特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,点函数、态函数,a,b,18,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,19,状态参数分类 强度量(intensive property ): 与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。 广延量(extensive property): 与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。,又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积,工程热力学约定用大写字母表示广延量，小写字母表示单位质量参数。, relixue123,20,基本状态参数（Basic state properties）,基本状态参数：可以直接或间接地用仪表测量的状态参数（方便测量）。,温度（T） 压力（P） 比体积（v）或密度（）,21,(一)、压力 1.压力：单位面积上所承受的垂直作用力，对于气体，实质上是气体分子运动撞击容器壁面，在单位面积的容器壁面上所呈现的平均作用力。 以 表示,注意：,物理学： 压强 压力 工程： 压力 总压,对应,绝对压力,22,1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,SI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa1N/m2,常用压力单位有：巴（bar），标准大气压（atm），工程大气压（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）,换算关系,常用压力单位（Units）,23,相对压力与绝对压力,测压原理：测压仪表利用力平衡原理测量气体的压力。,压力计指示的压力是气体绝对压力（absolute pressure）与外界大气压力的差值，称为相对压力（ relative pressure ）,注意：只有绝对压力 p 才是状态参数,24,表压力与真空度,pb,pe,p,pv,p,表压力（Gage pressure）：气体绝对压力大于外界大气压力时，相对压力为正压，又称表压力。 真空度（Vacuum pressure）：气体绝对压力小于外界大气压力时，相对压力为负压，又称真空度。,ppb时，p=pbpe ppb时，p=pbpv,25,基本状态参数温度（temperature）,温度的一般解释：冷热程度的度量。,温度的微观概念：大量分子热运动的强烈程度。,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量即为温度。,温度的热力学定义：,是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。,平均平动动能,温度,比例常数,26,热力学第零定律,热力学第零定律（The Zeroth Law of Thermodynamics） 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础,热平衡（Thermal equilibrium） 在没有外来影响的情况下，两物体相互作用最终达到相同的冷热状况。,27,温标（Temperature scale）,温标：温度的数值标尺。需规定基本定点和每一度的数值。,热力学温标（Kelvin scale）：以绝对零度为起点，纯水三相点温度为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16。,摄氏温标（Celsius scale）： 1标准大气压下冰熔点温度为0，沸点温度为100。,华氏温标（Fahrenheit scale）：将冰与盐混和后，所能达到的最低温度订为0，而概略的将人体温度定为100。,朗肯温标（Rankine scale）：以绝对零度为起点的华氏温标,温标三要素,基准点,测温物质的性质,分度方法,28,温标之间的换算,29,(三)、比体积 比体积：单位质量的物质所占有的体积，用v表示。,式中 V体积 ； m质量。 比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。,比体积大,物质内部分子间的距离大,比体积的倒数为密度，用 表示,30,1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,1-4 平衡状态,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 化学反应 化学不平衡势,2、平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间不存在不平衡势,31,3、平衡与稳定的比较,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,32,4、平衡与均匀的比较,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,33,33,3.说明：,热力学主要研究均匀平衡状态。 在无外界作用下，不平衡状态的热力系总会自发地趋向平衡状态； 在外界不平衡势的作用下，系统的平衡状态将会被破坏；,34,1、状态公理,针对纯物质无化学反应的系统,状态方程,N=n+1,系统独立状参个数,功的形式数,热,组元一定的闭口系,独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,简单可压缩系统：N = n + 1 =,2,36,2、状态方程,温度、压力和比体积这三个基本状态参数之间的函数关系是最基本的热力学函数关系，称为状态方程,状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、v、T之间的关系 状态方程式的具体形式取决于工质的性质,37,3、状态参数坐标图,简单可压缩系 N=2，平面坐标图,p,v,系统任何平衡态可表示在坐标图上,说明：,过程线中任意一点为平衡态,不平衡态无法在图上用实线表示,常见p-v图,2,1,38,1-5 热力过程,热力过程：工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡 状态所经历的全部状态的总和。,1.准静态过程：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。,p，T,p0,v,39,准静态过程的特点： 由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准静态过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准静态过程。,p,1,2,.,.,.,40,为何引入准静态过程和可逆过程概念,实际热力过程 1.在势差的作用下进行的，存在非平衡损失和耗散损失，且难以定量计算。 2.系统内部状态偏离平衡状态，偏离程度与势差大小相关,如不对实际热力过程进行简化和近似处理，则难以对实际热力过程进行定量分析和研究。,实际过程,准静态过程,可逆过程,理想化,41,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,42,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,43,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,破坏平衡所需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,44,二、可逆（ reversible ）过程,定义：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。,A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings. That is, both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.,可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。,45,可逆过程的实现,通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等）,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,耗散效应,irreversibility,Dissipative effect,46,常见不可逆过程,不等温传热 Heat transfer,节流过程(阀门）,47,常见不可逆过程,混合过程 Mixing process,自由膨胀 Unrestrained expansion,48,引入可逆过程的意义, 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。, 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。, 实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。,49,16 功和热量,功的力学定义：,功是力和力方向上位移的乘积。,功的热力学定义：,功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物,50,功的正负,热力学中约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。,功的单位,焦耳（J）,比功与功率,比功：单位质量物质所作的功， 单位：J/kg,功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）,51,二、可逆过程的功,设有质量为m的气体在气缸中进行可逆膨胀，如图过程线12。过程中所作的膨胀功为：,如果工质为1kg，所作的功为：,可逆过程的功的计算,52,功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量。 微元过程作出过程量用表示，如微功量用w（状态参数为微增量，用d表示，如dp 、 dv 、 dT） 膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。,有关功的说明,53,1kg 某种气态工质，从初态1可逆膨胀到达终态2的过程中分别遵循：,（2）,求：两过程中各作功多少（a、b、c为常数）,解：,（1）,（2）,（1）,可用面积1A2MN1表示,可用面积1B2MN1表示,功与初、终态及中间过程有关！,54,有用功,系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力作用，余下的才是可被利用的功，称为有用功,（有用功膨胀功排斥大气功耗散功）,其中排斥大气功：,对于可逆过