《基本概念及定义》PPT课件.ppt

基本概念及定义,工 程 热 力 学,第 一 章,张文慧,目 录,1.1 热力系统 1.2 状态和状态数 1.3 强度参数和广延参数 1.4 平衡态 1.5 状态方程和坐标图 1.6 准静态过程、可逆过程 1.7 功 1.8 热量与熵 1.9 循环,定义：由某种边界包围，被取作研究对象的特定的物质或空间（人为的） 分类：闭口系统（与外界无物质交换） 开口系统（与外界有物质交换） 绝热系统（与外界无热量交换） 简单可压缩系统（与外界交换只有体积变化功）,1.1热力系统,1 开口系,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,定义：外界：系统以外所有的物（ surroundings ） 边界：系统与外界的分界面（ boundary ）,外界与边界,系统与外界的作用都通过边界,边界特性,真实、虚构,固定、活动,1.2状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关,3、状态参数的微分特征：全微分,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,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,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,1.3强度参数与广延参数,强度参数： 与物质的量无关的参数，如压力p、温度T,广延参数： 与物质的量有关的参数可加性，如 质量m、容积 V、 内能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg 、/kmol 具有强度参数的性质,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p ( pressure ) 物理中压强，单位: Pa ，N/m2,常用单位Units： 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,压力p测量,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,2、温度 T,传统：冷热程度的度量。,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气,2) 0.5mw 2总0, T 0, 1951年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度,3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 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 B 温度计,温度是确定一个系统是否与其 它系统处于热平衡的物理量,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温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,3、比容 v,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度density ,kg/m3,1.4平衡态,定义：在不受外界影响下（重力场除外），热力系统客观性质不随时间改变的状态 实现条件：力平衡（无压差P0） 热平衡（无温差T0）,平衡Equilibrium与稳定Steady,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡Equilibrium与均匀Even,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,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述？,1.5状态方程、坐标图,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,状态公理,闭口系：,而不平衡势差彼此独立, 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,简单可压缩系统的独立变量数,简单可压缩系统：N = n + 1 =,2,只交换热量和一种准静态的容积变化功,压缩功、膨胀功,状态方程,简单可压缩系统：N = 2,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间的关系,例：R134a的维里型状态方程,座标图,简单可压缩系统 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可表示在坐 标图上,2）过程线中任意一点为平衡态,3）不平衡态无法在图上用实线 表示,2,1,回顾,1.1 热力系统 1.2 状态和状态数 1.3 强度参数和广延参数 1.4 平衡态 1.5 状态方程和坐标图,1.6准静态过程、可逆过程,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,一般过程 Process,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,准静态过程Quasi-static process,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,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？,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,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,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA = p外A +f,A,如果 p外微小，,可视为准静态过程,dl,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W = pA dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,1,上式仅适用于准静态过程,示功图 (p-V图),p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,p,V,.,1,2,.,2） p-V 图上用面积表示,3）功的大小与路径有关， 过程量,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 外内作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,7）有无f，只影响外界得到功的大小,说明,摩擦损失的影响,若有f 存在，就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失的影响,若 f 0,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,可逆过程,可逆过程定义：当系统完成某一过程后，如能使过程逆行，而使系统和外界回复原始状态，不遗留任何变化。 实现可逆过程的条件：无耗散效应的准静态过程是可逆过程实现的充要条件。,可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的膨胀功：W=pdV 可逆过程的热量传递：Q=TdS,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,不平衡势差无限小,通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,耗散效应,Heat transfer,常见的不可逆过程,1.不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,2.节流过程 (阀门）,p1,p2,p1p2,Throttler,4.混合过程,3.自由膨胀,真空,Unrestrained expansion,Mixing process,完全可逆、内可逆与外可逆,完全可逆 可逆 内部可逆，外部不可逆,常见,90 ,0 ,例：,内可逆 外不可逆,外部可逆，内部不可逆,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。,判断下列过程是否是可逆过程？,1.对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发 2.对刚性容器内的水做功，使其在恒温下蒸发 3.对刚性容器内的空气缓慢加热，使其从50度升高至150度,1.7功量Work,1、力学定义: 力在力方向上的位移,2、热力学定义,热力学定义II,功的力学定义,力 在力方向上的位移,功的热力学定义I,当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,功的热力学定义II,功是系统与外界相互作用的一种方式，(在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量)是热力学系统通过边界与外界传递的能量。,Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work.,功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功 容积变化功,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,灵活处理功的计算,充气球,若准静态过程,若取进入气球的气体为系统,但pV的关系不知 ？,若看外部效果，pb不变,外界得到功pbV=气体作功,1.8 热量与熵,热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,热量是否可以用类似于功的式子表示？,？,引入“熵”,热量与容积变化功,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,熵（ Entropy）的定义：,比参数 kJ/kg.K,ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商,广延量 kJ/K,reversible,熵的说明,1、熵是状态参数,3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向,2、符号规定,系统吸热时为正 Q 0 dS 0 系统放热时为负 Q 0 dS 0,4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量,P-V图与T-S图,p,V,W,T,S,Q,P-V图,T-S图,4.9循环,定义：工质经若干过程后又回到原来的状态，此一系列过程称为热力循环，简称循环。 分类：正循环状态图上沿顺时针方向进行，消耗热，获得功； 逆循环状态图上沿逆时针方向进行，消耗功，获得热； 可逆循环由一系列可逆过程组成的循环； 不可逆循环含有不可逆过程的循环。,正循环,p,2,1,V,循环的经济性指标： 热效率t=W/Q1,净效应：对外作功,净效应：吸热,循环的经济性指标： 制冷装置 制冷系数 = Q2/W 热泵装置 供热系数 = Q1/W,2,1,V,p,逆循环,净效应：对内作功,净效应：放热,第一章 小 结 Summary,基本概念： 热力系 平衡态 准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数 功量、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、评价指标, 热力系,种类：,闭口系、开口系、绝热系、孤立系,热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。,一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关,3、状态参数的微分特征：全微分, 状态、状态参数、过程量,过程量的特征：,1.过程量与路径有关,可逆过程 = 准静态过程 + 无耗散效应, 平衡状态、准静态过程、可逆过程,平衡状态 = 无不平衡势差（可用一组参数描述）,准静态过程 = 不平衡势差无限小,1.统一规定：dV0，膨胀 对外作功为正 dV 0，系统吸热为正 Q 0，系统放热为负 2.计算公式：, 功与热量（过程量）,适用条件 准静态或可逆 可逆,P-V图与T-S图,p,V,W,T,S,Q,P-V图,T-S图, 循环及其评价指标,p,2,1,V,循环的经济性指标：热效率t=W/Q1,净效应：对外作功、吸热,正循环,循环的经济性指标： 制冷装置 制冷系数 = Q2/W 热泵装置 供热系数 = Q1/W,2,1,V,p,净效应：对内作功、放热,逆循环,例题,例1：绝热刚性容器向气缸充气,试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。,(1)以容器内原有气体为系统,闭口系,功量：,气体对活塞作功W,W,Q,热量：,气体通过活塞从外界吸热Q(当初始温度一样时）,(2)以容器内残留的气体为系统,闭口系,功量：,残留气体对放逸气体作功W,W,Q