工程热力学第一章基本概念.ppt

第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition,第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition,1-1 热力系 1-2 热力系的描述 1-3 基本状态参数 1-4 状态公理、状态方程 1-5 热力过程及热力循环 作业： 1：1-2，1-6，1-7，1-12，1-15 2：1-3C，1-17C，1-23C，1-27C，1-49，1-50C，1-55C，1-56，1-150,1-1 Thermodynamic system热力系,1、Definition of system系统的定义 2、Classification of system 热力系统分类 3、Simple compressible system简单可压缩 系统 4、Examples热力系示例图,1、Definition of system,热力系统(热力系、系统) -人为分离出来的研究对象。 A quantity of matter or a region in space chosen for study 外界-surrounding ： 与系统发生质、能交换的物系。 边界（boundary）： 系统与外界的分界面（线）。 Remarks：（注意问题）,a.边界特性,假想的、实际的、固定的、运动的、可变形的 Imaginary 、real、fixed、movable、 flexible,b.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,2、Classification of system 热力系统分类,A、以系统与外界关系划分：,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1 开口系,非孤立系相关外界 孤立系,1+2+3+4 孤立系,系统划分图例说明,Sketch of an isolated system 孤立系统示意图,Types of System,开口系 Open system /Control volume 闭口系 Closed system / Control mass 绝热系 Adiabatic system 孤立系 Isolated system,2、Classification of system 热力系统分类,B、其它分类方式：,是否传热 非绝热系 绝热系,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,3、Simple compressible system 简单可压缩系统,最重要的系统 工程热力学中讨论的多为简单可压缩系 与外界只有准静容积变化功（压缩功或膨胀功）的交换,容积变化功,压缩功膨胀功,Moving Boundary Work,Compression Work,Expansion Work,An example of simple compressible system,4、Examples热力系示例图,Eg1:刚性绝热气缸-活塞系统，B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 黄线内包含电热丝 闭口绝热系 蓝线内孤立系,Eg2:思考题,闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？,不一定,Brief summery,Some concepts: Thermal system、boundary、surroundings Characteristics of boundary Imaginary 、real、fixed、movable、flexible Methods of Selecting system Mass transfer（ Open system / Closed system ） Heat transfer（ Adiabatic system ） Work transfer Characteristics of Simple compressible system Moving Boundary Work,1-2 Description of thermal system热力系的描述,State 、Equilibrium and State properties State（状态） State properties（状态参数） Equilibrium（平衡状态） Definition（定义） Types（型式） Nature（本质） Characteristics of state properties （状态参数的特性）,Review,1、System System、 boundary 、surroundings Closed system、 Open system 、Adiabatic system 、Isolated system、the simple compressible system 2、Equilibrium In an equilibrium state there are no unbalanced potentials 3、Difference between equilibrium state and stable 、uniform state,State 、Equilibrium and State properties （状态、平衡状态和状态参数）,State某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况的综合 State properties描述物系所处状态的宏观物理量 只有平衡状态才有状态参数 系统有多个状态参数 Equilibrium a state of balance / no changes 1、definition: A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from its surroundings. 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。,Equilibrium,2、Types of equilibrium: Thermal equilibrium （热平衡）-temperature Mechanical equilibrium（力平衡）-pressure Phase equilibrium （相平衡） Chemical equilibrium（化学平衡）-no chemical reactions Remark: Thermodynamics deals with equilibrium states,Equilibrium,3、nature of equilibrium平衡的本质 不存在不平衡势 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials 温差 （Temperature differential） 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,思考题1：平衡必稳定吗？,如图，铁棒处于平衡吗？,稳定，但存在不平衡势差，非平衡,稳定：参数不随时间变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,思考题2：平衡与均匀Even的关系,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,Characteristics of state properties （状态参数的特性）,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（path）无关，只与初终态（state）有关 3、状态参数的微分特征：全微分 Total differentials 4、状态参数的分类,状态参数的积分（integral）特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。 点函数、态函数 point function,思考：温度？高度？长度？,状态参数的分类,Intensive properties强度参数： 与物质的量无关的参数。如压力 p、温度T Extensive properties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：具有强度参数的性质， 其单位：/kg /kmol,Criteria to differentiate intensive and extensive properties 区分参数类型的判据,m V T P ,Extensive properties,Intensive properties,练习：判断下列参数的类型,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,1-3 Basic state properties 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量） 1、density and specific volume （ 、v ） 2、Pressure （压力） Pressure measurement 压力的测量 Pressure measurement devices 压力的测量装置 Pressure unit 压力的单位 3、Temperature （温度）,1、density and specific volume （ 、v ）,m3/kg,工质聚集的疏密程度,kg/m3,比容 specific volume,密度 density,Pressure measurement 压力的测量,常用测压计：弹簧管压力计、U形管压力计 Bourdon Tube 、U-tube manometer,Pressure measurement 压力的测量,绝对压力、表压力与真空度 Absolute pressure、gage pressure and vacuum pressure,当 p Pb,表压力 Pe,当 p Pb,真空度 Pv,Pb,Pe,p,Pv,p,绝对压力p是状态参参数,Pressure measurement devices 常用的压力的测量装置,The manometer 压力计 Bourdon tube 波尔登压力计 Pressure transducers 压力传感器 Barometer 气压计,Bourdon tube,思考：大气压力 与环境压力是一个概念吗？,大气压力Atmospheric pressure Barometric pressure Environmental pressure环境压力 指压力表所处环境 环境压力一般为大气压，但大气 压力不一定就是环境压力,Pressure units 压力的单位,物理中压强，单位: Pa (Pascal), 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,3、Temperature,The Zeroth law of thermodynamics热力学第零定律 Statements 表述 Significance 意义 Temperature scales温标 1、Temperature measurement 温度的测量 2、Common temperature scales 常用温标,statements 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。 If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.,Significance 意义 The Zeroth law of thermodynamics,1、为建立温度的概念提供了试验基础 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 2、为温度的测量提供了理论基础,B 温度计,1、Temperature measurement 温度的测量 Temperature scales温标,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,2、Common temperature scales Temperature scales温标,热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （British，L. Kelvin, 1824-1907） 理想气体温标 （ideal gas temperature scale） 摄氏温标Celsius scale （Swedish，A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标Fahrenheit scale （German， G. Fahrenheit, 1686-1736） 兰金温标Rankine scale （W. Rankine，1820-1872）,A single fixed point,Two fixed points,经验温标,Comparison of temperature scales,绝对K,摄氏,华氏F,兰金R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,0,-273.15,212,671.67,32,-459.67,0,491.67,冰点,水三相点,水沸点,Absolute zero,Ice point,Triple point,Boiling point,Conversion of temperature scales 温标的换算,Remarks on temperature scales,经验温标 empirical temperature scale 依赖于测温物质的性质 单一定点温标A single fixed point scale 以水的三相点（triple point）为定点，取为273.16 两定点温标Two-point scale 以水的冰点（ice point、freezing point）和汽点（steam point、boiling point）作为定点,练习1,例1-1：英制系统中的绝对温标称兰氏温标，其温度以符号 R 表示。兰氏温度与华氏温度的关系为 T =t +459.67 。已知热力学绝对温标及兰氏温标在纯水冰点的读数分别是 273 .15K 和 491.67 R ；汽点的读数分别是 373.15K 和 671.67 R 。 （ 1 ）导出兰氏温度和开尔文温度的关系式；（ 2 ）开尔文温标上绝对零度在兰氏温标上是多少度？,解：（ 1 ）若任意温度 T 在兰氏温标上读数为 T R 在热力学绝对温标上读数为 T K，则,T R = 1.8 T K,（2 ）据上述关系知当热力学绝对温标T K=0K时，T R =0,练习2,例题1-2 某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装有压力机计，如图1-2所示，设大气压力为97kPa。 （1）若压力表B、表C的读数分别为24kPa，0.11MPa，试确定压力表A上的读数，及容器两部分内气体的绝对压力。 （2）若表C为真空计，读数为24kPa，压力表B的读数为36kPa，试问表A是什么表？读数是多少？,练习2题解,解： （1）因,由上式得,则,（1）压力计测得的都是工质的绝对压力和环境压力之间的相对值，而不是工质的真实压力,（2）测压计所处的空间压力，可以是大气压力也可以是环境的空间压力,。,1-4 状态公理、状态方程,The state postulate 状态公理 State equations 状态方程 Property diagram 状态参数坐标图,The state postulate 状态公理,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,想确切描述某个热力系，是否需要知道所有状态参数？,状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立状态参数个数 N= n + 1,系统与外界的热交换,可能出现的准静功形式的数目,思考：简单可压缩系统的独立变量数？,只交换热量和一种准静态的容积变化功 简单可压缩系统：N = n + 1 = 2 The state of a simple compressible system is completely specified by two independent , intensive properties 绝热简单可压缩系统 N = ?,State equations 状态方程,状态方程-反映物质的基本状态参数 p, v, T之间的函数关系,理想气体的状态方程,实际气体的状态方程,简单可压缩系统：N = 2,Property diagram 状态参数坐标图,常见p-v图和T-s图,2）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,3）过程线中任意一点 为平衡态,4）不平衡态无法在图 上用实线表示,1）简单可压缩系统N=2,Remarks:,Review,1、Characteristics of state properties 2、Classification of state properties Intensive properties：P，T Extensive properties：m，V 3、 Basic state properties Pressure：Absolute pressure、gage pressure and vacuum pressure,Review,Temperature The Zeroth law of thermodynamics Temperature scales 4、 The state postulate N= n + 1 5、State equations,1-5 Thermal processes and thermal cycles 热力过程及热力循环,热力过程：Any change that a system undergoes from one equilibrium state to another (page 13) 准平衡（静态）过程 quasi-static, or quasi-equilibrium process Definition 定义 Reasons 引入原因 Conditions 实现条件 热力循环: when a system in a given initial state goes through a number of different changes of state and finally returns to its initial state. The system has undergone a cycle. 正循环 Positive cycles (page 247-249) 逆循环 Reverse cycles (page 257-259),quasi-static (quasi-equilibrium) process 准平衡（静态）过程,When a process proceeds in such a manner that the system remains infinitesimally close to an equilibrium state at all times. 热力系所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态,Example:假如重物有无限多，每次只去掉无限薄一层系统随时接近于平衡态,quasi-static (quasi-equilibrium) process 准平衡（静态）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,所以热力学引入准静态（准平衡）过程,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,quasi-static (quasi-equilibrium) process 准平衡（静态）过程,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）,Rela