工程热力学第一章.ppt

第一章基本概念,教学目标:使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。重点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。难点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。,1-1热力系统,一、系统、边界与外界热力系统的定义：将所要研究的对象与周围分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（简称系统）。系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。,界面的特性:,可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可以是运动的。,界面,热源,外界,外界,热力系统,热力系统、界面、外界例,系统,系统,界面,热力系统、界面、外界例,研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？,系统,界面,外界,外界,热力系、界面、外界例,热力系、界面、外例,系统,界面,二、热力系统的分类,(一)按系统与外界之间的相互联系划分：1.闭口系统系统与外界无物质交换的热力系统。2.开口系统系统与外界有物质交换的热力系统。3.绝热系统系统与外界无热量交换的热力系统。4.孤立系统系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。,闭口系统,开口热力系,1开口系,热力系统,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,三、按照系统内部的情况可划分,1.单相系系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一个相，由单一物相组成的系统称为单相系。2.复相系有两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成称三相系。3.单元系由一种化学成分组成的系统称为单元系。4.多元系由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系。5.均匀系成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系6.非均匀系在整个系统空间非均匀分布称为非均匀系,热力系统的分类,1-2工质的热力状态及其基本状态参数,一、状态与状态参数热力状态定义:工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为热力状态（简称为状态）。,状态参数定义:,描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。,状态参数的数学特性：,或,热力学中常用的状态参数：,温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。,二、基本状态参数,基本状态参数：能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。,如：温度、压力、比容,1.温度,）热力学第零定律如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。,）温度将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。,）温标为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温度的标尺称为温标。,建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。,状态参数温度,热力学温标,常用的温标,摄氏温标t,基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点，规定冰点温度为0。沸点温度为100。,分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性的。0与100这两个基准点之间分成100等分,每一等分为1度。,基准点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。,t=T273.15,热力学温标与摄氏温标之间的关系：,常用的温标,.压力单位面积上所受到的垂直作用力。,表达式,或,上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力p。,由压力表测量出来的压力称为表压力pg。,由气压计测量出来的压力称为大气压力B。,表压力pg、大气压力B和绝对压力p之间的关系如下：,常用的压力单位间的关系,U形管式压力计示意图,真空度,U形管式压力计示意图,B,B,pB,P,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=200020.15/60=10m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350m/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”,可逆过程的定义：当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,可逆过程的描述,注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。,二、可逆过程,可逆过程的实现,准静态过程+无耗散效应=可逆过程,无不平衡势差,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,典型的不可逆过程,不等温传热,节流过程(阀门）,自由膨胀,混合过程,可逆过程与准平衡过程的区别：,1.可逆过程一定是准平衡过程；,2.准平衡过程不一定是可逆过程。,实际过程都是不可逆过程！,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。,三、可逆过程的膨胀功（体积功）,1、力学定义:力在力方向上的位移,2、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。,功的一般表达式,功的单位:J,kJ,可逆过程功的推导,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,W,注意：微元功不是全微分，表示微小量，而不是微小增量,所以,功可正可负也可以为零,即：功是过程量,不是状态量，其大小与初、终状态有关,也与路径有关,四、可逆过程的热量,1、热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分。,另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,热量计算公式:,热量单位:J,kJ,微小热量：,0表示系统从外界吸热；0表示系统向外界放热。,总热量：,积分与过程有关。,热量是过程量,热量与容积变化功的对比,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,dvdS,ds,公式,条件准静态或可逆可逆,循环过程工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。如图：循环1-2-3-4-1,1-5热力循环,循环概念,循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。净功A=循环过程曲线所包围的面积,循环的经济性,可逆循环与不可逆循环,全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。,一、正循环,定义,把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,正循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,Wnet,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,二、逆循环,定义,把热