《基本概念和定义》PPT课件.ppt

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273.16K。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0100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：,1K=1,t=T273.15K,18,华氏温标和朗肯温标,华氏温标和摄氏温标,附：,TR=t+459.67,t=5/9t-32t=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=8.3145J/(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100MPa时无显著误差。在接近液态时，误差较大，如CO2常温下5MPa时误差约4%，100MPa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,UchUnuUth,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+pVh=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：dv0,w0,压缩：dv0,w0,6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