工程热力学PPT.ppt

第一章基本概念 本章重点 取热力系统 对工质状态的描述 状态与状态参数的关系 状态参数 平衡状态 状态方程 可逆过程 1 1热力系统 热力系统 热力系 系统 用界面分离出的研究对象 外界 系统以外的所有物质 1 系统与边界 边界 界面 系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界 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 边界特性 真实 虚构 固定 活动 热力系统分类 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 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 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 简单可压缩系统 最重要的系统 简单可压缩系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功 容积变化功 压缩功膨胀功 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 态函数 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 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 热力学能u 焓h 熵s 比参数 比容 比热力学能 比焓 比熵 单位 kg kmol具有强度量的性质 基本状态参数 压力p 温度t 比容v 容易测量 1 压力p物理中压强 单位 pa n m2 常用单位 1bar 105pa1mpa 106pa1atm 760mmhg 101325pa1mmhg 133 3pa1at 735 6mmhg 9 80665 104pa 压力p测量 示意图 一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 相对压力 注意 只有绝对压力p才是状态参数 绝对压力与相对压力 示意图 当p pb 表压力pe 当p pb 真空度pv pb pe p pv p 环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意 环境压力一般为大气压 但不一定 见习题1 1 大气压随时间 地点变化 物理大气压1atm 760mmhg 1mmhg gh 133 322pa 其它压力测量方法 高精度测量 活塞式压力计 工业或一般科研测量 压力传感器 当h变化不大 p 常数 当h变化大 p p h 热力学第零定律 温度的热力学定义 热力学第零定律 r w fowler 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 热力学第零定律 热力学第零定律1931年t热力学第一定律1840 1850年e热力学第二定律1854 1855年s热力学第三定律1906年s基准 温度的热力学定义 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 温度的测量 温度计 物质 水银 铂电阻 特性 体积膨胀 阻值 基准点 刻度 温标 热力学温标 摄氏温标 实用温标 比容v m3 kg 工质聚集的疏密程度 物理上常用密度 kg m3 1 3平衡状态 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 温差 热不平衡势压差 力不平衡势化学反应 化学不平衡势 平衡的本质 不存在不平衡势 平衡与稳定 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 平衡与均匀 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 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 不平衡势差 能量传递 状态变化 消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 消除一种能量传递方式 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 状态方程 简单可压缩系统 n n 1 2 绝热简单可压缩系统 n 状态方程 基本状态参数 p v t 之间的关系 状态方程的具体形式 理想气体的状态方程 实际工质的状态方程 状态方程的具体形式取决于工质的性质 坐标图 简单可压缩系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 说明 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 常见p v图和t s图 2 1 1 4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 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 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 可逆过程的定义 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 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 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 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 完全可逆 内可逆与外可逆 完全可逆可逆内部可逆 外部不可逆外部可逆 内部不可逆 常见 90 0 例 内可逆外不可逆 功量 1 力学定义 力 在力方向上的位移 2 热力学定义 外文参考书 a 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 b 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 例 火力发电装置 锅炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器 过热器 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 示功图 p v 1 2 p p外 2 1 mkg工质 w pdv 1kg工质 w pdv w 热量与熵 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 不确切 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 热量如何表达 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 dvds ds 公式 条件准静态或可逆可逆 熵 entropy 的定义 reversible 熵的简单引入 比参数 kj kg k ds 可逆过程 qrev除以传热时的t所得的商 清华大学刘仙洲教授命名为 熵 广延量 kj k 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 0ds 0系统放热时为负q 0ds 0 4 用途 判断热量方向计算可逆过程的传热量 示功图与示热图 p v w t s q 示功图 温熵 示热 图 1 5热力循环 要实现连续作功 必须构成循环 定义 热力系统经过一系列变化回到初态 这一系列变化过程称为热力循环 不可逆循环 分类 可逆 过程 不可逆 循环 可逆循环 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 逆循环 p v t s 净效应 对内作功 净效应 放热 逆循环 逆时针方向