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BasicConceptsandDefinition 第一章基本概念 本章基本要求 掌握工程热力学中一些基本术语和概念 热力系统 平衡状态 准平衡过程 可逆过程等 掌握状态参数的特征 基本状态参数p v T的定义和单位等 掌握热量和功量这些过程量的特征 并会用系统的状态参数对可逆过程的热量 功量进行计算 了解工程热力学分析问题的特点 方法和步骤 3 前言热能在热机中转化为机械能的过程 1 工质 workingsubstance workingmedium 定义 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 4 2 热源 heatsource heatreservoir 定义 工质从中吸取或向之排出热能的物质系统 高温热源 热源 heatsource 低温热源 冷源 heatsink 恒温热源 constantheatreservoir 变温热源 5 3 热能动力装置 Thermalpowerplant 定义 从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备 1 气体动力装置 combustiongaspowerplant 内燃机 internalcombustiongasengine 燃气轮机动力装置 gasturbinepower 喷气动力装置 jetpowerplant 2 蒸汽动力装置 steampowerplant 内燃机 燃气轮机装置示意图 喷气发动机 涡扇喷气发动机 10 1 1热力系统 1 定义 系统 thermodynamicsystem system 人为的选取的作为研究对象的某些确定的物质或某个确定空间中的物质 简称系统 外界 surrounding 热力学系统之外和能量转换过程有关的一切其它物质统称为外界 边界 boundary 系统与外界的分界面 线 11 说明1 热力系统三要素 高温热源 工质 低温热源2 系统与外界的人为性 3 根据具体问题 边界可以是实际的 也可以是假想的 可以是固定的 也可以是移动的或是尺寸变化的 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 12 举两个例子 讨论气缸里的气体 如果假定边界为气缸的外部 则系统为气缸和气缸内的气体组成 若假定边界为气缸内部则系统只由气体本身组成 再比如说酒精灯上加热的一杯水 如取水为系统 则作为界面的的杯面是真实的 固定的而水与空气的界面就是移动的 如取部分水为系统则水的界面就是假想的 13 2 热力系统分类 系统与外界交换能量或质量 1 热力学系统按其和外界是否发生物质交换可分为闭口系统及开口系统 闭口系统 控制质量 closedsystem 若一个热力学系统和外界不发生物质交换 就称为闭口系统 开口系统 控制容积或控制体 opensystem 若一个热力学系统和外界间有物质交换 就称为开口系统 16 汽缸 活塞装置 闭口系例 17 汽车发动机 开口系示例 18 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 2 按系统与外界进行能量交换的情况可分为简单热力学系统 绝热系统和孤立系统简单系统 simplesystem就是与外界只交换一种形式的能量的热力系统 绝热系统 adiabaticsystem与外界无热量交换 孤立系 isolatedsystem 外界间既无能量交换又无质量交换 3 热力系统选取 热力学系统的选取 取决于分析问题的需要及分析方法上的方便 例如对活塞式内燃机的热力分析 常取其气缸内部的气体作为研究对象 即热力学系统 内燃机在工作时 其气缸内的工质有流进和流出 应作为开口系统进行分析 但内燃机的主要热功转换过程是在其进 排气门均关闭的条件下进行的 因而在适当简化的条件下 也可将其作为闭口系统来研究 20 例1 热力系示例图 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 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 例2 22 1 2热力状态 一 热力状态与状态参数1 热力学状态 tateofthermodynamicsystem 热力学中把系统在某一瞬间呈现的宏观物理状态称为系统的状态 2 状态参数 stateproperties 系统的状态常用一些宏观物理量来描述 这种物理量称为状态参数 状态参数又分为基本状态参数和导出状态参数 基本状态参数 是指可以直接测量的状态参数 如压力 温度 和比体积 导出状态参数 是只有基本状态参数间接计算得到的 如内能焓熵等 24 1 状态参数是宏观量 是大量粒子运动的宏观平均效应 2 状态参数只取决于系统的状态 而与达到这一状态所经历的途径无关 3 热力状态可由两个独立状态参数确定 即任意状态参数都可以表示成其他两个参数的函数 故只要两个参数确定 状态即可确定 说明 二 工质的三个基本状态参数 1 压力 pressure 压力 是垂直作用在单位面积上的力 对于容器内的气态工质来说 压力就是大量分子作不规则运动是对容器大面积撞击作用的宏观统计结果 我们研究的压力是描述流体物质组成的热力学系统内部力学状况的状态参数 流体的压力 也称压强 是流体在单位面积上的垂直作用力 符号为p 单位为Pa 帕 绝对压力p absolutepressure表压力pg pg gaugepressure manometerpressure压力高出大气压力的差值称为表压 以符号 表示则绝对压力为 真空度pv vacuum vacuumpressure压力低于大气压力的差值称为真空度 以符号pv表示则绝对压力为 Pv 27 常用压力单位 例题 如图 已知大气压pb 101325Pa U型管内汞柱高度差H 300mm 气体表B读数为0 2543MPa 求 A室压力pA及气压表A的读数peA 解 2 温度 temperature 1 温度的定义 标志物物体冷热程度的参数2 测温的基础 热力学零定律 zerothlawofthermodynamics 两个系统分别与第三个系统处于热平衡 则两系统彼此也必然处于热平衡 根据热力学第零定律 要比较两个物体的温度就无需将两个物体接触 而只要用第三个物体分别与他们接触就行了 这第三个物体就是温度计 31 3 温标 temperaturescale 热力学温标和国际摄氏温标 thermodynamicsscale Kelvinscale absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale 华氏温标和摄氏温标 32 3 比体积和密度 比体积 specificvolume 单位质量物质所占的体积成为比体积 密度 density 单位体积工质的质量 3 1 2 2状态参数的特性 1 数学特性在某个给定的状态 所有状态参数都应有各自确定的数值 反之一组数值确定的状态参数可以确定一个状态 也就是说状态参数是状态的单值函数状态参数的变化仅决定于系统的初始状态 而与达到该状态所经历的途径无关 因此状态参数为点函数 具有积分和微分特性 例如系统由某个状态1变化到另一个状态2 不管经过什么途径 其压力变化总是相同的 即 相应地 微元变化时压力的微增量dp具有全微分的性质 即有 当系统经过一系列变化又回到原来状态势变化量为零 即 以上的数学特性也是物理量为状态参数的充要条件 2 强度参数与广度参数强度参数 在给定的状态下与系统物质数量无关的参数称为强度参数 如压力 温度 比体积等 强度参数不具有加和性 广度参数 在给定的状态下 与系统内所含物质数量有关的参数称为广度参数 如容积 能量 质量等这类参数具有加和性 指出 单位质量的广度参数具有强度参数的性质 36 1 2 3平衡状态 thermodynamicequilibriumstate 系统系统可以以各种不同宏观状态存在 但并不是系统的任何状态都可以用确定的状态来描述 1 平衡状态定义 一个热力系统 如果在不受外界影响的条件下 系统的状态能够始终保持不变 则系统的这种状态称为平衡状态 要使系统达到平恒必须满足以下条件 1 热平衡 thermalequilibrium 系统内各部分温度相等2 力平衡 mechanicalequilibrium 力的作用使位移消失 就是力平衡 相平衡 对于多相系统 只有当个相间的物质交换在宏观上停止时系统处于相平衡4 化学平衡 化学反应宏观上停止 既反应物和生成物宏观上组分不再变化思考 平衡与均匀的区别 38 说明 1 平衡状态是指组成热力系统各部分之间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 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 热平衡 thermalequilibrium 力平衡 mechanicalequilibrium 热力平衡的充要条件 系统同时达到热平衡和力平衡 平衡状态是相对时间而言的 均匀状态是相对空间而言的对于处于热力平衡态下的气体 液体 单相 如果不计重力的影响 则系统内部各处的性质是均匀一致的 各处的温度 压力 比体积等状态参数相同 如果考虑重力影响 则系统中的压力和密度将沿高度而有所差别 对于气液两相并存的热力平衡系统 气相和液相的密度不同 因而系统不是均匀的 本书在未加特别说明之处 一律把平衡状态下的单相物系当作是均匀的 各处的状态参数相同 平衡状态与均匀状态之间的关系 40 注意 1 热力系统当处于平衡状态时 各参数都有确定的值 2 热力平衡状态系统只要不受外界影响 他的状态就不会随时间变化 平衡也不会自动被破坏 3 处于不平衡状态的系统 在没有外界影响下 总会自发趋于平衡 4 一切实际的热力系统都不是严格的平衡状态 对于由气相组成的热力系统 在外界没有发生变化的情况下 系统很快并自动由不平衡恢复到平衡状态 5 区分平衡与均匀的概念 41 讨论 1 系统平衡与均匀 2 平衡与稳定 稳定未必平衡 平衡可不均匀 42 2 状态方程 stateequation 状态方程 状态方程式 三个基本状态参数 p v T 之间的函数关系 F p v T 0显函数形式 T f1 p v p f2 v T v f3 p T 理想气体状态方程 ideal gasequation Clapeyron sequation 43 3 状态参数坐标图 parametriccoordinates 一简单可压缩系只有两个独立参数 所以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 如 几点说明 坐标图上每一点代表一个平衡状态 坐标图上每一条线代表一个准平衡过程 坐标图上每一条线下面形成的面积都有确定的物理意义 45 1 3热力过程 quasi staticprocess quasi equilibriumprocess 1 热力过程 热力学系统从一个状态出发 经过一系列中间状态而变化到另一状态 它所经历的全部状态的综合称为热力过程 简称过程 状态变化的原因 1 系统本身未达到平衡状态 系统就会由不平衡状态趋向平衡状态 2 当系统本身已处于平衡状态 这时系统状态的变化必须在外界功和热的作用下才能发生 促使工质向新的状态变化 46 1 3 1准静态过程 quasi staticprocess quasi equilibriumprocess 1 准静态过程 如果系统每次状态变化无限小 变化次数无限多 则系统经历了由一系列无限接近平衡状态所组成的过程 这种过程称为准静态过程 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 虽然准静态过程是理想的过程 但是大部分实际过程可以近似地当做准静态过程 因为气体分子热运动的平均速度可达每秒数百米以上 气体压力传播的速度也达每秒数百米 因而在一般工程设备具有的有限空间中 气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间 即所谓弛豫时间非常短 尤其像一般往复运动的机器 其气缸内部空间很小 活塞运动速度仅每秒十余米 因此当机器工作时气体工质内部能及时地不断建立平衡状态 而工质的变化过程很接近准静态过程 即使在气流速度较高 状态变化较快的涡轮式机器中 当它稳定工作时 气流中气体状态的变化仍可近似地按准静态过程进行分析 48 2 可逆过程 Reversibleprocess 定义 当完成某一过程之后 如果有可能使工质沿相同的途径返回复到原来状态 并使相互作用中所涉及到的外界也恢复到原来状态而在外界不留下任何变化的过程 实现可逆过程的条件 首先应是准静态过程过程中不存在任何耗散效应 通过摩擦 电阻 磁阻等使功变成热的效应 可逆过程是热力学的抽象 实际过程是无法实现的 但人们可以无限的接近它 研究可逆过程的目的 在于抓主要矛盾 反映本质 把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准 在实际热力学计算中 通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算 然后引入必要的经验修正 50 1 可逆过程 准平衡过程 过程中没有耗散效应 2 准平衡过程着眼于系统内部平衡 可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果 准平衡过程是可逆过程的必要条件 但不充分 3 可逆过程是实际过程的理想极限 一切实际过程都不可逆 4 不平衡过程一定是不可逆过程 5 可逆过程的充分必要条件 准平衡过程 无摩擦 过程无限缓慢 无任何耗损6 可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论 1 3 3热力循环 thermodynamiccirculation 1 热力循环 热力学中 把系统由初始状态出