工程热力学第一章基本概念 课件

第一章基本概念 热力系统热力状态及基本状态参数平衡状态 状态公理及状态方程准静态过程与可逆过程热力循环 第一节热力系统 系统 边界与外界 环境 闭口系统与开口系统绝热系统与孤立系统系统的内部状况 系统 边界与外界 环境 系统 为了便于研究与分析问题 将所要研究的对象与周围环境分隔开来 这种人为分隔出来的研究对象 称为热力系统 Thermodynamicssystem 简称系统 system Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy 系统 边界与外界 环境 外界 surroundings 边界以外与系统相互作用的物体 成为外界或环境 边界 boundary 分隔系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界 系统 边界与外界 环境 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 系统 边界与外界 环境 边界特性 真实 虚构 固定 活动 fixed movable real imaginary 闭口系统与开口系统 闭口系统 Closedsystem 没有物质穿过边界的系统 又称为质量控制系统 Controlmass 闭口系统的质量保持恒定开口系统 Opensystem 有物质流穿过边界的系统 又称为控制体积或控制体 Controlvolume 开口系统的界面称为控制界面 开口系统和闭口系统都可能与外界发生能量 功和热 传递 绝热系统与孤立系统 绝热系统 Adiabaticsystem 系统与外界之间没有热量传递的系统 孤立系统 Isolatedsystem 系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统 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 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 系统的内部状况 其它分类方式 物理化学性质 均匀系非均匀系 工质种类 单元系多元系 相态 单相系复相系 多相系 第二节热力状态及状态参数 状态与状态参数基本状态参数强度性参数与广延性参数 状态与状态参数 状态 State 某瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数 Stateproperties 描述热力状态的物理量 状态参数的特征 1 状态参数是状态的函数 状态确定时 状态参数有唯一确定的值 2 工质状态变化时 状态参数的变化值仅与初 终状态相关 而与状态变化的途径无关 状态参数的积分特征 状态参数的积分特征 状态参数的数学特征是点函数 热力系统由状态1变化到状态2 z为状态参数 则有 常见状态参数 温度 T 压力 P 比容 v 内能 u 焓 h 熵 s 等 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 内能U 焓H 熵S 比参数 比容 比内能 比焓 比熵 单位 kg kmol具有强度量的性质 基本状态参数 Basicstateproperties 基本状态参数 可以直接或间接地用仪表测量的状态参数 方便测量 温度 T 压力 P 比容 v 或密度 基本状态参数 温度 temperature 温度的一般解释 冷热程度的度量 温度的微观概念 大量分子热运动的强烈程度 平均平动动能 温度 比例常数 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即为温度 温度的热力学定义 是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量 热力学第零定律 热力学第零定律 TheZerothLawofThermodynamics 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 热平衡 Thermalequilibrium 在没有外来影响的情况下 两物体相互作用最终达到相同的冷热状况 热力学四定律 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 温标 Temperaturescale 温标 温度的数值标尺 需规定基本定点和每一度的数值 热力学温标 Kelvinscale 纯水三相点温度为273 16K 每1K为水三相点温度的1 273 16 摄氏温标 Celsiusscale 1标准大气压下冰熔点温度为0 沸点温度为100 华氏温标 Fahrenheitscale 将冰与盐混和后 所能达到的最低温度定为0 而概略的将人体温度定为100 朗肯温标 Rankinescale 以绝对零度为起点的华氏温标 温标之间的换算 基本状态参数 压力 Pressure 微观概念 大量分子碰撞器壁的结果 单位面积上的压力 分子浓度 平均平动动能 热力学温度 比例常数 阐明了气体压力的本质 揭示了气体压力与温度之间的内在联系 宏观定义 整个容器壁受到的力 容器壁的总面积 气体的压力 通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力的大小 也叫气体的绝对压力 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 热力学第零定律 如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 常用压力单位 Units 1kPa 103Pa1bar 105Pa1MPa 106Pa1atm 760mmHg 1 013 105Pa1mmHg 133 3Pa1at 1kgf cm2 9 80665 104Pa SI规定压力单位为帕斯卡 Pa 1Pa 1N m2 常用压力单位有 巴 bar 标准大气压 atm 工程大气压 at 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 换算关系 相对压力与绝对压力 测压原理 测压仪表利用力平衡原理测量气体的压力 压力计指示的压力是气体绝对压力 absolutepressure 与外界大气压力的差值 称为相对压力 relativepressure 表压力与真空度 pb pe p pv p 表压力 Gagepressure 气体绝对压力大于外界大气压力时 相对压力为正压 又称表压力 真空度 Vacuumpressure 气体绝对压力小于外界大气压力时 相对压力为负压 又称真空度 p pb时 p pb pep pb时 p pb pv 比容和密度 比容 specificvolume 单位质量工质占有的容积 密度 density 单位容积的工质所具有的质量 m3 kg kg m3 显然 强度性参数与广延性参数 强度性参数 Intensiveproperties 与物质的量无关 广延性参数 Extensiveproperties 与物质的量有关 在热力过程中起着推动力的作用 称为广义力或势 一切热力过程均是在某种势差推动下进行的 广延性参数具有可加性 在热力过程中起着类似力学中位移的作用 称为广义位移 比参数 单位质量的广延性参数 比容v 比内能u 比焓h 比熵s 第三节平衡状态 状态公理及状态方程 平衡状态状态公理状态方程 平衡状态 Equilibriumstate 定义 系统在不受外界影响的条件下 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 完全不受外界影响的系统是不存在的 因此平衡状态只是一个理想的概念 对于偏离平衡状态不远的实际状态按平衡状态处理可使分析计算大为简化 平衡状态下 系统内部及相联系的外界 起推动力作用的强度性参数都必须相等 否则在某种势差作用下平衡将被破坏 不同类型的平衡 热平衡 Thermalequilibrium 系统内部温度处处相等 ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire 温差 Temperaturedifferential 热不平衡势 Unbalancedpotentials 不同类型的平衡 力平衡 Mechanicalequilibrium 系统中任意位置的压力不随时间变化ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime 受重力影响 大部分热力系统内部存在压力变化 但该变化相对很小 通常忽略不计 Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded 压差 Pressuredifferential 力不平衡势 Unbalancedpotentials 不同类型的平衡 相平衡 Phaseequilibrium 系统中各相的质量不随时间变化whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere相变 相不平衡势 化学平衡 Chemicalequilibrium 系统中化学成分不随时间变化ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime Thatis nochemicalreactionsoccur 化学反应 化学不平衡势 平衡的本质 平衡的本质 不存在不平衡势Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials 温差 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 平衡与稳定 稳定 steady 参数不随时间变化 铜棒各点温度不再随时间变化 达到稳定 但不是平衡状态 原因在于系统受外界影响 若以 铜棒 热源 冷源 为系统 则系统平衡吗 稳定不一定平衡 平衡一定稳定 平衡与均匀 均匀 Even 成分和相在整个系统空间均匀分布 平衡 指时间上均匀 指空间上 平衡未必均匀 均匀也未必平衡 单相平衡态一定是均匀的 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 状态公理 用状态参数描述系统状态特性 只有在平衡状态下才有可能 那么 要描述系统的平衡状态 是否需要所有的状态参数呢 状态公理 Statepostulate 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种不平衡势差 达到某一方面的平衡 消除一种能量传递方式 因为不平衡势差相互独立 所以所需独立参数数目N 不平衡势差数 能量转换数 各种功的方式 热量N n 1 简单可压缩系统 Simplecompressiblesystem 特征 只交换热量和一种准静态的容积变化功 容积变化功MovingBoundaryWork 膨胀功ExpansionWork 压缩功CompressionWork 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 Equationofstate 状态方程 基本状态参数之间的函数关系 对于简单可压缩系统3个基本状态参数 压力p 比容v 温度T根据状态公理 确定系统平衡状态的独立参数 N 2 所以任意两个基本状态参数即可描述系统状态 另一个基本参数可由其它两个独立的基本参数确定 即 或 坐标图 diagram 简单可压缩系统N 2 可用平面坐标图分析工质的状态及变化过程 1 系统任何平衡态可表示在坐标图上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 常用p v图和T s图 第四节准静态过程与可逆过程 为何引入准静态过程和可逆过程概念准静态过程可逆过程可逆过程的膨胀功 容积功 可逆过程的热量 为何引入准静态过程和可逆过程概念 实际热力过程1 在势差的作用下进行的 存在非平衡损失和耗散损失 且难以定量计算 2 系统内部状态偏离平衡状态 偏离程度与势差大小相关 如不对实际热力过程进行简化和近似处理 则难以对实际热力过程进行定量分析和研究 实际过程 准静态过程 可逆过程 理想化 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 quasi staticprocess 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 准静态过程的实际意义 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 准静态过程是实际过程进行的非常缓慢的一个极限 大大简化了对热力过程的研究 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 Relaxationtime 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 2000 2 0 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 可逆 reversible 过程 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 Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings Thatis boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess 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 通过摩擦使功变热的效应 摩阻 电阻 非弹性变形 磁阻等 准静态过程 无耗散效应 可逆过程 无不平衡势差 不平衡势差不可逆根源耗散效应 耗散效应 irreversibility Dissipativeeffect 常见不可逆过程 不等温传热Heattransfer 节流过程 阀门 常见不可逆过程 混合过程Mixingprocess 自由膨胀Unrestrainedexpansion 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 可逆过程与准静态过程的关系 可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程 可逆过程 准静态过程 无耗散 可逆过程完全理想 热力过程分析时经常使用可逆过程的概念 准静态过程很少用 其他说明 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 可逆过程的膨胀功 物理学中的功 功 力 在力方向上的位移 功 广义力 广义位移 可逆过程 功的定义 可逆过程的膨胀功 是过程量 不是状态量 符号规定 系统对外做功 w 0 外界对系统做功 w 0 图1 12 可逆过程的热量 热量 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 广义力 广义位移 可逆过程传递的热量 是过程量 不是状态量 符号规定 系统吸热 q 0 ds 0 系统放热 q 0 ds 0 图1 13 热量与容积功的对比 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