热力学基本概念1-状态参数、热力学温标VIP

工程热力学EngineeringThermodynamics,主讲教师介绍,安青松天津大学热能工程系天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,中低温发电技术主要研究方向环保工质纳米流体技术,主讲教师介绍,Address：金工楼510Tel：27407617-mail:an1715,助教介绍,Name:刘良旭博士生Address：金工楼510Tel：27407617-mail:liuliangxu课程公邮：eng_thermodymics,绪论,工程热力学是重要的技术基础课,工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学,能源转换利用的关系,热能,电能,机械能,风能,水能,化学能,核能,地热能,太阳能,一次能源(天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,利用,生物质,风力发电Windenergy,Windmill,水力发电Waterpower,火电厂SteamPowerStation,锅炉Boiler,车Vehicle,火车Train,船Ship,飞机Airplane,枭龙,航天,哥伦比亚号,长征系列,神九,俄联盟,燃料电池,秦山核电站Nuclearpowerstation,大亚湾核电站Nuclearpowerstation,核潜艇Nuke,地热Geothermal,新西兰,云南腾冲,西藏羊八井,北京,太阳能热利用,太阳能光电,Solarcell,COH2,气体燃料,汽、煤、柴油,醇、醚,生物质定向转换制备清洁燃料示意图,定向转换,生物质,燃烧,biomass,FutureEnergytoLow-CarbonTowninChina,工程热力学与节能,工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学,(1)中国能源资源缺乏,(2)中国能源利用效率低下,(3)能源环境问题突出,热力学的分类,工程热力学：热能与机械能物理热力学化学热力学生物热力学溶液热力学,热力学,能源转换利用的关系,热能,电能,机械能,风能,水能,化学能,核能,地热能,太阳能,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,供暖,生物质,热机种类,车辆发动机（内燃机）25-35%航空发动机20-30%轮船发动机25-35%发电（火力、核能）40-50%制冷空调(非热机，同理）200%,能量利用率,heatengine,Energyefficiency,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,internalcombustionengine,发动机构造（内燃机）,图6-15单缸汽油机构造示意图-火花塞2-气缸盖3-出水口4-气缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞销9-进水口10-连杆11-飞轮12-曲轴13-机油管14-曲轴箱15-机油泵16-曲轴正时齿轮17-凸轮正时齿轮18-凸轮轴19-排气管20-进气管21-进气门22排气门23-化油器,engine,汽车发动机与传动（内燃机）,内燃机装置基本特点,1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热),涡轮风扇发动机（航空发动机）,高压透平,燃烧室,压气机,低压透平,燃气装置基本特点,1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,火电厂系统图,SteamPowerStation,国产流化床锅炉(苏盛热电厂),山东日照发电厂350MW,汽轮机（透平Turbine）机组刨面图,660MW发电机内部（邯郸发电厂),generator,凝汽器（苏盛热电厂),condenser,凝汽器Condenser和冷却塔系统图,火力发电装置基本特点,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热),制冷空调装置基本特点,1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热),热力装置共同基本特点,1、热源，冷源heatreservoir2、工质medium,workingsubstance3、容积变化功movingboundarywork4、循环cycle,热机,高温热源,低温热源,Q1,Q2,W,动力循环简图,热效率,Thermalefficiency,思考题？,2、为何要有两个热源，能否不要低温热源,不放热，W=Q是否可以进行？,4、普通发电厂效率高的只有40%左右，可否有途径提高，最高效率是否有极限？极限为多少？,1、为什么永动机不能实现？,Perpetualmotionmachine,3、动力装置为什么都要先升压，再吸热，能否先吸热，再升压?,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结特点：可靠，普遍，不能任意推广经典（宏观,平衡）热力学classical(macroscopic,equilibrium),工程热力学研究方法,2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律特点：揭示本质，模型近似微观（统计）热力学microscopic(statistical)thermodynamics,工程热力学研究方法,1、有几位科学家在热力学作出了贡献，获诺贝尔奖？,小知识,2、中国哪位教授与美国教授合作提出的状态方程得到普遍认可？,4、为什么恩格斯说“卡诺定理”是头重脚轻的定理？,3、Maxwell妖是什么？,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）,J.D.范.德瓦尔斯JohannesvanderWaals(1837-1923)荷兰气体和液体状态方程1910年诺贝尔物理学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）,M.普朗克MaxPlanck(1858-1947)德国发现能量子（量子理论）热二律1918年诺贝尔物理学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）,W.H.能斯脱WaltherHermannNernst(1864-1941)德国热化学，熵基准1920年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4）,L.昂萨格LarsOnsager(1903-1976)美国不可逆过程热力学理论1968年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）,I.普里戈金IlyaPrigogine(1917-2003)比利时热力学的耗散结构理论1977年诺贝尔化学奖,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）,K.G.威尔逊KennethG.Wilson(1936-)美国临界重整化群理论1982年诺贝尔物理奖,参考书,1、工程热力学沈维道等高教出版社2、工程热力学曾丹苓等高教出版社3、工程热力学朱明善等高教出版社4、工程热力学庞麓鸣等高教出版社,教学要求及考核方式,1、弄清基本概念，注意每章后的思考题2、独立完成作业，每两周四上课时按时交3、有问题及时解决，不要拖至考试,clearunderstandingandfirmgraspofthebasicprinciples,1、平时作业20%2、期中考试20%3、期末考试60%,绪论完EndofPreface,基本概念,BasicConcepts,热力系统,热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象,1、系统的定义,Thermodynamicsystem,system,Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy,热力系统,外界：系统以外的所有物质,2、系统、外界与边界,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,surroundings,boundary,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,fixed、movable,real、,imaginary,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,TypesofSystem,开口系,绝热系,孤立系,Isolatedsystem,闭口系,Adiabaticsystem,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,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,Simplecompressiblesystem,MovingBoundaryWork,CompressionWork,ExpansionWork,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,Stateandstateproperties,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,pointfunction,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,Totaldifferentials,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具有强度参数的性质,Intensiveproperties,Extensiveproperties,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,热力学能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,KineticEnergy,Height,PotentialEnergy,Temperature,InternalEnergy,Stress,Mol,基本状态参数,压力p、温度T、比容v（容易测量）,1、压力p(pressure)物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2,常用单位Units：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa,Basicstateproperties,压力p测量,示意图,绝对压力与环境压力的相对值相对压力,U-tubemanometer,BourdonTube,绝对压力与相对压力,当ppb,表压力pe,当ppb,真空度pv,pb,pe,p,pv,p,relativepressure,absolutepressure,Gagepressure,Vacuumpressure,环境压力与大气压力,指压力表所处环境,环境压力Environmentalpressure,大气压力Atmosphericpressure,大气压随时间、地点变化,物理大气压1atm=760mmHg,当h变化不大，常数,1mmHg=gh=133.322Pa,当h变化大，(h),OtherPressureMeasurementDevices,高精度测量：活塞压力计pistonmanometer,工业或一般科研测量：压力传感器PressuretransducersPiezoelectriceffect,基本状态参数,压力p、温度T、比容v（容易测量）,2、温度T(Temperature),Basicstateproperties,温度T的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度T0.5mw2,1)同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气,2)0.5mw2总0,T0,1951年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度,3)T=00.5mw2=0分子一切运动停止，零点能,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）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,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。,Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.,为什么叫做热力学第零定律,热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855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,Temperaturemeasurement,温度计,物质（水银，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度Scale,温标Temperaturescale,Referencestate,温标Temperaturescale,热力学温标（绝对温标）Kelvin