热力学基本概念ppt课件VIP

.,工程热力学,第一章基本概念,.,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、平衡态、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。,.,热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。,热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）,热能,机械能,化学能,1-1热能和机械能转换,.,内燃机（汽油机）,工作物质：燃气,燃气热能,机械能,燃料化学能,排入大气,燃烧、膨胀排气,吸气压缩,工作过程：,能量转换：,.,蒸汽动力装置,1锅炉2沸水管3汽锅4过热器5汽轮机6发电机7冷凝器8泵9蓄水池,9,.,燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使之变为蒸汽，并在过热器内过热，成为过热蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；高温高压（相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）；作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。,蒸汽动力装置工作过程：,.,不同点：构造和工作特性不同。相同点：存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水）存在能提供热能的能量源；余下的热能排向环境介质。,结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。,比较上述两种热机,.,名词定义：,工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）：接受工质排出热能的物系。,.,工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。,热能动力装置的工作过程可概括成：,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,.,1系统与边界,1-2热力系统,热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统,边界：系统与外界之间的分界面,外界：热力系统以外的部分,边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的,.,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,1-2热力系统,.,边界特性,真实、虚构,固定、活动,1-2热力系统,.,2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,1-2热力系统,.,以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换,以气缸内气体为系统，活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换,1-2热力系统,.,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,1-2热力系统,.,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热力系统,.,定义：用来实现能量相互转换的媒介物质,1-2热力系统,3工质,气体,理想气体,实际气体,蒸气,.,理想气体：忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。真实气体：气体分子本身占有容积,分子与分子间有相互作用力存在的实际气体称为真实气体。真实气体不服从理想气体定律。天然气是真实气体。蒸气根据压力和温度对各种蒸汽的分类为：饱和蒸汽，过热蒸汽。蒸汽主要用途有加热/加湿；产生动力；作为驱动等。,.,1-3热力状态,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,一、状态参数,状态参数分类：,强度参数：无关如压力p、温度T,广延参数：有关可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S,按与所含工质的量有关否分,.,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg/kmol具有强度量的性质,1-3热力状态,.,强度量与广延量,速度,动能,高度,位能,内能,温度,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,1-3热力状态,.,基本状态参数,压力p、温度T、比容v,1-3热力状态,按是否直接或容易测量分,非基本状态参数,内能U、焓H、熵S,状态参数的数学特征：,状态确定，则状态参数也确定,1,2,a,b,.,1-3热力状态,1、压力p物理中压强，单位:Pa,N/m2,常用单位：1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104Pa,二、基本状态参数,气体分子撞击器壁的统计（平均）效果,.,压力p测量,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,1-2热力状态,.,绝对压力与相对压力,当ppb,表压力pe,当p,有足够时间恢复新平衡准静态过程,.,可逆过程,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。,1-6热力过程,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。,.,1-6热力过程,典型的不可逆过程,不等温传热,自由膨胀,.,1-6热力过程,节流过程(阀门）,混合过程,.,1-7过程功和热量,1、力学定义:力在力方向上的位移,2、热力学定义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。,功的定义,.,1-7过程功和热量,功的一般表达式,热力学最常见的功容积变化功,.,1-7过程功和热量,可逆过程的功,.,1-7过程功和热量,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。,热量定义,.,1-7过程功和热量,过程的热量,.,1.8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后，又回到原初始状态的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,.,1.8热力循环,正循环,正循环：顺时针方向,p,2,1,净效应：对外作功,T,S,1,2,净效应：吸热,V,.,1.8热力循环,逆循环,逆循环：逆时针方向,p,V,2,1,净效应：对内作功,T,S,1,2,净效应：放热,.,1.8热力循环,正循环：净效应（对外作功，吸热）,W,Q1,Q2,动力循环：热效率,.,1.8热力循环,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,Q1,Q2,制冷循环：制冷系数,.,1.8热力循环,逆循环：净效应（对内作功，放热）,制热循环：制热系数,W,Q1,Q2,.,理想气体状态方程,.,研究对象,热运动:构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动.,热现象:与温度有关的物理性质的变化。,单个分子无序、具有偶然性、遵循力学规律.,整体（大量分子）服从统计规律.,宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）,如等.,微观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测量），如分子的等.,.,宏观量,微观量,研究方法,1.热力学宏观描述,实验经验总结，给出宏观物体热现象的规律，从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件.,1）具有可靠性；2）应用宏观参量.,.,2.气体动理论微观描述,研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计方法.,1）揭示宏观现象的本质；2）有局限性，与实际有偏差，不可任意推广.,.,1.压强P,从力学角度描写气体状态的物理量。单位面积的压力。,国际单位：牛顿/米2，Nm-2,帕（Pa）,1Pa=1Nm-2,常用单位：大气压，atm,.,其它单位：,厘米汞柱，cmHg,托，Torr,2.体积V,从几何角度描写气体状态的物理量。-气体分子活动的空间体积。,对于理想气体分子大小不计，分子活动的空间体积就是容器的体积。,.,国际单位：米3，m3,常用单位：升，l,3.温度T,从热学角度描写气体状态的物理量。,国际单位：绝对温标T开，k,常用单位：摄氏温标t度，,.,理想气体是一种理想化的模型，它的模型有两种。,宏观模型,温度不太低,压强不太高,.,微观模型,分子间的作用力不计,分子的体积不计,两种模型是等价的，当气体的压强较低时，气体较稀薄，分子间的距离较大，则分子间的作用力可忽略不计，且分子间的距离远远大于分子本身的线度，分子的体积也可忽略不计。,在外界条件一定的情况下，系统内部各处均匀一致，宏观性质不随时间t改变。,.,例如：在一个容器中间，有一隔板，一边为真空，另一边盛有气体，如果外界条件不变的情况下，气体处于热平衡态，,当抽出隔板后，右边的气体向左边扩散，气体密度不均匀，气体处于非平衡态，经过一段时间后，内部均匀一致，达到新的热平衡态。,.,理想气体处于热平衡态下时，各状态参量之间的关系。,1.摩尔数：,气体质量,摩尔质量,单位：摩尔，mol,.,2.普适气体恒量R,1摩尔气体在标准状态下：,或,.,由理想气体状态方程:,分子的质量为m0，分子数为N，,气体质量：,摩尔质量：,N0为阿伏加德罗常数，,.,其中,k为玻尔兹曼常数,为分子数密度,.,.理想气体,.处在热平衡态,理想气体状态方程,.理想气体,.处在热平衡态,气体定律,.质量不变,.同种气体,.,1.理想气体状态方程：单位要配套使用,2.气体定律：方程两边单位统一,.,例：一氧气瓶盛有体积为V1=30l，压强为P1=130atm的氧气，若压强下降到P2=10atm,就应停止使用重新灌气，有一车间每天用掉P3=1atm、V3=40l的氧气，问这瓶氧气能用几天？设使用中温度不变。,解：由理想气体状态方程：,有,.,原氧气瓶内质量,氧气瓶剩余质量,每天使用氧气质量,使用的天数,.,例：教室的容积是100m3，在温度是7，大气压强为1.0105Pa时，室内空气的质量是130kg，当温度升高到27时大气压强为1.2105Pa时，教室内空气质量是多少？,理想气体的状态方程的应用,解：初态：P1=1.0105pa，V1=100m3，T1=273+7=280K末态：P2=1.2105Pa，V2=？，T2=300K根据理想气体状态方程：,说明有气体流入房间,.,例：一定质量的理想气体处于某一初始状态，现要使它的温度经过状态变化后，回到初始状态的温度，下列过程可以实现的是A先保持压强不变而使体积膨胀，接着保持体积不变而减小压强B先保持压强不变而使体积减小，接着保持体积不变而减小压强C先保持体积不变而增大压强，接着保持压强不变而使体积膨胀D先保持体积不变而减小压强，接着保持压强不变而使体积减小,A,.,理想气体状态方程的应用要点1）选对象根据题意，选出所研究的某一部分气体这部分气体在状态变化过程中，其质量必须保持一定2）找参量找出作为研究对象的这部分气体发生状态变化前后的一组T、p、V数值或表达式其中压强的确定往往是个关键，需注意它的一些常见情况(参见第一节)，并结合力学知识(如力平衡条件或牛顿运动定律)才能写出表达式3）认过程过程表示两个状态之间的一种变化方式，除题中条件已直接指明外，在许多情况下，往往需要通过对研究对象跟周围环境的相互关系的分析中才能确定认清变化过程这是正确选用物理规律的前提4）列方程根据研究对象状态变化的具体方式，选用气态方程或某一实验定律代入具体数值时，T必须用热力学温度，p、V两个量只需方程两边对应一致,.,练习：粗细均匀的，一端开口、一端封闭的细玻璃管中，有质量为10mg的某种理想气体，被长为h=16cm的水银柱封闭在管中，当玻璃管开口向上，竖直插在冰水中时，管内气柱的长度L=30cm如图所示若将玻璃管从冰水中取出后，颠倒使其竖直开口向下，温度升高到27（已知大气压强为75cmHg）试求：（1）若玻璃管太短，颠倒时溢出一些水银，水银与管口齐平，但气体没有泄漏，气柱长度变为50cm，则管长为多少？（2）若玻璃管足够长，水银未溢出，但溢出一些气体，气柱长变为30cm，则逸出气体的质量是多少？,（1）玻璃管长度l=50+15=65cm（2）逸出的气体的质量m=m1-m2=4.1mg,.,例：一圆柱形气缸直立在地面上，内有一个有质量、无摩擦的绝热活塞，把气缸分成容积相同的A、B两部分，如图两部分气体的温度相同，均为T0=27，A部分气体的压强PA0=1.0105Pa，B部分气体的压强PB0=2.0105pa现对B部分气体加热，使活塞上升，保持A部分气体的温度不变，使A部分气体的体积减小为原来的2/3求此时：（1）A部分气体的压强PA（2）B部分气体的温度TB,PA=1.5105PaTB=500K,分析：A气体做等温变化，B气体三个参量均发生变化A、B之间的联系：1、体积之和不变2、压强差不变,.,练习：护士为病人输液时，必须排尽输液管中的空气，否则空气泡进入血管后会随着血液向前流动，而当流到口径较细的血管时，会出现“栓塞”阻碍血液的流动，造成严重的医疗事故。某病人的体温为37，舒张压为80mmHg，收缩压为120mmHg，假设一护士在为病人输液时，一时疏忽将一个大气压，体积为0.01cm3，温度为27的空气泡打入静脉血管，当空气泡随血液流到横截面积为1mm2的血管时，产生“栓塞”的最小长度为多少？,6.54cm,.,巩固练习：1、在截面积S=1cm2，两端封闭粗细均匀的玻璃管中央，有一段水银柱，A、B两部分空气柱长l1=l1=40cm左端为7，右端为17时，求：(1)左边也上升到17时，水银柱会向何处移动？移动多少？,水银柱会向右移,(2)左、右两边都升高10时，水银柱是否移动？为什么？,若l1l2呢？若是同时降温呢？若玻璃管处于竖直放置情况呢？,A,.,2、如图8-9所示，透热汽缸A被活塞封闭一定质量气体，其体积VA=4.8L，活塞另一边与大气相通汽缸与透热容器B相连，体积VB=2.4L，置于恒温箱中，汽缸A与容器B相连的细管（体积不计且绝热）中间有阀门K将两部分分开已知，环境温度为27，恒温箱的温度为127今将阀门K打开，汽缸中最后气体的体积多大？,.,3、如图8-10所示，一端开口的均匀玻璃管内，一段水银柱封闭着一段空气柱当温度为27时，气柱长10cm，右侧水银柱比左侧水银柱高2cm，比玻璃管开口位置高1cm当温度升高到100时，封闭的气柱有多长？（大气压相当76cm水银柱产生的压强）,由题意可知，变化后温度为100大于66，所以变化后右侧水银面低于左侧水银面，设低x厘米则变化后气柱状态为,.,例：实验室内备有米尺、天平、量筒、温度计、气压计等器材，需选取哪几件最必备的器材，测量哪几个数据，即可根据物理常数表和气体定律估算出教室内现有的空气分子数？写出表达式,需选取米尺、温度计、气压计三件器材用米尺测出教室的长、宽、高，算出体积V；用温度计测出室温，设为T；用气压计读出大气压，设为p,.,充满氢气的橡皮球，球壳的质量是球内所充氢气质量的3倍，在标准状态下空气密度与氢气密度之比是292。现在球内氢气的压强是球外空气压强的1.5倍，球内外温度都是0。问氢气开始上升时的加速度是多少？,.,1.4准平衡过程与可逆过程,热力过程、准平衡过程与可逆过程热力过程：热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和。一、准平衡过程1.定义：在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件：推动过程进行的势差无限小。3.特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。,.,二、可逆过程1.定义：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。2.实现条件：推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量耗散了，变为热。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。,.,功和热量,1功是力学相互作用下的能量转移将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响称为“力学相互作用”。例如图4.2中从(I)变为()的过程中，由于气体施予活塞方向向上的压力始终比外界向下的压力大一点儿，气体就能克服重力及大气压强作功而准静态地膨胀。,.,功是力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量,功：在力学中，功被定义为物体所受的力与该力方向上产生的位移的乘积；在热力学中，功是系统与外界相互作用而传递的能量。当系统作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。体积变化功：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。规定：系统对外界做功，功量为正；外界对系统做功，功量为负。功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。2.功的计算,单位工质：,可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示。,.,.,关于功，应注意如下几点,(1)功与系统状态间无对应关系，说明功不是状态参量。(2)只有在广义力(例如压强、电动势等)作用下产生了广义位移(例如体积变化和电量迁移)后才作了功。(3)在非准静态过程中，很难计算系统对外作的功。,.,在以后的讨论中，系统对外作功的计算通常均局限于准静态过程。功有正负之分，将外界对气体作的功以W表示，气体对外作的功以W表示。对于同一过程，W=-W。,.,2体积的膨胀功,由于气体体积减小了Adx，即dV=-Adx所以上式又可写成,(一)体积膨胀功气缸中有一无摩擦且可上下移动的截面积为A的活塞，内中封有流体(液体或气体)，见图,设活塞外侧的压强为pe,在它的作用下，活塞向下移动dx距离，则外界对气体所作元功为,.,在无摩擦的准静态过程(即可逆过程)中，外界施予气体的压强的大小等于气体内部压强的大小.在无限小的可逆过程中外界对气体所作元功的表达式和气体对外作元功的表达式分别为,它们是系统状态参量p、V的函数。式中的dW就是图中V到V+dV区间内曲线下的面积。,W就是从V1到V2区间内曲线下的面积。,.,说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属性，它不是状态的函数。在无穷小变化过程中所作的元功dW不满足多元函数中全微分的条件。dW仅表示沿某一路径的无穷小的变化，故在微分号d上加一杠d以示区别。,，,若同样从图上之C变到D，但不沿等温线C-D变化，而沿先等压后等体的C-A-D曲线变化，或沿先等体后等压的C-B-D曲线变化，这三条曲线下的面积均不等.,.,(一)理想气体在几种可逆过程中功的计算,(1)等温过程(isothermalprocess)若过程进行得足够缓慢，任一瞬时系统从热源吸收的热量总能补充系统对外作功所减少的内能，使系统的温度总是与热源的温度相等(更确切地说，它始终比热源温度低很小的量)。,.,等温过程中做的功,因为等温膨胀时，V2V1，W0，说明气体对外作功。利用p1V1=p2V2的关系，,.,(2)等压过程(isobaticprocess),然后使气体与一系列的温度分别为T1+T、T1+2T、T1+3TT2-T、T2的热源依次相接触，每次只有当气体的温度均匀一致，且与所接触的热源温度相等时，才使气缸与该热源脱离，如此进行直至气体温度达到终温为止，这就是准静态的等压加热过程。,设想导热气缸中被活塞封有一定量的气体，活塞的压强始终保持恒量。(例如把气缸开端向上竖直放置后再加一活塞，则气体压强等于活塞的重量所产生的压强再加上大气压强。),.,等压功为,.,（四)功的一般表达式,dW=-pdV，dW=Fdl.dW=dA,可知,在准静态过程中,外界对系统所作元功为dW=YidXi其中xi称为广义坐标(generalizedcoordinates)，dxi称为广义位移(generalizeddisplacement)，下标i对应于不同种类的广义位移。前面所提到的V、l、A、等都是不同i的广义坐标。广义坐标xi是广延量(extensivequantity)，,.,二、可逆过程的热1.定义：系统与外界之间依靠温差传递的能量，用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。规定：系统吸收热量，热量为正；系统放出热量，热量为负。,4热量与热质说,.,(一)热量(quantityofheat)当系统状态的改变来源于热学平衡条件的破坏，也即来源于系统与外界间存在温度差时，我们就称系统与外界间存在热学相互作用。作用的结果有能量从高温物体传递给低温物体，这种传递的能量称为热量。热量和功是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能量传递形式，它们都与状态变化的中间过程有关，因而不是系统状态的函数。,.,一个无穷小的过程中所传递的热量与功一样，不满足多元函数的全微分条件.这是功与热量类同之处。功与热量的区别在于它们分别来自不同相互作