工程热力学第1章基本概念

1、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

2、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,

3、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、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,1-3 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： 1

4、 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,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17,大气压随时间、地点变化。,物理大气压 1atm=760mmHg,当h

5、变化不大，常数,1mmHg= gh=133.322Pa,当h变化大， (h),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,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 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

6、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,比容v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,1-4 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

7、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,1-5 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 状态变化 能量传递,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=

8、 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,2,1,1-6 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

9、）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,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外

10、,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,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

11、，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,1-7 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

12、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,1-8 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 , dv dS , ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,熵（ Entropy）的定义,reversible,熵

13、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 0 dS 0 系统放热时为负 Q 0 dS 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,1-9 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,