工程热力学-第一章—基本概念ppt课件

1、根本概念根本概念1.1 热力系统热力系统1.热力系统热力系、系统、体系的定义：热力系统热力系、系统、体系的定义： 人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。统叫做热力系统。2.系统、外界与边境系统、外界与边境 外界：系统以外的一切物质。外界：系统以外的一切物质。 边境界面、控制面：系统与外界的分界面。边境界面、控制面：系统与外界的分界面。 系统与外界经过边境交换能量和质量。系统与外界经过边境交换能量和质量。 热力系统举例 热力系统的分类热力系统的分类 与外界能否有物质交换与外界能否有物质交换 闭口系统闭系、封锁系统、控制闭口系统闭系、封

2、锁系统、控制质量系统；质量系统； 开口系统开系、敞开系统、控制开口系统开系、敞开系统、控制体积系统。体积系统。 开系和闭系在一定条件下可相互转开系和闭系在一定条件下可相互转化，主要化，主要 取决于分析问题的需求和方便。取决于分析问题的需求和方便。 开系与闭系的转化 热力系统的分类热力系统的分类 与外界能否有能量交换与外界能否有能量交换 简单热力系统；简单热力系统； 绝热系统；绝热系统； 孤立系统。孤立系统。 孤立系一致定是闭口系统，也一定是绝热孤立系一致定是闭口系统，也一定是绝热系统。系统。 热力系统的分类热力系统的分类 系统内物质组成的特征系统内物质组成的特征 单组分系统：工质只由单一组分单

3、组分系统：工质只由单一组分的物质的物质 组成组成 多组分系统：工质由多种不同组多组分系统：工质由多种不同组分的分的 物质组成物质组成 热力系统的分类热力系统的分类 系统内工质的相态系统内工质的相态 均匀系统；均匀系统； 单相系统；单相系统； 多相系统。多相系统。 均匀系一致定是单相系统。均匀系一致定是单相系统。1.2 热力形状热力形状1.2.1 形状及形状参数形状及形状参数 定义定义 某一瞬间热力系统所呈现的宏观情况称为某一瞬间热力系统所呈现的宏观情况称为系统系统 的形状。的形状。 描画系统所处形状的宏观物理量称为形状描画系统所处形状的宏观物理量称为形状参数。参数。形状参数的分类形状参数的分类

4、 根本形状参数：可以直接丈量的形状参数。根本形状参数：可以直接丈量的形状参数。 如压力如压力p p、温度、温度T T、比体积、比体积v v。 导出形状参数：由根本形状参数间接求得的导出形状参数：由根本形状参数间接求得的 参数。参数。 如内能如内能U U、焓、焓H H、熵、熵S S等。等。1. 压力压力 压力的定义压力的定义 沿垂直方向作用在单位面积上的力称沿垂直方向作用在单位面积上的力称为压为压 力即物理中压强。力即物理中压强。 对于容器内的气态工质来说，压力是对于容器内的气态工质来说，压力是大量气大量气 体分子作不规那么运动时对器壁单位体分子作不规那么运动时对器壁单位面积撞击面积撞击 作用力

5、的宏观统计结果。作用力的宏观统计结果。 压力的方向总是垂直于容器内壁。压力的方向总是垂直于容器内壁。压力的单位压力的单位压力的单位是压力的单位是N/m2 ，符号是帕，符号是帕Pa常用压力单位的换算见附表常用压力单位的换算见附表1222页页1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 at = 1 kgf/ cm2 = 9.8067 104 Pa1 MPa = 106Pa 103kPa 10bar压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力p p、表压力、表压力pgpg、 真空度真空度pvpv 绝对压力绝对压力p p、表压力、表压力pgpg、真空度、真空度pvpv、 大气压力

6、大气压力pbpb的关系的关系 pg =p- pb pv= pb-p pg =p- pb pv= pb-p 只需绝对压力只需绝对压力p p才是系统的形状参才是系统的形状参数。数。例例1 1：知甲醇合成塔上压力表的读数为：知甲醇合成塔上压力表的读数为 150kgf/cm2150kgf/cm2，这时车间内气压计上的，这时车间内气压计上的 读数为读数为780mmHg780mmHg。试求合成塔内绝。试求合成塔内绝 对压力等于多少对压力等于多少kPakPa？例例2：在通风机吸气管上用：在通风机吸气管上用U型管压力计测出的压型管压力计测出的压 力为力为300mmH2O，这时气压计上的读数，这时气压计上的读数

7、750mmHg。 试：试：1求吸气管内气体的绝对压力等于多少求吸气管内气体的绝对压力等于多少 kPa？ 2假设吸气管内的气体压力不变，而大气假设吸气管内的气体压力不变，而大气 压下降至压下降至735mmHg，这时，这时U型管压力计型管压力计 的读数等于多少？的读数等于多少？例例3：某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装：某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装 有压力计，如下图。压力表有压力计，如下图。压力表A、C位于大气环境中，位于大气环境中，B位位 于室于室中。设大气压力为中。设大气压力为97kPa：1假设压力表假设压力表B、表、表C的读数分别为的读数分别为75kPa、0

8、.11MPa，试确，试确 定压力表定压力表A上的读数及容器两部分内气体的绝对压力；上的读数及容器两部分内气体的绝对压力；2假设表假设表C为真空计，读数为为真空计，读数为24kPa，压力表，压力表B的读数为的读数为 36kPa，试问表，试问表A是什么表？读数是多少？是什么表？读数是多少？2. 温度温度 传统：温度是物体冷热程度的标志。 微观：温度是衡量分子平均动能的量度。 T 0.5 m c2 T=0 0.5 m c2=0 分子一切运动停顿，零动能。 热力学第零定律热力学第零定律 热平衡：不同物体的冷热程度一样，那么它们处于热平衡。热平衡：不同物体的冷热程度一样，那么它们处于热平衡。 热力学第零

9、定律热力学中的一个根本实验结果：热力学第零定律热力学中的一个根本实验结果： 假设两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么假设两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系也处于热平衡。这两个热力系也处于热平衡。温度丈量的实际根底温度丈量的实际根底B 相当于温度计相当于温度计 为什么叫做热力学第零定律为什么叫做热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律 1931年年 T热力学第一定律热力学第一定律 18401850年年 E热力学第二定律热力学第二定律 18541855年年 S热力学第三定律热力学第三定律 1906年年 S基准基准 温度的热力学定义温度的热力学定义由热力学第零定律可以

10、推断：处于同一热平衡由热力学第零定律可以推断：处于同一热平衡形状的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此形状的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此一样，用于描画此宏观特征的物理量一样，用于描画此宏观特征的物理量温度。温度。温度是确定一个系统能否与其它系统处于热平温度是确定一个系统能否与其它系统处于热平衡的物理量。衡的物理量。热力学第零定律给出了比较温度的方法。热力学第零定律给出了比较温度的方法。 温标温标 摄氏温标摄氏温标 t 单位单位 华氏温标华氏温标 t 单位单位 热力学温标热力学温标 T 单位单位 K 朗肯温标朗肯温标 T 单位单位R 摄氏温标和热力学温标摄氏温标和热力学温标 摄氏温标规定，规

11、范大气压下纯水的冰点摄氏温标规定，规范大气压下纯水的冰点温度为温度为00，沸点温度为，沸点温度为100100，两定点的温度，两定点的温度，按温度与丈量物质的某种物理量如液柱体积、按温度与丈量物质的某种物理量如液柱体积、金属电阻等的线性关系确定。金属电阻等的线性关系确定。 热力学温标是与测温物质无关的温热力学温标是与测温物质无关的温标，它选取水的三相点的温度为标，它选取水的三相点的温度为273.16K273.16K，定义，定义1K1K的温度间隔等于水的三相点热力学温度的的温度间隔等于水的三相点热力学温度的1/273.161/273.16。 常用温标之间的关系常用温标之间的关系0.01绝对绝对K摄

12、氏摄氏 华氏华氏 朗肯朗肯R100373.15273.160-17.80-273.15212671.6737.810032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点水沸点水沸点559.67273.15发烧发烧0 温标之间的换算关系：温标之间的换算关系： 15.273)()(CtKT 67.459)()(FtRT 32)(8 . 1)(CtFt )(8 . 1)(KTRT )()(CtKT )()(FtRT )(8 . 1)(CtRT3.比体积比容比体积比容 比容：单位质量物质所占的容积比容：单位质量物质所占的容积 m3/kg m3/kg 密度：单位容积

13、所含的物质质量密度：单位容积所含的物质质量 kg/m3 kg/m3 反响了工质聚集的疏密程度反响了工质聚集的疏密程度mVv vVm11.2 热力形状热力形状形状参数是形状的单值函数。形状参数是形状的单值函数。 形状确定，那么形状参数也随之确定；反之亦形状确定，那么形状参数也随之确定；反之亦然。然。形状参数的积分特性：形状参数的变化量形状参数的积分特性：形状参数的变化量 与途径无关，只与初终态有关。与途径无关，只与初终态有关。形状参数的微分特性：全微分形状参数的微分特性：全微分1.2.2 形状参数的特性形状参数的特性1.数学特性数学特性形状参数的积分特性形状参数的积分特性 形状参数形状参数z的变

14、化量与途径无关，只与初的变化量与途径无关，只与初终态有关。终态有关。数学上：数学上： 是点函数、态函数是点函数、态函数1 2ab 0dz2222111,1,abdzdzdzzz形状参数的微分特性形状参数的微分特性设设 z =z (x , y) ， dz是全微分是全微分充要条件是：充要条件是：可判别能否是形状参数。可判别能否是形状参数。yxzzdzdxdyxy22zzx yy x 那么：那么： 2.强度参数和广度参数强度参数和广度参数 强度参数：与物质的量无关的参数。强度参数：与物质的量无关的参数。 如如 p、T、v 等等 强度参数具有不可加性。强度参数具有不可加性。 把一个均匀系统划分成假设干

15、个子把一个均匀系统划分成假设干个子系统，各子系统的同名系统，各子系统的同名 强度参数一样，且与整个系统的同强度参数一样，且与整个系统的同名强度参数一样。名强度参数一样。 非均匀系统内各处的同名参数值却非均匀系统内各处的同名参数值却不一定一样。不一定一样。 广度参数：与物质的量有关的参数。广度参数：与物质的量有关的参数。 广度参数具有可加性，如广度参数具有可加性，如 m m、V V、U U、E E、H H、S S 等。等。 无论系统均匀与否，广度参数具有无论系统均匀与否，广度参数具有确定的值。确定的值。 单位质量的广度参数称为比参数，单位质量的广度参数称为比参数，如如v v、u u、h h、s

16、s 等。等。 比参数具有强度参数的性质；比参数具有强度参数的性质； 广度参数用大写字母表示，比参广度参数用大写字母表示，比参数用小写字母；数用小写字母； 习惯上把除比容以外的比参数的习惯上把除比容以外的比参数的“比省略。比省略。 单位摩尔的广度参数称为摩尔参数，单位摩尔的广度参数称为摩尔参数，摩尔参数也具摩尔参数也具 有强度参数的性质。有强度参数的性质。1.2 热力形状热力形状1.2.3 平衡形状平衡形状 定义：在不受外界影响的条件下重力场除定义：在不受外界影响的条件下重力场除外，外， 假设系统的宏观形状不随时间变化，那么假设系统的宏观形状不随时间变化，那么该系该系 统处于平衡形状。统处于平衡

17、形状。 不能把平衡态简单地说成不随时间而改动的形不能把平衡态简单地说成不随时间而改动的形状，也不能说成外界条件不变的形状。状，也不能说成外界条件不变的形状。 平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的形平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的形状。状。 平衡与均匀：均匀系一致定处于平衡形状，平衡与均匀：均匀系一致定处于平衡形状， 反之那么不然。反之那么不然。 实现平衡的条件实现平衡的条件 热平衡热平衡 温度相等温度相等 力平衡力平衡 压力相等压力相等 相平衡相平衡 各相间化各相间化学位相等学位相等 化学平衡化学平衡 反响物与反响物与生成物化学生成物化学 位相等位相等此外，系统与外界之间也要处于相互此

18、外，系统与外界之间也要处于相互平衡中。平衡中。只需平衡形状，才可用一组形状参数来描画。只需平衡形状，才可用一组形状参数来描画。1.2.4 形状方程与形状参数坐标图形状方程与形状参数坐标图 不需求，只需知道描画系统形状所需的独立不需求，只需知道描画系统形状所需的独立形状参数的数目即自在度就可以了！形状参数的数目即自在度就可以了！想确切描画某个热力系统，能想确切描画某个热力系统，能否需求一切形状参数？否需求一切形状参数？1.系统形状的自在度系统形状的自在度 其中其中是系统的组分个数，是系统的组分个数，是系统中相的个是系统中相的个数。数。2.形状方程形状方程 对于恣意系统所处的形状来说，只需对于恣意

19、系统所处的形状来说，只需个个独立形状参数作为自变量，其它参数均可视为独立形状参数作为自变量，其它参数均可视为因变量。因变量。 将任一因变量表示为自变量的函数关系式，将任一因变量表示为自变量的函数关系式，称为形状方程。称为形状方程。2 对单组分单相系统，对单组分单相系统， 2 2()0f pvT ， ， 压力压力p、温度、温度T、比体积、比体积v是根本形状参是根本形状参数，经常被作为自变量。数，经常被作为自变量。气体形状方程可表示为气体形状方程可表示为或或 对单组分理想气体，对单组分理想气体， 就是最简单就是最简单的形状方程。的形状方程。pvRT()pp vT，3. 形状参数坐标图形状参数坐标图

20、 采用由恣意两个独立形状参数采用由恣意两个独立形状参数 2 构成的平面坐标系上的一点来构成的平面坐标系上的一点来描画系统所处的实践形状，这种坐标图就是热力系统的形状参数坐标图。描画系统所处的实践形状，这种坐标图就是热力系统的形状参数坐标图。 常见的常见的p-v图和图和T-s图就是最常用的坐标图。图就是最常用的坐标图。阐明：阐明：2过程线中恣意一点过程线中恣意一点 为平衡态；为平衡态； 3 3不平衡态无法在图不平衡态无法在图 上用实线表示。上用实线表示。 1系统任何平衡态都可系统任何平衡态都可 表示在坐标图上；表示在坐标图上；3. 形状参数坐标图形状参数坐标图 形状参数坐标图不但可用来确定系统所

21、处的形状参数坐标图不但可用来确定系统所处的 形状，而且还可用来分析形状阅历不同变化形状，而且还可用来分析形状阅历不同变化 的过程，在工程上有着广泛运用。的过程，在工程上有着广泛运用。 除除p-v、T-s图外，还有图外，还有h-s、T-p、lnp-h图等。图等。3.形状参数坐标图形状参数坐标图 假设热力系统的形状自在度不止两个时，就假设热力系统的形状自在度不止两个时，就必必 须取二元以上的坐标系来描画系统的形状。须取二元以上的坐标系来描画系统的形状。 假设所描画的系统并非均匀系或处于非平衡假设所描画的系统并非均匀系或处于非平衡态态 时，普通可把系统按其内部均匀部分如不时，普通可把系统按其内部均匀

22、部分如不 同相态部分或部分平衡部分，分成假设干同相态部分或部分平衡部分，分成假设干子子 均匀系或子平衡态，然后再运用上述独立状均匀系或子平衡态，然后再运用上述独立状 态参数的表示法分别予以处置。态参数的表示法分别予以处置。1.3 热力过程热力过程 在外界的影响下，热力系统的工质形状沿特定规律发生变化的总历程称为热力过程，简称在外界的影响下，热力系统的工质形状沿特定规律发生变化的总历程称为热力过程，简称过程。过程。 实践热力过程是阅历了一系列非平衡形状从形状实践热力过程是阅历了一系列非平衡形状从形状1 1变化到形状变化到形状2 2的，因此要使过程进展，必需存在的，因此要使过程进展，必需存在不平衡

23、势差如温度差、压力差、化学位差等。不平衡势差如温度差、压力差、化学位差等。1.3.1准静态过程或准平衡过程准静态过程或准平衡过程平衡形状平衡形状形状不变化形状不变化能量不能转换能量不能转换非平衡形状非平衡形状无法简单描画无法简单描画热力学引入准静态准平衡过程热力学引入准静态准平衡过程普经过程普经过程 p，Tp0忽然去掉重物忽然去掉重物最终最终p2 = p0T2 = T0pv12. . .p1 = p0+重物重物T1 = T0准静态过程或准平衡过程准静态过程或准平衡过程p，Tp0假设重物有无限多层假设重物有无限多层每次只去掉无限薄一层每次只去掉无限薄一层pv12. . . .系统随时接近于平衡态

24、系统随时接近于平衡态p1 = p0+重物重物T1 = T0准静态过程有实践意义吗？准静态过程有实践意义吗？既是平衡，又是变化既是平衡，又是变化既可以用形状参数描画，又可进展热功转换既可以用形状参数描画，又可进展热功转换疑问：实际上准静态应无限缓慢，疑问：实际上准静态应无限缓慢， 工程上怎样处置？工程上怎样处置？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程 过程的每一步不仅内部必需坚持力平衡，系统与外过程的每一步不仅内部必需坚持力平衡，

25、系统与外界之间也必需坚持力平衡。否那么，有限力差推进的过界之间也必需坚持力平衡。否那么，有限力差推进的过程，必为非静态过程。程，必为非静态过程。 这是作功过程中得出的结论，但完全可以推行到传这是作功过程中得出的结论，但完全可以推行到传热、相变和化学反响中去。热、相变和化学反响中去。准静态过程的工程运用准静态过程的工程运用 例：活塞式内燃机例：活塞式内燃机 20002000转转/ /分，分， 曲柄曲柄 2 2冲程冲程/ /转，转，0.150.15米米/ /冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度声速压力波恢复平衡速度声速340 m/s破坏平衡所

26、需时间破坏平衡所需时间外部作用时间外部作用时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间驰豫时间驰豫时间普通的工程过程都可以为是准静态过程普通的工程过程都可以为是准静态过程详细工程问题详细分析。详细工程问题详细分析。“忽然忽然/“缓慢缓慢 力、温度、化学势分别是推进作功、传热、化学力、温度、化学势分别是推进作功、传热、化学 反响的势，所以有限势差推进的过程必为非准静反响的势，所以有限势差推进的过程必为非准静 态过程。要实现准静态过程，必需在无限小势差态过程。要实现准静态过程，必需在无限小势差 推进下进展。推进下进展。 准静态过程的每一步，权利系必需坚持平衡。因准静态过程的每一步，权利系必需坚持平衡。因

27、此严厉地讲，准静态过程必需无限缓慢地进展。此严厉地讲，准静态过程必需无限缓慢地进展。 只需准静态过程才干用确定的形状参数的变化来只需准静态过程才干用确定的形状参数的变化来 描画，才干在坐标图中用延续曲线来表示，才干描画，才干在坐标图中用延续曲线来表示，才干 用热力学方法来分析。用热力学方法来分析。 耗散效应耗散效应 准静态过程的讨论中，并未涉及摩擦准静态过程的讨论中，并未涉及摩擦景象。由于摩擦做功，会呵斥能量损耗。景象。由于摩擦做功，会呵斥能量损耗。 其实即使存在摩擦，过程的每一步，其实即使存在摩擦，过程的每一步，热力系仍可坚持平衡态。所以说，摩擦热力系仍可坚持平衡态。所以说，摩擦景象并不影响

28、准静态过程的实现。但是景象并不影响准静态过程的实现。但是由于摩擦，逆行时系统不能复原到原来由于摩擦，逆行时系统不能复原到原来的形状。的形状。1.3.2 可逆过程可逆过程 当系统阅历某一过程后，假设令过程沿一样的途当系统阅历某一过程后，假设令过程沿一样的途径逆行能使过程中所涉及的一切系统和外界都恢径逆行能使过程中所涉及的一切系统和外界都恢复到原来形状，而不留下任何痕迹，那么这一过程称复到原来形状，而不留下任何痕迹，那么这一过程称为可逆过程。为可逆过程。 不满足上述热力条件的过程，称为不可逆过程。不满足上述热力条件的过程，称为不可逆过程。 定义定义 实践的热力过程都是不可逆过程。 可逆过程虽然是一

29、种理想化了的热力过程， 但在一样的条件下，可作为判别实践不可逆 过程偏离理想可逆极限程度的规范。 可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关系 准静态过程只是立足于实现系统内部工质状准静态过程只是立足于实现系统内部工质状 态的平衡性问题，它只涉及工质内部的形状态的平衡性问题，它只涉及工质内部的形状 变化。耗散效应对准静态过程无影响。变化。耗散效应对准静态过程无影响。准静态过程准静态过程 + + 无耗散效应无耗散效应 = = 可逆过程可逆过程 可逆过程不仅要求系统内部工质必需是平衡可逆的，而可逆过程不仅要求系统内部工质必需是平衡可逆的，而且要求系统工质与外界发生相互作用关系能量传送效且要

30、求系统工质与外界发生相互作用关系能量传送效果时也必需是平衡可逆的。因此是反响了系统工质与果时也必需是平衡可逆的。因此是反响了系统工质与外界两方面所产生的总效果。外界两方面所产生的总效果。 要实现可逆，系统的内部和外部都必需是可逆的，即不要实现可逆，系统的内部和外部都必需是可逆的，即不 存在任何不可逆损失。存在任何不可逆损失。 可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程只是实现可可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程只是实现可 逆过程的条件之一。逆过程的条件之一。 可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关系引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实践过程的理想化过程，但并准静态过

31、程是实践过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。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形可逆过程的功与热完全可用系统内工质的形状参数表达，可不思索系统与外界的复杂关系，状参数表达，可不思索系统与外界的复杂关系，容易分析。容易分析。 实践过程不是可逆过程。但为了研讨方便，实践过程不是可逆过程。但为了研讨方便，先按理想情况可逆过程处置，用系统参数加先按理想情况可逆过程处置，用系统参数加以分析，然后思索不可逆要素加以修正。以分析，然后思索不可逆要素加以修正。1.3.3 热力循环热力循环定义：定义： 工质从某一形状出发，阅历一系列过程后又工质从某一形状出发，阅历一系列过程后又回到初始形状，这些过程的综合称为热力循环，回到初始形状，这些过程的综合称为热力循环，简称循环。简称循环。热力循环在形状参数坐标图上，可表示为一根封锁热力循环在形状参数坐标图上，可表示为一根封锁的曲线，这样系统内工质的任一形状参数的曲线，这样系统内工质的任一形状参数 z z 在经在经过每一热力循环后，应坚持过每一热力循环后，应坚持0dz 假设循环中的每个过程都是可逆的，那么这个循假设循环中的每个过程都是可逆的，那么这个循环环 称为可逆循环。在坐标图上，可逆循环用闭合实称为可逆循环。在坐标图上，