热力学第一章ppt课件

1、第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts 1-1 1-1 热力系、状态和状态参数热力系、状态和状态参数热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为地：人为地 研究对象研究对象1、热力系与工质、热力系与工质Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study1-1 1-1 热力系统热力系统外界：系统以外的所有物质外界：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界、系统、外界与边界边境边境(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界

2、系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热边界特性边界特性真实、虚拟真实、虚拟固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系

3、 孤立系孤立系Types of System开口系开口系绝热系绝热系孤立系孤立系Closed system Control massIsolated systemOpen systemControl volume闭口系闭口系Adiabatic system1234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系热力系统其它分类方式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 非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统最重要的系统最

4、重要的系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功Simple compressible systemMoving Boundary WorkCompression WorkExpansion Work1-2 状态和状态参数状态和状态参数形状：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况形状：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：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、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、

5、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、状态参数的微分特征：全微分State and state properties状态参数的积分特征状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。初终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化point function状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z =z (x , y)dz是全微分是全微分yxzzdzd

6、xdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数Total differentials强度参数与广延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强度参数：与物质的量无关的参数 如压力如压力 p、温度、温度T广延参数：与物质的量有关的参数广延参数：与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积、容积 V、内能、内能 U、焓、焓 H、熵、熵S比参数：比参数：比容比容VvmUum比内能比内能Hhm比焓比焓Ssm比熵比熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质Intensive properties Extens

7、ive properties 强度参数与广延参数强度参数与广延参数速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol1-3 基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度、温度 T、比容、比容 v （容易测量）（容易测量）1 1、压力、压力 p ( pressure )p ( pressure ) 物理中压强，单位物理中

8、压强，单位: Pa : Pa (Pascal), N/m2(Pascal), N/m2常用单位常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 PaBasic state properties压力压力p测量测量示意图绝对压力与环境压力的相对值绝对压力与环境压力的相对值 相对压力相对压力留意：只有绝对压力留意：只有绝对压力 p 才是状态参数才是状态参数U-tube manomete

9、rBourdon Tube绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p 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Relaxation time准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机例：活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15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350 m/s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）一般

10、的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“忽然忽然”“”“缓慢缓慢”准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：pA = p外外A +fA假设假设 p外微小外微小可视为准静态过程可视为准静态过程dl以气缸中以气缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W = p A dl =pdV1kg工质工质 w =pdvdl 很小，近似认为很小，近似认为 p 不变不变Moving Boundary Work准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外2mkg

11、工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv留意：留意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程示功图示功图indicator (p-V) diagrampV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV. .12. .2） p-V 图上用面积表示图上用面积表示3功的大小与路径有关，功的大小与路径有关， 过程量过程量Path function4统一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功正）对外作功正） dV0，紧缩，紧缩 外内

12、作功负）外内作功负）5适于准静态下的任何工质一般为流体）适于准静态下的任何工质一般为流体）6外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别，只影响系统功与外界功的大小差别1单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦损失摩擦损失Friction Loss的影响的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，系再返还给系统，系统得到的功统得到的功WT2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1

13、p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程 自由膨胀自由膨胀真空真空 Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程，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。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

14、不考虑系统与外界的状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方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置，便，先按理想情况可逆过程处置， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。因素加以修正。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆Totally reversible Internally reversible 外部可逆，内部不可逆外

15、部可逆，内部不可逆Externally reversible 1-7 功功 量量 Work1 1、力学定义、力学定义: : 力力 在力方向上的位移在力方向上的位移2、热力学定义、热力学定义I 当热力系与外界发生能量传递时，如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。物，此即为热力系对外作功。功的热力学定义功的热力学定义II Work is an energy interaction Work is an energy interaction between a system and its surroundings

16、, between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it of a closed system is not heat, it must be work.must be work. 功是系统与外界相互作用的一种方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，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。式传递的能量。功的表达式功的表达式功的一般

17、表达式功的一般表达式Fdxw Fdxw热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 pdvwpdvw其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等1-8 热量与熵热量与熵Heat and EntropyHeat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 热量定义：热量是热力系与外界相互作热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一

18、种方式，在温度的推动下，以用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。微观无序运动方式传递的能量。热热 量量 如如 何何 表表 达达 ？热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子表示？表示？引入引入“熵熵”热量与容积变化功热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆熵（熵（ Entropy的定义的定义revQdSTreversiblerevqdsT比参数比参数 kJ/kg.Kds: 可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所所得的商得的商 清华大学刘仙洲教授命名为清华大学刘仙洲教授命名为“熵熵”广延量广延量 kJ/K熵的说明熵的说明1 1、熵是状态参数、熵是状态参数 3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向传热的大小与方向2、符号规定、符号规定系统吸热时为正系统吸热时为正 Q 0 dS 0系统放热时