工程热力学 第一章3

1、第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts1.热能动力装置(Thermal power plant) 定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备得到动力的整套设备。分类：共同本质：共同本质：由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 气体动力装置气体动力装置(combustion gas power plant) 内燃机内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机动力装置燃气轮机动力装置(gas turbine power plant) 喷气动力装置喷气动力装置(jet power

2、 plant) 蒸汽动力装置蒸汽动力装置(steam power plant)图喷气发动机.ppt图燃气轮机装置.ppt图设备图内燃机.doc图设备图电厂鸟览图.doc1-1 1-1 热能转变成机械能的过程热能转变成机械能的过程2.工质(working substance; working medium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:物质三态中气态气态最适宜。 1）膨胀性膨胀性; 2）流动性流动性 3）热容量热容量 4）稳定性，安全性稳定性，安全性 5）对环境友善对环境友善 6）价廉，易大量获取价廉，易大量获取3.热源(heat

3、source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源（热源高温热源（热源- heat source ） 低温热源（冷源低温热源（冷源heat sink） 恒温热源恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源变温热源1-2 1-2 热力系统热力系统热力系统热力系统(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、系统的定义系统的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space

4、 chosen for study1-1 1-1 热力系统热力系统外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界系统、外界与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界surroundingsboundary边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、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： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭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

5、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 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 system热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非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最重要的系统系统 简单可压缩系统简

6、单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功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 system1-3 状态和状态参数状态和状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：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积分特征：状态参数的变化量：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

7、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 =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy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

8、Total differentials强度参数与广延参数强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的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：比比容容VvmUum比比内能内能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质Intensive properties Extensive 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

9、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温度温度 T、压力、压力 p、比体积、比体积 v （容易测量）（容易测量）一、一、温度温度 T ( Temperature )Basic state properties温度温度T 的一般定义的一般定义传统：传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量冷热程度的度量。感觉，导

10、热，热容量微观：微观：衡量分子平均动能的量度衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 21) 同同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气不同，如碳固体和碳蒸气2) 0.5mw 2总总 0, T 0, 1951年核磁共振法对年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，分子一切运动停止， 零点能零点能温度的热力学定义温度的热力学定义热力学第零定律热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处

11、于，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的温度测量的理论基础理论基础B 温度计温度计The Zeroth Law of Thermodynamics如果两个系统分别与第三个系统处如果两个系统分别与第三个系统处于于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于，则两个系统彼此必然处于热热平衡平衡。 If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.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热力学第零零定律定律

12、1931年年 T热力学第热力学第一一定律定律 1840 1850年年 E热力学第热力学第二二定律定律 1854 1855年年 S热力学第热力学第三三定律定律 1906年年 S基准基准温度的热力学定义温度的热力学定义处于同一处于同一热平衡热平衡状态的各个热力系，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此宏观特征的物理量 温度温度。 温度温度是确定一个系统是否与其它系是确定一个系统是否与其它系统处于统处于热平衡热平衡的物理量的物理量Temperature measurement温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻水银，铂电阻）特性

13、特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度 Scale温标温标 Temperature scaleReference state温标温标Temperature scale 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907） 摄氏温标摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736) 朗肯温标朗肯温标Rankine scale

14、(W. Rankine, 1820-1872)常用温标之间的关系常用温标之间的关系绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点559.67温标的换算温标的换算O 273.15T Kt CO5( 32)9t Ct F 459.67t Ft RTemperature Measurement Devices日常日常：水银温度计：水银温度计，酒精温度计，酒精温度计， thermometer

15、工业工业：热电偶：热电偶 Thermocouple 热电阻热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计辐射温度计Radiation thermometer计量计量：铂电阻温度计：铂电阻温度计 Platinum1-3 基本状态参数基本状态参数温度温度 T、压力、压力 p、比体积、比体积 v （容易测量）（容易测量）二、二、压力压力 p ( pressure ) 物理中物理中压强压强，单位单位: Pa (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 =

16、 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 PaBasic state properties压力压力p测量测量示意图绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的相对值的相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才是才是状态参数状态参数U-tube manometerBourdon 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

17、程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 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=2000 2 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）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程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。“突然突然”“”“缓缓慢慢”可逆可逆reversible过程的定义过程的定义 系统经历某一过程后

18、，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系系统统与与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不留恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为下任何痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程。A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings. That is, both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.注意注意可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只

19、是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应irreversibilityDissipative effectHeat transfer常见的不可逆过程常见的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequ

20、ently 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准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考

21、虑系统与外界表达，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，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 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 因素加以因素加以修正。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，内部不可逆外部可逆

22、，内部不可逆Externally reversible 1-6 过程功和热量过程功和热量1 1、力学力学定义定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义I热力学热力学定义定义II功的力学定义功的力学定义Definition of Work of Mechanics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The product of a force and the distance through which this force acts力力 在力方向上的位移在力方向上的位移But功的热力学定义功的热力学定义I 当热力系与外界发生能量传

23、递时，当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的如果对外界的唯一效果可归结为取起重唯一效果可归结为取起重物物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。 Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight.功的热力学定义功的热力学定义II Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of

24、 a closed system is not heat, it 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，在式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方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功的一般表达式的一般表达式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：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等功是过程量功是过程量功可以用功可以用p-v图上过程线与图上过程线与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示212211ddWWpA xp V 功、可

25、逆过程的功功、可逆过程的功 功的符号约定功的符号约定： 系统对外作功为系统对外作功为“+”； 外界对系统作功为外界对系统作功为“-”功的单位：kJJ或功率的单位：J /sWk J /sk W附：1kW h3600kJ 功、可逆过程的功功、可逆过程的功几点讨论有用功有用功(useful work)概念概念pluWWWW其中 W膨胀功(compression/expansion)； Wl摩擦耗功； Wp=排斥大气功例题第一章A7001331.pptpbf用外部参数计算不可逆过程的功用外部参数计算不可逆过程的功21dWpVVpAHpW00?广义功广义功(generalized work)简介简介弹性力功表面张力功 电极化功及磁化功等四四. 热量热量-heat定义定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而 通过边界传递的能量通过边界传