严家騄版工程热力学PPT第1章基本概念

1、工程热力学基本概念2022-5-31中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室第一章 基本概念Chapter 1 Basic Concept工程热力学基本概念2022-5-32中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室NomenclatureAarea (m2)CPspecific heat at constant pressure (kJ/(kgK)CVspecific heat at constant volume (kJ/(kgK)dexact differentialEstored energy (kJ)estored energy per unit mass (kJ/kg

2、)Fforce (N)gacceleration of gravity ( 9.807 m/s2)Henthalpy (H= U + PV) (kJ)h specific enthalpy (h= u + Pv) (kJ/kg)h convective heat transfer coefficient (W/(m2K)K Kelvin degreesk specific heat ratio, CP/CVk 103kt thermal conductivity (W/(m-C)M molecular weight or molar mass (kg/kmol)M 106m mass (kg)

3、 Nmoles (kmol)n polytropic exponent (isentropic process, ideal gas n = k) isentropic efficiency for turbines, compressors, nozzlesth thermal efficiency (net work done/heat added)P pressure (kPa, MPa, psia, psig)Pa Pascal (N/m2)工程热力学基本概念2022-5-33中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室X distance (m)Xexergy (kJ)x qua

4、lityZ elevation (m)Wnet net work done (Wout - Win)other + Wb (kJ) where Wb = for closed systems and 0 for control volumeswnet Wnet /m, net work done per unit mass (kJ/kg)Wt weight (N)inexact differentialregenerator effectiveness?relative humidity density (kg/m3)humidity ratioQnet net heat transfer (

5、Qin - Qout) (kJ)qnet Qnet /m, net heat transfer per unit mass (kJ/kg)R particular gas constant (kJ/(kgK)Ru universal gas constant (= 8.314 kJ/(kmolK) )S entropy (kJ/K)s specific entropy (kJ/(kgK)T temperature ( C, K, F, R)U internal energy (kJ)u specific internal energy (kJ/(kg K)V volume (m3 ) volu

6、me flow rate (m3/s) velocity (m/s)v specific volume (m3/kg) molar specific volume (m3/kmol) Nomenclature contV Vv工程热力学基本概念国际单位制物理量物理量单单位（符号）位（符号）质质量量千克（千克（kg） ）长长度度米（米（m） ）时间时间秒（秒（s） ）温度温度开开尔尔文（文（K） ）电电流流安培（安培（A） ）物物质质的量的量摩摩尔尔（ （mol） ）发发光光强强度度坎德拉（坎德拉（cd） ）2022-5-34中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室工程热力学基本概念20

7、22-5-35中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室1-1 1-1 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、系统系统的定义的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study工程热力学基本概念2022-5-36中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室1-1 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、外界系统、外界与边界与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分

8、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工程热力学基本概念2022-5-37中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室边界特性边界特性真真实实、虚构、虚构固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary工程热力学基本概念2022-5-38中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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否传功 非绝功系非

9、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 孤立系孤立系工程热力学基本概念2022-5-39中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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工程热力学基本概念2022-5-310中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室1234mQW1 开口系开口系系统系统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

10、+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系工程热力学基本概念2022-5-311中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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工程热力学基本概念2022-5-312中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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

11、胀功膨胀功Simple compressible system工程热力学基本概念2022-5-313中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室1-2 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：状态参数的变化量、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

12、的微分特征：全微分State and state properties工程热力学基本概念2022-5-314中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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工程热力学基本概念2022-5-315中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z =z z

13、 (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Total differentials工程热力学基本概念2022-5-316中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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 如压力如压力 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：比体积比体积VvmUum比比内能内能Hhm比比焓焓S

14、sm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 工程热力学基本概念2022-5-317中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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 Energy

15、StressMolIntensive properties extensive properties工程热力学基本概念2022-5-318中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室Continuum连续介质假设 Viewing the atomic nature of a substance as a continuous, homogeneous matter with no holes. 优点： 可以将系统（状态）参数（性质）描述成点函数，在空间上连续变化。前提：系统特征尺寸大于分子平均自由程工程热力学基本概念2022-5-319中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室 基本

16、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、热力学能热力学能、焓、焓H、熵、熵S1 1、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 = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 PaBasic state properties1psi=6.894757Kpa工程热力学基本概念20

17、22-5-320中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室压力压力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工程热力学基本概念2022-5-321中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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 pg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工程热力学基本概念2022-5-359中国民航大学航空工程学院发

18、动机系工程热物理教研室准静态过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”“缓慢缓慢”工程热力学基本概念2022-5-360中国

19、民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中以汽缸中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 很小很小，近似认为近似认为 p 不变不变Moving Boundary Work工程热力学基本概念2022-5-361中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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2mk

20、g工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程工程热力学基本概念2022-5-362中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室摩擦损失摩擦损失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）p1p2p1p2Frequently encountered irre

21、versibilitiesThrottler工程热力学基本概念2022-5-367中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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工程热力学基本概念2022-5-368中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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

22、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。工程热力学基本概念2022-5-369中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室完全可逆、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

23、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，内部不可逆Externally reversible 工程热力学基本概念2022-5-370中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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

24、 which this force acts力力 在力方向上的位移在力方向上的位移But1-6 功功 量量 Work和热量和热量Q工程热力学基本概念2022-5-371中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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

25、of a weight.工程热力学基本概念2022-5-372中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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 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。工程热力学基本概念2022-5-373中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室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 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 w =pdv21wpdv工程热力学基本概念2022-5-374中国民航大学航空工程学院发动机系工程热物理教研室热量热量 HeatHeat is defined as