工程热力学课件

工程热力学课件华北电力大学〔北京〕动力工程系工程热物理教研室制造2019年5月

第一章

根本概念

BasicConceptsandDefinition§1-1热力系统thermodynamic

system

热力系统(热力系、系统):人为分割出来，作为热力学研讨对象的有限物质系统。

外界：系统以外的一切物质1、系统(system)与边境(boundary)边境(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都经过边境系统、边境和外界〔surrounding〕边境特性真实、虚拟固定、活动热力系统分类以系统与外界关系划分：有无能否传质开口系闭口系能否传热非绝热系绝热系能否传功非绝功系绝功系能否传热、功、质非孤立系孤立系热力系统其他分类方式其他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紧缩系统simplecompressiblesystem最重要的系统简单可紧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紧缩功膨胀功2.工质workingsubstance;workingmedium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:1〕膨胀性;2〕流动性3〕热容量4〕稳定性，平安性5〕对环境友善6〕价廉，易大量获取物质三态中

气态最适宜。3.热源(heatsource;heatreservoir)定义：工质从中汲取或向之排出热能的物质系统。高温热源〔热源--

heat

source

〕

低温热源〔冷源—heat

sink〕恒温热源(constant

heat

reservoir)变温热源§1-2形状和形状参数形状：某一瞬间热力系所呈现的宏观情况形状参数：描画热力系形状的物理量形状参数的特征：1、形状确定，那么形状参数也确定，反之亦然2、形状参数的积分特征：形状参数的变化量与途径无关，只与初终态有关3、形状参数的微分特征：全微分形状参数的积分特征形状参数变化量与途径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化形状参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判别能否是形状参数强度参数与广延参数intensive

propertyextensive

property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比参数具有强度量的性质比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol§1-3根本形状参数压力p、温度T、比容v〔容易丈量〕1、压力p物理中压强，单位:Pa,N/m2绝对压力p—absolute

pressure

表压力

pe〔pg〕--

gauge

pressure;

真空度

pv—vacuum;

vacuum

pressure当地大气压pb—localatmosphericpressure绝对压力与相对压力当p>pb表压力pe当p<pb真空度pvpbpeppvp环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境留意：环境压力普通为大气压，但不一定。大气压随时间、地点变化。物理大气压1atm=760mmHg当h变化不大ρ常数1mmHg=ρgh=133.3Pa当h变化大，ρρ(h)常用单位：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1mmH2O=9.81Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa例题：如图，知大气压pb=101325Pa，U型管内汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数pgA强调：pb是测压仪表所在环境压力解：2.温度T的普通定义传统：冷热程度的度量。觉得，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度T0.5mw2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〕假设两个系统分别与第三个系统处于热平衡，那么两个系统彼此必然处于热平衡。温度丈量的实际根底B温度计温度的热力学定义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一样，用于描画此宏观特征的物理量温度。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温度的丈量温度计物质〔水银，铂电阻〕特性〔体积膨胀，阻值〕基准点刻度温标常用温标〔temperature

scale〕绝对K摄氏℃华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点559.67温标的换算3.比体积v(specific

volume)［m3/kg]工质聚集的疏密程度定义：单位质量工质的体积。又称为比容。比体积与密度(density)密度：单位体积工质的质量§1-4平衡形状thermodynamic

equilibrium

state

1、定义：在不受外界影响的条件下〔重力场除外〕，假设系统的形状参数不随时间变化，那么该系统处于平衡形状。温差—热不平衡势压差—力不平衡势化学反响—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势2.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，那么形状变化稳定未必平衡假设以〔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3.平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡可不均匀平衡不一定均匀，单相平衡态那么一定是均匀的为什么引入平衡概念？假设系统平衡，可用一组确切的参数〔压力、温度〕描画但平衡形状是死态，没有能量交换能量交换形状变化破坏平衡如何描画4.形状公理闭口系：不平衡势差形状变化能量传送消除一种不平衡势差到达某一方面平衡消除一种能量传送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=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、外表张力功等5.形状方程简单可紧缩系统：N=n+1=2绝热简单可紧缩系统N=?形状方程根本形状参数〔p,v,T)之间的关系形状方程的详细方式理想气体的形状方程实践工质的形状方程？？？形状方程的详细方式取决于工质的性质范德瓦尔方程〔a,b为物性常数〕BWR方程维里型方程可见，实践工质的形状方程是很复杂的6.坐标图简单可紧缩系N=2，平面坐标图pv1〕系统任何平衡态可表示在坐标图上阐明：2〕过程线中恣意一点为平衡态3〕不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图§1-5工质的形状变化过程平衡形状形状不变化能量不能转换非平衡形状无法简单描画热力学引入准静态〔准平衡〕过程普经过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0忽然去掉重物最终p2=p0T2=T0pv12..1.准静态过程〔quasi-static

process〕p1=p0+重物p，Tp0T1=T0假设重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态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准静态过程的工程运用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度〔声速〕350m/s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〕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。“忽然〞“缓慢〞准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA=p外A+fA假设p外微小可视为准静态过程dl以汽缸中工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdl=pdV1kg工质w=pdvdl很小，近似以为p不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1留意：上式仅适用于准静态过程示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW准静态容积变化功的阐明pV.12.1〕单位为[kJ]或[kJ/kg]2〕p-V图上用面积表示3〕功的大小与途径有关功，是过程量4〕一致规定：dV>0，膨胀对外作功〔正〕

dV<0，紧缩外内作功〔负〕5〕适于准静态下的任何工质〔普通为流体〕6〕外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7〕有无f，只影响系统功与外界功的大小差别例题：1kg某种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵照：〔1〕

〔2〕从初态1到达终态2求：两过程中各作功多少？〔a，b为常数〕解：〔1〕〔2〕摩擦损失的影响假设有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’<W假设外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’<W’那么外界、活塞、系统不能同时恢复原态。摩擦损失的影响假设f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W假设外界将得到的功W’再返还给系统那么外界、活塞、系统同时恢复原态。2.可逆过程〔reversible

process〕定义：系统阅历某一过程后，假设能使系统与外界同时恢复到初始形状，而不留下任何痕迹，那么此过程为可逆过程。留意：可逆过程只是指能够性，并不是指必需求回到初态的过程。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经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：耗散效应典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q自在膨胀真空•••••••••••••••••典型的不可逆过程节流过程(阀门〕p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★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状参数表达，可不思索系统与外界的复杂关系，易分析。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，用系统参数加以分析，然后思索不可逆要素加以修正。§1-6过程功和热量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送时，假设对外界的独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，在力的推进下，经过有序运动方式传送的能量。功的表达式功的普通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，外表张力功，电功等热量--heat

定义：仅仅由于温差而

经过边境传送的能量。符号商定：系统吸热“+〞；

放热“-〞

单位：

热量与T-s图热量与功的异同：1.经过边境传送的能量；2.都是过程量；3.功传送由压力差推进，比体积变化是作功标志;热量传送由温差推进，比熵变化是传热的标志；4.功是物系间经过宏观运动发生相互作用传送的

能量；

热是物系间经过紊乱的微粒运动发生相互作用而传送的能量。5。功转变为热是无条件的；热转化为功是有条件、限制的。§1-7热力循环thermodynamic

cycle要实现延续作功，必需构成循环定义：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〔directcycle〕pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112逆循环(reversecycle)pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112热力循环的评价目的正循环〔动力循环〕：对外作功，吸热WT1Q1Q2T2热效率thermal

efficiency制冷系数coefficient

of

performancefor

the

refrigeration

cycle逆循环：净效应〔对内作功，放热〕WT0Q1Q2T21〕制冷循环：制冷系数WT1Q1Q2T02〕制热循环〔热泵循环〕：制热系数、热泵系数、供暖系数第一章小结根本概念：热力系平衡、稳定、均匀准静态、可逆过程量、形状量、形状参数功、热量、熵p-V图、T-S图循环、任务系数第一章讨论课热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系热力系的选取取决于研讨目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边境寻觅相互作用。例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边境，标明功和热的方向。(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体经过活塞从外界吸热Q(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W+W’热量：Q+Q’WQW’Q’(4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’(5)以气缸为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ强度量与广延量速度动能高度位能内能温度摩尔数〔强〕〔强〕〔强〕〔广〕〔广〕〔广〕〔广〕思索题7有人说，不可逆过程是无法恢复到初始形状的过程，这种说法对吗？不对。关键看能否引起外界变化。可逆过程指假设系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必需回到初态的过程。可逆过程与准静态过程的区别和联络可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。判别能否准静态与可逆〔1〕以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热