工程热力学(王修彦)课件

§1-4平衡状态thermodynamic

equilibrium

state

1、定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。

温差

—热不平衡势

压差

—力不平衡势

化学反应—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，则状态变化稳定未必平衡稳定不一定平衡，但平衡一定稳定3.平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上均匀系：热力系各部分的成分，状态和性质都相同。非均匀系：热力系各部分的成分，状态和性质各不相同。即使热力系各部分的成分相同，若状态性质不同，也算做非均匀系平衡可不均匀平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述4.状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差

达到某一方面平衡

消除一种能量传递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、表面张力功等5.状态方程简单可压缩系统：N=n

+1=2绝热简单可压缩系统

N=?状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形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，实际工质的状态方程是很复杂的6.坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任一平衡态可表示在坐标图上说明：2）不平衡态无法在图上用点表示常见p-v图和T-s图工程热力学只研究平衡态思考题闭口系统与外界无物质交换，保持质量恒定，那么系统内保持质量恒定的热力系统一定是闭口系统吗？开口系统与外界有物质交换，物质又和能量不可分割，所以开口系统不可能是绝热系统，对否，为什么？思考题当地大气压与环境大气压的关系倘使容器中其它的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？§1-5工质的状态变化过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..1.准静态过程（quasi-static

process）p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如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有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？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

准静态过程压差0温差0无限缓慢准静态过程的工程应用例：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）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。“突然”“缓慢”摩擦损失的影响若有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若外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’<W’则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。摩擦损失的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。2.可逆过程（reversible

process）定义：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。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通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自由膨胀真空•••••••••••••••••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。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。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）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。还可以考虑如何消除不可逆因素，来接近可逆过程。完全可逆、内可逆与外可逆

完全可逆

可逆内部可逆，外部不可逆

外部可逆，内部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆思考题判断下列过程是否可逆1、定量气体在气缸中缓缓推动活塞做无摩擦的绝热膨胀。2活塞－气缸中贮有水，缓缓对水加热使之蒸发而推动活塞。思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。§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

a、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举起重物，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，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。热力学中约定：系统对外界做功取＋，

外界对系统做功取—功W的单位：焦耳“J”1J＝1N·m比功w＝W/m1kg工质完成的功单位：J/kg功率：单位时间内完成的功单位瓦“W”1W=1J/s准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA

=p外A+fA如果

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

=pA

dl=pdV1kg工质w

=pdvdl很小，近似认为

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示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW准静态过程容积变化功的说明pV.12.1）单位为[kJ]

或[kJ/kg]2）

p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关功，是过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）

dV<0，压缩外内作功（负）5）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循：（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）功的表达式功的一般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，表面张力功，电功等广义功固体中弹性力所做的功液体表面张力所做的功电极化功磁化功1、热量定义：

热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。

另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量--heat热量--heat

定义：仅仅由于温差而

通过边界传递的能量。符号约定：系统吸热“+”；

放热“-”

Qmkg工质交换的热量。单位：

q1kg工质交换的热量。单位：J/kgkJ/kg热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p

温度T标志

dV,dv

dS

,ds公式条件准静态或可逆可逆热量与T-s图熵（Entropy）的定义reversible熵的简单引入比参数

[kJ/kg.K]ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量

[kJ/K]熵的说明1、熵是状态参数

3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程

传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正

Q>0dS

>0系统放热时为负

Q<0dS

<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量热量与功的异同：

1.通过边界传递的能量；

2.都是过程量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志;热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的

能量；

热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。

5.功转变为热是无条件的；热转化为功是有条件、限度的。

示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图§1-7热力循环thermodynamic

cycle要实现连续作功，必须构成循环定义：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热力循环的评价指标正循环（动力循环）：对外作功，吸热WT1Q1Q2T2热效率thermal

efficiency<1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>1第一章小结基本概念：热力系平衡、稳定、均匀准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功、热量、熵

p-V图、T-S图循环、工作系数第一章讨论课

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究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。1234mQW1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，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：气体通过活塞从外界吸热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）思考题物质的温度愈高，所具有的热量愈多，对否？用摄氏温度计和华氏温度计测量同一物体的温度，读数相同，求物体的温度？可逆过程与准静态过程的区别和联系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＋无耗散判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆判断是否准静态与可逆（2）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水