热工学课件第一章.ppt

1、,第一章 热工学基本概念 (Basic concept and definition),1-1 热力系,1-2 状态和状态参数,1-4 状态方程和状态参数坐标图,1-6 功和热量,内容提要,1-3 平衡状态,1-5 过程和循环,1-7 三种基本热传递方式,1-1 热力系,1.系统,系统是指我们所要研究的某种物质或空间中某一几何区域，而系统外的所有物质或区域则称为环境。分开系统与环境的真实或假想面称为边界。,系统,环境,边界,1-1 热力系,2.热力系分类,开口系：与外界有物质交换。 闭口系：与外界无物质交换。 绝热系：与外界无热量交换。 孤立系：与外界既无能量交换，有无物质交换。,常见热力系统

2、：,虚拟的 静止的 开口的,热力系统其它分类方式,物理化学性质：均匀系 ，非均匀系,工质种类：单元系多元系,相态：单相，多相,1-1 热力系,“邻国相望,鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”,A,B,A or B is a system,closed system,A+B as a system, Isolated system,表明热力系统选取具有人为性,1-1 热力系,1-2 状态和状态参数,1.工质：,用来实现能量相互转换的媒介物质。工程中常用的工质是可压缩的 流体（水蒸汽、 燃气，空气等）。,2.热力学状态：,热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状态。,3.状态参数：,当描述一定质量气体所组成

3、的系统，可以不必知道单个气体分子的微观信息（如速度或动量等），而只要用如压力、容积、质量、温度等几个宏观变量即状态参数描述。若这些状态参数有确定的值，那么系统状态就确定了。,描述系统所处状态的宏观物理量。,(1)状态参数是宏观量，是大量粒子的平均效应，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数,(2)状态参数状态的单值函数,(3)物理上与过程无关,(4)数学上,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；,状态参数的微分特征：全微分。,4.状态参数的特征：,1-2 状态和状态参数,1,2,a,b,例如：温差, 山的高度,积分特征:,1-2 状态和状态参数,状态参数的判断标

4、准:,微分特征:,1-2 状态和状态参数,常用的有：温度T、容积V、压力p、焓H、熵S、内能U。 一.温度（T，单位） ： 定义：描述系统冷、热状况的状态参数，标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。,5.常用的状态参数,1-2 状态和状态参数,温度是怎么测量的?,1-2 状态和状态参数,制成温度计,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热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,1-2 状态和状态参数,温度尺度: Celsius: ; Kelvin: K; Fahrenheit: F;,1-2 状态和状态参数,Celsius: ,Triple po

5、int of water,Boiling point of water,Absolute zero,-273.15 ,0,100 ,Kelvin: K,0 K,273.15K,373.15K,Fahrenheit: F,32F,212F,100parts,100parts,180parts,1-2 状态和状态参数,不同温度尺度之间的联系:,1-2 状态和状态参数,二.压力 定义:单位面积上所承受的垂直作用力。 压力分类 : 表压：gage pressure 绝对压力：absolute pressure 大气压： atmosphere pressure，surround pressure,1-2

6、 状态和状态参数,Increase or decrease?,Pressure gage,Pressure vessel,Surround pressure vessel,Vacuum pump,1-2 状态和状态参数,Increase or decrease?,Pressure gage,Pressure vessel,Surround pressure vessel,Compress,1-2 状态和状态参数,压力之间的联系: P=F/s Pgage=Pabs Patm (for pressure above Patm ) Pvac =Patm Pabs (for pressure belo

7、w Patm ) 单位: 1Pa = N/m2 1 MPa = 106Pa 1 bar = 105Pa 1 atm = 735.6 mmHg,1-2 状态和状态参数,三.比容,密度: =m/V (kg/m3),比容: v=V/m(m3/kg),1-2 状态和状态参数,1.汽车引擎产生的热量一般都是通过一个带循环水的散热器排放到空气中，如果将散热器作为一个系统，这个系统是开口系还是闭口系，为什么？,复 习,2.在一个加热过程中，温度升高了10 ,则温度升高了多少 K 和 F。,3.一个容器上的真空表压计的读数为0.58bar，此时大气压为1bar. 容器内的绝对压力为多少？,1.开口系，因为有质

8、量交换；,2.10,18；,3.0.42bar。,1-3 平衡状态,平衡态,实验表明，一个不受外界影响的系统，无论它的初始状态如何，经过充分长时间后，它必将达到这样一种状态，系统的宏观性质不随时间变化，即达到平衡状态。 1.定义：没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态。 2.实现条件：一切不平衡势差（力差，温差，化学势差,相变）全部消失。,平衡的类型(Many types of Equilibrium),热平衡Thermal equilibrium :,力平衡Mechanical equilibrium,相平衡Phase equilibrium,化学平衡Chemical eq

9、uilibrium,1-3 平衡状态,1）热平衡定义： 若热力系内的温度各部分均匀一致且等于外界的温度，则此热力系处于热平衡。,温差 Temperature differential,热不平衡势Unbalanced potentials,2）力平衡 若热力系内部无不平衡的力且作用在边界上的力和外力相平衡，则此热力系即处于力平衡。,压差 Pressure differential,力不平衡势Unbalanced potentials,1-3 平衡状态,3）化学平衡 若热力系内的物质化学反应的正逆反应达到平衡时， 则此热力系即处于化学平衡。,不平衡的动力：化学不平衡势Unbalanced pote

10、ntials,4）相平衡Phase equilibrium : 若热力系内的每相质量达到平衡时，且保持不变，则此热力系即处于相平衡。,不平衡的动力：相不平衡势Unbalanced potentials,1-3 平衡状态,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡的本质: 不存在不平衡势。,In an equilibrium state there are no unbalanced potentials.,1-3 平衡状态,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,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，如下图所示:,稳定不一定平衡

11、，但平衡一定稳定。,3.平衡和稳定,1-3 平衡状态,4.平衡和均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。,1-3 平衡状态,1.状态方程 当系统处于平衡状态，状态参数之间必然具有相互联系，将这种联系写成方程的形式，就是状态方程。,2.状态参数坐标图 状态参数坐标图即将参数参数在坐标图上表示出来.只有当系统处于平衡态时，才能在坐标图上表示。常见的有下面两种图：,1-4 状态方程和状态参数坐标图,v,p,1,v1,p1,2,v2,p2,P-v Diagram,1-4 状态方程和状态参数坐标图,s,T,1,s1,T1,2,s2,T2,T-s Diagram,1-4

12、 状态方程和状态参数坐标图,1.过程 定义: 当系统从一个状态到另一个状态，则系统经历了一个过程。,v,p,1,v1,p1,2,v2,p2,Process,Initial state,Final state,Process path,1-5 过程和循环,定义: 当系统在所有的时间都无限接近于平衡状态，则称系统经历了一个准平衡过程。准平衡过程可认为是一个无限缓慢的过程。,2.准平衡过程,1-5 过程和循环,恩格斯指出：“只有微分学才能使自然科学有可能用数学来不仅仅表明状态，并且也表明过程：运动。”,Very fast compression (non-quasi-equilibrium),1-5

13、 过程和循环,Slow compression (Quasi-equilibrium),1-5 过程和循环,准静态过程实际意义,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？,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”,1-5 过程和循环,3.可逆过程,定义：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。,1-5 过程和循环,可逆过程 = 准静态过程 + 无耗散效应,在工程实际中的过程都是不可逆过程，只是有些我们可以近似简化成可逆过程。,(摩擦，电阻，

14、非弹性变性，磁阻等）,1-5 过程和循环,（1）定质量的空气在无磨擦的、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩。,（2）100的蒸汽流和25的水流绝热混合。,（3）摩拖发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。,判断下列过程是否可逆，并说明原因,（4）对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发。,答案：（1）可逆,（2）不可逆,（3）不可逆,（4）可逆/不可逆,1-5 过程和循环,可逆过程 = 准静态过程 + 无耗散效应,4. 循环,v,p,1,v1,p1,2,v2,p2,Process,Initial state,Final state,Process path,1-5 过程和循环,v,p,p-v Di

15、agram,1-5 过程和循环,s,T,T-s Diagram,1-5 过程和循环,正循环(Power cycle) Vs 逆循环(Refrigeration cycle),1-5 过程和循环,1.功 定义:热力系通过界面和外界进行的机械能的交换量称为作功量，简称功。,功不是一个状态参数!,功是一个瞬时量，不能说热力系在某一状态下有多少功，而只能说热力系在某一过程中对外作了或从外界获得了多少功。,1-6 功和热量,V,p,1,2,dv,dx,1-6 功和热量,单位质量的功:,膨胀: dv0 dw1-20 压缩: dv0 dw1-20 单位: J, kJ , J/kg , kJ/kg,1-6 功

16、和热量,2.热 定义: 热力系通过界面和外界进行的热能交换量则称为传热量，简称热量。 热和功类似，也是一个瞬时量，说某个物体具有多少热量是错误的。 通常用Q表示传热量， q表示单位质量传热量。,1-6 功和热量,Q=qm 当系统吸热时: q0 当系统放热时: q0 单位: J, kJ , cal, kcal J/kg , kJ/kg, cal/kg, kcal/kg 1kcal=4.1868kJ,1-6 功和热量,3.热和功的异同,1-6 功和热量,1-6 功和热量,同: 1. 都是系统与外界传递的能量，是传递中的 能 量，不是包含在系统内部的能量。 2. 是迁移能，一旦越过边界，便转化为系统

17、或外 界的能量。 3. 是过程量，不是状态量，都是路径函数，不是 点函数，大小与过程有关。,3.热和功的异同,1-6 功和热量,1-6 功和热量,异：1.能量的形式不同，效果不同，功属于机械能的传递量， 热属于热能的传递量。 2.引起能量传递的原因不同，一种是压力差，一种是温差。,3.功和热的本质不同: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,传热现象分析 (Learn from experience),空气（25）,热水（80）,描述杯内热水的温度变化过程与杯壁的温度变化 Describe the change process o

18、f temperature 温度变化原因 Investigate the reason that causes the temperature changes 传热过程分析 Analysis of the heat transfer processes,1-7 三种基本热传递方式,温度变化过程描述,空气（25）,热水（80）,温度 ,时间,25,80,温度 ,时间,25,50,(a) 热水的温度变化过程,(b) 杯壁的温度变化过程,1-7 三种基本热传递方式,空气（25）,热水（80）,系统与环境（System and environment）,系统与环境之间由于存在着温度差因而发生了热量的传递。 Heat transfer occurs between the system and the environment,系统,环境,边界,1-7 三种基本热传递方式,传热过程分析,空气（25）,热水（80）,我们所关心的两个重要问题： (1) 热是如何传递的？ (2) 传递了多少热量？,通常情况下或不受外界干预情况时，热是由高温到低温方向传递（如右图）。但由于环境介质不同，热的传递方式与传递能力有明显区别！, 高温热水 流动空气； 高温热水 固体杯壁 + 流动空气； 高温热水 固体杯底 + 静止空气 + 桌面,很明显， ,1-7 三