工程热力学课件第1章基本概念

1、第一章 基本概念,1.1 热力系统,热力系统(热力系、系统)：把物体中相互联系的一部分或全部人为地分割开来，作为热力学研究对象。,外界：系统以外的所有物质,1、热力系统,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,系统,外界,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,注：选择不同的系统，只影响问题分析的难易，不会影响分析结果。,边界特性,2、可以是真实的， 也可以是虚构的,1、可以是固定的， 也可以是活动,汽缸活塞系统,热力系统分类,（1）按系统与外界的质量m交换分,（2）按能量交换情况，分为：,1、孤立系统一定是绝热系统，对吗？Why?,2、闭口

2、绝热系统一定是孤立系统。,热力系统其它分类方式,其它分类,按物理化学性质分：,均匀系 非均匀系,按工质种类分：,多元系,单元系,按相态分：,多相,单相,1.2 热力状态,状态：某一瞬间系统所呈现的宏观状况,状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量,基本状态参数：可直接测量的参数，如：P, v, T,导出状态参数：不易测量，但可用公式计算得到的参数，如u, h, s,1.2.1 状态及状态参数,基本状态参数,（压力 p、温度 T、比容 v）,1、压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2,常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg

3、 = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,绝对压力P：气体的真实压力,绝对压力、表压、真空度,相对压力（表压力Pg、真空度Pv）：压力计显示的压力,问：一个密闭、绝热的气体储罐，其上压力表的读数可能变化吗？,注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数 ！,若大气压用Pb表示，则： P= Pb+ Pg ； P= Pb - Pv,例题：,例1：环境压力为 0.1 MPa，表B的读数为0.2 MPa，表C的读数为 0.05 MPa，问：表A的读数为多少？,例2：当地大气压为100kPa，容器A上压力表读数为0.8MP

4、a，容器B上真空表读数为30kPa，则容器A内的绝压为 MPa，容器B的真空度为 kPa。,2、温度T,宏观：系统热力平衡状况时冷热程度的物理量,微观：是大量分子热运动强烈程度的量度 T 0.5 m w 2,（1）T 的一般定义,（2）温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler）： 如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。,温度测量的理论基础,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量,温度的测量,温度计,物质 （水银，酒精，铂电

5、阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,选择题：40与 40F 的关系为： A. B. C. D. 不确定,比容v,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,1.2.2 状态参数的特性,（1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然,（2）积分特征：状态参数在数学上为点

6、函数、态函数,系统经历一个循环后，状态参数的变化量为零。,从一个状态到另一个状态: 状态参数的变化量只与初终态有关，而与路径无关；,（3）状态参数的微分特征,Z为状态参数的充要条件：,强度参数与广延参数,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：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol 具有强度量的性质,1.2.3 平衡状态,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 热不平衡势差 压差、力差 力不平衡势差 化学位

7、化学不平衡势差,实现热力平衡的条件：不存在不平衡势差,即：热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡,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(温差),若去掉外界影响（两恒温热源），则状态变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，但均匀一定平衡 对于单相，平衡态则一定是均匀的,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，则可用一组确切的状态参数描述系统所处的状态。,如果系统不平衡，则不能！,工程热力学研究的正是这种平衡状态。,1.2.4 状态方程、坐标图,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,No!,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？

8、,相律：,描述一个系统所需独立变量(自由度)的个数: 2 -独立变量个数 -系统所含组分数 -相态数（气、液、固）,问题： 1、确定空气储罐中空气的状态，需要几个参数？ 2、汽、水共存的系统呢？,理想气体的状态方程：,实际工质的状态方程？,一个系统只有个独立状态参数作为自变量，其余状态参数可视为因变量。将任意因变量表示为自变量的函数关系式，称为状态方程。 因p,v,T为基本状态参数（可测量），常被选作自变量。,状态方程,例：R134a的维里型状态方程,状态参数坐标图,简单可压缩系 =2，常用的: p-v图和T-s图：,说明： 系统任何平衡态都可表示在坐标图上。, 不平衡态无法表示在图上。,1.

9、3 热力过程,1、热力过程：在不平衡势差的作用下，系统从一个状态变化到另一个状态所经历的历程。,问题：,热力学研究： 平衡状态,热力学研究： 能量转换,可见： “平衡”和“过程”是一对矛盾体，如何解决？,2、准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,P0 T0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,（1）一般过程,（2）准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态, 准静态过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。,实现准静态过程的

10、条件：,过程进行得无限缓慢,不平衡势差为无限小。,引入准静态过程的意义,2、实际意义：,疑问：准静态过程为无限缓慢的过程，工程上有意义吗？,1、理论意义：解决了“平衡”和“过程”的矛盾,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=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/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

11、程,3、可逆过程,可逆过程：系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到初始状态，而不留下任何痕迹。,2、不可逆过程包括： 1）若不付出代价（外界不留下痕迹），则系统无法恢复到初态； 2）系统恢复到初态，但外界留下了痕迹。,理解： 1、可逆：系统回到初态，且外界同时恢复到初态。,实现可逆过程的条件,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,不平衡势差为无限小,使功变热的效应 (摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不可逆因素,耗散效应,系统和外界均不存在不可逆因素的过程才是可逆过程, 可逆过程可以在状态参数坐标图上确切地表示出来。,典型的不可逆过程,典型的不可逆过程,引入可逆过程的意义, 准静

12、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，为评价实际过程的完善程度提供了一个比较基准。, 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。, 实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，然后考虑不可逆因素加以修正。-科学研究方法,例：判断是否准静态与可逆,以冰水混合物为热力系,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,4、热力循环,目的：实现连续的能量转换。,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。,分类：,（1）按是否可逆分,（2）按能量

13、转换目的分,正循环,净效应：从高温热源吸热，对外作功,正循环（QW）：顺时针方向,逆循环,净效应：消耗外功，将低温热源的热量传给高温热源,逆循环（ W Q ） ：逆时针方向,热力循环的评价指标,正循环：吸热，对外作功,评价指标：热效率,目的：要W,例 某动力循环，工质从高温热源吸取了1000kJ热量，做功后向低温热源排放热量600kJ，求其热效率。,热力循环的评价指标,逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源制冷循环,评价指标：制冷系数,目的：要Q2,例 某空调名牌上参数：制冷量：3200W；输入电功率：1200W，求：该空调机的制冷系数。,热力循环的评价指标,目的：要Q1,逆循环：消耗外部功，将低温热源的热量传给高温热源热泵循环,评价指标：供热系数,例 某冷、暖空调名牌上参数：制热量：4000W；输入电功率：1200W，求：该空调机的供热系数。,作 业,