工程热力学第一章.ppt

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1、第一章 基本概念,教学目标: 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。 知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。 重 点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。 难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。,1-1 热力系统,一、系统、边界与外界 热力系统的定义：将所要研究的对象与周围分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（简称系统） 。 系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。

2、,界面的特性:,可以是真实的， 也可以是虚拟的； 可以是固定的， 也可以是运动的。,界面,热 源,外界,外界,热力系统,热力系统、界面、外界例,系 统,系 统,界面,热力系统、界面、外界例,研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？,系 统,界面,外界,外界,热力系、界面、外界例,热力系、界面、外例,系 统,界面,二、热力系统的分类,(一)按系统与外界之间的相互联系划分： 1.闭口系统系统与外界无物质交换的热力系统。 2.开口系统系统与外界有物质交换的热力系统。 3.绝热系统系统与外界无热量交换的热力系统。 4.孤立系统系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。,闭口系统,开口热力系

3、,1 开口系,热力系统,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,三、按照系统内部的情况可划分,1.单相系系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一个相，由单一物相组成的系统称为单相系。 2.复相系有两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成称三相系。 3.单元系由一种化学成分组成的系统称为单元系。 4.多元系由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系。 5.均匀系成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系 6.非均匀系在整个系统空间非均匀分布称为非均匀系,热力系统的分类,1-2工质的热力状态及其基本状态参数,一、状态与状态参数 热力状态定

4、义:工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为热力状态（简称为状态） 。,状态参数定义:,描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。,状态参数的数学特性：,或,热力学中常用的状态参数：,温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。,二、基本状态参数,基本状态参数： 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。,如 ：温度、压力、比容,1.温度,）热力学第零定律 如果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，这一规律称为热力学第零定律。,）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。,）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称

5、为温标。,建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。,状态参数温度,热力学温标 ,常用的温标,摄氏温标 t ,基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为0。沸点温度为100。,分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。0与100这两个基准点之间分成100等分, 每一等分为1度。,基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相 点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。,t = T273.15,热力学温标与摄氏温标之间的关系：,常用的温标,.压力 单位面积上所受到的垂直作用力。,表达式,或,上式计算出的是热

6、力系的真实压力称为绝对压力 p。,由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。,由气压计测量出来的压力称为大气压力 B。,表压力pg、大气压力B和绝对压力p之间的关系如下：,常用的压力单位间的关系,U形管式压力计示意图,真空度,U形管式压力计示意图,B,B,pB,PB,P=B+pg,P=B-H,H,3.比容、密度和重度, 比容 单位质量物质所占有的容积，称为比容。,表达式, 密度 单位容积的物质所具有的质量，称为密度。,表达式,表达式, 重度 单位容积内所含有物质的重量，称为重度。,三、强度性参数与广延性参数,强度参数与系统内包含物质的多少无关。,广延参数与系统内包含物质的多少有关。,如：温度、压

7、力、比容、比内能、比焓、比熵等。,如：总内能、总焓、总熵等。,1-3 平衡状态、状态公里及状态方程,一、平衡状态 定义:一个热力系,在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。,问题：如何定量描述工质的状态？,实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,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，单相平衡态则一定是均匀的,二、状态公里,闭口系：,不平衡势差

8、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+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,简单可压缩系统：N = n + 1 = 2,三、状态方程,对于简单可压缩系统,状态方程:,或,状态参数坐标图,1,定义：反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。,1-4 准静态过程与可逆过程,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、准静态过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 =

9、 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:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间及短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。,准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。,实际过程都是不平衡的。,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

10、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程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,可逆过程的定义： 当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,可逆过程的描述,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。,二、可逆过程,可逆过程的实现,准静态过程 + 无

11、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,节流过程 (阀门）,自由膨胀,混合过程,可逆过程与准平衡过程的区别：,1.可逆过程一定是准平衡过程；,2.准平衡过程不一定是可逆过程。,实际过程都是不可逆过程！,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

12、以分析，然后考虑不可逆，因素加以修正。,三、可逆过程的膨胀功（体积功）,1、力学定义: 力 在力方向上的位移,2、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。,功的一般表达式,功的单位:J,kJ,可逆过程功的推导,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,注意：微元功 不是全微分， 表示微小量，而不是微小增量,所以,功可正可负也可以为零,即：功是过程量,不是状态量，其大小与初、终状态有关, 也与路径有关,四、可逆过程的热量,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。,另一

13、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。,热量计算公式:,热量单位:J,kJ,微小热量 ：, 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。,总热量：,积分与过程有关 。,热量是过程量,热量与容积变化功的对比,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,循环过程工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。 如图：循环1-2-3-4-1,1-5 热力循环,循环概念,循环过程的特点经一个

14、循环后系统的内能不变。 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积,循环的经济性,可逆循环与不可逆循环,全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。,一、正循环,定义,把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,正循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,Wnet,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,二、逆循环,定义,把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,逆循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,Wnet,T0,Q1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,制热循环：制热系数,本章结束！,