《工程热力学》第一章基本概念.ppt

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1、1,第一章 基本概念（4学时）,基本内容 热力学系统及状态、状态参数；平衡状态、状态方程式；热力过程及准静态过程；准静态过程的功；热量；功；热量与功的类比；热力循环等概念。,基本要求 掌握工程热力学的基本术语与概念（热力系、平衡态、准平衡过程等） 掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T关系 区别热力过程与准静态过程的概念内涵； 区别热量与功量过程量的特征 掌握热力循环概念,2,1-1 热能在热机中转变为机械能的过程（参见绪论部分）,蒸汽动力装置 内燃机 燃气轮机 蒸汽压缩制冷装置,3,1-2 热力学系统,1.2.1 热力学系统及相关概念 1.2.2 热力学系统种类,4,1.2.1.热力学系

2、统及相关概念,热力学系统：选取某些固定物质或某个固定空间中的物质作为热力学分析的对象，称为热力学系统，涉及如下概念 热机：将热能转化为机械能的机器,通称热机，如蒸汽动力循环系统；内燃机；制冷系统等 工质：媒介物质,通过其状态变化实现将热能转化为机械能,即工作物质,简称“工质”。如水及水蒸气、空气或燃气、各类制冷剂等 热源：热容量很大,吸、放热量有限时其自身温度及其他状态参数无显著变化的物质或物体,称为热源（常被当作外界考虑） 热力系统外界：热力系统之外与能量转换过程有关的一切其他物质的统称 热力系统边界：系统与外界之间的分界面。可假想、可实际存在；可固定、可有位移或变形,5,1.2.2 热力学

3、系统种类,按控制对象分 闭口系统（控制质量） 开口系统（控制容积） 其它 绝热系统 孤立系统 系统内部状况的不同分 均匀系与非均匀系 单元系与多元系,6,P,工质,闭口系统,外界,边界,热源,外界,开口系统,1,1,2,2,边界,热源,进口,出口,7,开口系统,冷空气,热空气,1,1,2,2,加热器,孤立系统,热源,8,系,真空容器,边界可变形系统,阀门,假想边界,统,9,1-3 工质的热力学状态及基本状态参数,1.3.1 基本术语： 状态 状态参数 1.3.2 基本状态参数 比容及密度 压力 温度,10,1.3.1、基本术语-状态、状态参数,1、状态：工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观

4、物理状况称状态 2、状态参数：表示状态特征的物理量称为状态参数 状态与状态参数是一一对应的 3、状态参数特点 数学特征为点函数： 微元变化的微增量具全微分性质 4、热力学基本状态参数为三个：比容、压力、温度,11,1.3.2、基本状态参数-比容及密度,1、定义： 单位质量物质所占有的容积，称为比容，以v表示 单位容积物质所占有的质量，称为密度，以 表示 2、单位 比容：m3/kg 或 立方米/千克 密度：kg/m3 或 千克/立方米 其他单位制,12,1.3.2 基本状态参数-温度,1、定义：标志物体冷热程度的量度 2、热力学第0定律-确定温度概念的基础: 两个系统分别与第三个系统处于热平衡,

5、则两系统彼此处于热平衡 一切系统必定有一共同的表征系统宏观状况的状态参数,对所有处于热平衡的系统该参数具相同的数值-温度 3、温标及换算 基本温标： 热力学温标，热力学温度，以T表示，单位开（K） 热力学摄氏温标：以t表示，单位0C； T（k）= t（ 0C ）+273.15,13,1.3.3 基本状态参数-压力（压强）,1、定义：流体在单位面积上的垂直作用力，热力学称之压 力（绝对压力），描述流体物质所组成的热力学系统内部力学状态的状态参数 计算: P = F/A 单位制及换算（见书附录10(1) : SI制 帕斯卡,Pa=N/m2 巴(bar)=105Pa 工程大气压(at)= 9.870

6、4x104Pa, 标准大气压(atm)= 1.01325x 105Pa=760mmHg 毫米汞柱(mmHg) 毫米水柱(mmH2O)= 9.8704Pa,14,2、表压力Pg：工质的真实压力P与大气压力Pb之差 Pe=P-Pb 或 P=Pb+Pe 真空度Pv：工质的大气压力与真实压力之差 Pv= Pb - P 或 P=Pb-Pv,P,Pe,真实压力P大于 大气压力Pb P=Pe+Pb,Pb,P,Pb,Pv,真实压力P小于 大气压力Pb P=Pb-Pv,15,3、绝对压力P、表压力Pe与真空度Pv关系,Pb,P,Pe,Pv,P,(PPb),PPb,16,例题1: 某容器被一刚性隔板分成两部分，在

7、容器的不同部位安装有压力计，如图，设大气压力Pb为97kPa (1)若压力表B、表C的读数分别为75KPa，0.11MPa,确定压力表A的读数,容器1和2两部分气体绝对压力 (2)表C 为真空表,读数为24KPa,压力表B 的读数为36KPa,问表A是什么表? 读数为多少?,B,B,A,C,1,2,17,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1.4.1 平衡状态与非平衡态 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下,如果宏观热力性质不随时间而变化,系统内、外同时建立了热平衡、力平衡（及化学平衡）,此时系统所处状态为平衡态 非平衡态: 系统与外界,系统内部各部分间存在能量传递及相对位移,状态将随时间变

8、化,称系统处于非平衡态,18,1.4.2 状态方程式,1.4.2.平衡状态的状态参数表示 确定热力学系统所处平衡状态所须的独立状态参数数目等于系统与外界进行能量传递方式的数目 常见气体热力系统,能量传递方式为热量与功量的传递(若没有化学反应时),能量传递数为2个 1、状态方程式： 对简单可压缩系统，只需两个独立状态参数，即可确定其平衡状态，即已知P，V，T中任意两个，可知另一参数 F（P，V，T）=0 P=f（V，T） V=f（P，T） T=f（V，P） 2、理想气体与理想气体状态方程式,19,P Vm = R T,2、理想气体状态方程式 （由玻意耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律总结而

9、得）,理想气体真实压力Pa,1mol理想气体体积（摩尔容积）m3/mol,理想气体摩尔常数J/（mol.k),气体温度 (K),P V = N R T,N mol理想气体体积（摩尔容积） m3/mol,20,摩尔气体常数(通用气体常数 )R,理想气体方程式其他表示,R = 8.31451J/(mol.K) = 8. 31451KJ/(Kmol.K) = 8314.51J/(Kmol.K),P v = Rg T,对1kg工质,比容或比体积m3/kg,气体常数J/(kgl.K),一定容积工质,P V= m Rg T,容积m3,工质质量kg,21,思考： 表压力或真空度能否用在状态方程式中直接计算？

10、若工质的压力不变，测量压力的压力表或真空度读数是否可能变化？真空表读数越大，被测对象的压力越大还是越小？,22,关于理想气体,定义:完全适用理想气体状态方程式的工质 条件 分子本身不占体积 分子之间的碰撞完全弹性 分子间无内聚力 实际运用 压力较低（不高于10MPa）、温度较高、比容较大的工质EG：一般 O2，N2，空气，惰性气体等可适用 水与水蒸汽；各类制冷剂等不适用,23,v,P1,1,2,状态参数坐标图,P,P2,V1,V2,P-V图不表示非平衡态,1.4.3 状态参数坐标图P-V图,T-S图,24,S,T1,1,2,状态参数坐标图T-S图,T,T2,S1,S2,T-S图不表示非平衡态,

11、25,作业,1-2，1-5，1-7,26,1-5 工质的状态变化过程与准静态过程,1.5.1 热力过程 1 定义 ：热力学系统从一个状态出发，经过一系列中间状态而变化到另一状态所经历的全部过程称热力过程，简称过程 EG： 受逐渐变化的压力作用下的活塞的移动过程发生系统状态变化 （力作用）（NEXT） 受变化的恒温热源缓慢加热的活塞系统发生系统状态变化（热的作用） （NEXT）,27,P1,受逐渐变化压力作用下的活塞移动过程发生系统状态变化（P、V、T变化） （力作用）,工质,工质,工质,P2,P3,28,工质,热源T+ +,受变化的恒温热源缓慢加热的活塞系统发生系统状态变化（T、V、P变化）（

12、热作用）,工质,热源T+,工质,热源T,29,结论,处于平衡状态的热力学系统发生的一切状态变化都是平衡遭受破坏的结果，由于外界条件的变化，在外界与系统间形成热或力的不平衡时，受该不平衡势的作用，在系统内部造成不平衡，使系统的平衡状态遭到破坏，从而引起系统状态发生变化，向新的平衡状态过渡，因而，热力过程中系统所经历的是一系列不平衡状态,30,1.5.2 准静态过程（准平衡过程）,1、定义： 由一系列连续的平衡态组成的过程为准平衡过程 另：热力过程中系统经历的是一系列平衡状态并在每次状态变化时仅无限小地偏离平衡状态，此过程称准平衡过程 2、实现准平衡过程的条件 力的平衡条件:压力差作用下实现准平衡

13、过程的条件为工质与外界的压差趋于无限小 P=P-Pext 0 即 PPext 热的平衡条件：温差作用下实现准平衡过程的条件为工质与外界的温差趋于无限小 T=T-Text 0 即 TText,31,1.5.3 可逆过程与不可逆过程,1、可逆过程定义： 系统完成某一过程后，沿着原路逆行而回复到原来状态，外界随之回到原来状态，不留下任何变化。否则为不可逆过程 2、可逆过程基本特征： 1）必须是准静态过程：系统内部、系统与外界满足：力平衡；热平衡 2）不存在耗散效应：过程不存在摩擦、粘性流动、温差传热或其他潜在作功能力损失的耗散,32,1-6 过程功与热量,1.6.1 功的定义： 1、功的力学定义：

14、将物体间通过力的作用而传递的能量称为功并定义：功等于力F与物体在力作用方向上的位移X的乘积（点积） dW = F dX 2、功的热力学定义： 热力学系统和外界通过边界而传递的能量，其效果可表现为举起重物 区别：功与系统动能、重力位能等“储存能”变化传递的机械能的本质区别,33,1.6.2 功的若干表达式及规定,1、微元容积变化功表达式 2、准静态过程的表达式 3、功的正负规定 4、功的单位 5、功的P-V图,工质,位dx 移,活塞,重物P,34,v,P1,1,2,P-V图上曲线下面积表示准静态过程的容积功W12,P,P2,V1,V2,不能表示非准静态过程功,P1,1,2,P2,P,v,微元功,

15、过程功W12,V1,V2,35,1.6.3 可逆过程的功,摩擦耗功,一定质量的容积功,单位质量工质的容积功,P1,1,2,P2,微元功,v1,v2,P,36,1.6.4 热量,一、热量的定义 1、定义：热量是由于热力学系统与外界仅仅因温度不同而通过边界传递的能量 2、实质：,1）物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用传递的能量 2）不能表现为举起重物,3、热与功的差别 热量 功,物体间有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量 全部效果表现为举起重物,4、热量与热能的差别,37,二、热量的计算,1、比热容的定义(以C表示)： 单位物质温度升高1K所须要的热量称比热(容) 2、分类 1）按

16、物质的量分: 质量比热(容)C：1kg工质温度升高1K所须要的热量（kj/kg.k) 摩尔比热(容)Cm ：1kmol工质温度升高1K所须要的热量（kj/kmol.k) 容积比热(容)C:标准状态下1m3工质温度升高1K所须要的热量（kj/Nm3.k) 2） 按加热过程特点分 定容比热Cv :相应于定容过程中的比热 ,有定容质量比热、定容摩尔比热、定容容积比热 定压比热Cp:相应于定压过程中的比热,有定压质量比热、定压摩尔比热、定压容积比热 注意计算公式表示！ 3、热量的计算及正负规定,38,1.6.5 热量与功的类比,一、势的概念 二、状态坐标 EG： 三、热量传递中的势与状态坐标 P-V图

17、与T-S图对应反映功与热的传递 功量、热量是过程量 功量与热量传递中的势与状态坐标,39,P1,1,2,P2,微元功,v1,v2,P,S,T1,1,2,T,T2,S1,S2,P-V图、T-S图不表示非准静态过程,微元热量,40,1-7 热力循环,1.7.1 热力循环：系统由初始状态，经过一系列中间状态后，从新回到初始状态所完成的一个封闭的热力过程称热力循环 1.7.2 热力循环的P-V图、T-S图及正负,P,V,T,S,W0 = Q0,a,b,c,d,a,b,c,d,41,P,v,T,W0,Q0,S,P-V图，示功图,T-S图，示热图,循环的经济性指标=得到的收获/付出的代价,42,作业,1-14，1-16，1-21,