《工程熱力學(xué)》第一章-基本概念.ppt

《《工程熱力學(xué)》第一章-基本概念.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《工程熱力學(xué)》第一章-基本概念.ppt（59頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、基本概念,1.1 熱力系統(tǒng),1.熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）的定義： 人為分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)叫做熱力系統(tǒng)。 2.系統(tǒng)、外界與邊界 外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)。 邊界（界面、控制面）：系統(tǒng)與外界的分界面。 系統(tǒng)與外界通過邊界交換能量和質(zhì)量。,熱力系統(tǒng)舉例,,● 熱力系統(tǒng)的分類 ◆ 與外界是否有物質(zhì)交換 ★ 閉口系統(tǒng)（閉系、封閉系統(tǒng)、控制質(zhì)量系統(tǒng)）； ★ 開口系統(tǒng)（開系、敞開系統(tǒng)、控制體積系統(tǒng)）。 開系和閉系在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化，主要 取決于分析問題的需要和方便。,開系與閉系的轉(zhuǎn)化,,● 熱力系統(tǒng)的分類 ◆ 與外界是否有能量交換 ★ 簡單熱力系統(tǒng)； ★

2、 絕熱系統(tǒng)； ★ 孤立系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)，也一定是絕熱系統(tǒng)。,● 熱力系統(tǒng)的分類,◆ 系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)組成的特征 ★ 單組分系統(tǒng)：工質(zhì)只由單一組分的物質(zhì) 組成 ★ 多組分系統(tǒng)：工質(zhì)由多種不同組分的 物質(zhì)組成,● 熱力系統(tǒng)的分類,◆ 系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的相態(tài) ★ 均勻系統(tǒng)； ★ 單相系統(tǒng)； ★ 多相系統(tǒng)。 均勻系統(tǒng)一定是單相系統(tǒng)。,1.2 熱力狀態(tài),1.2.1 狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) ● 定義 ◆ 某一瞬間熱力系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀狀況稱為系統(tǒng) 的狀態(tài)。 ◆ 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。,狀態(tài)參數(shù)的分類,★ 基本狀態(tài)參數(shù)：可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)。 如壓力p、溫度T、比體積v。

3、★ 導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：由基本狀態(tài)參數(shù)間接求得的 參數(shù)。 如內(nèi)能U、焓H、熵S等。,1. 壓力,● 壓力的定義 ◆ 沿垂直方向作用在單位面積上的力稱為壓 力（即物理中壓強）。 ◆ 對于容器內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)來說，壓力是大量氣 體分子作不規(guī)則運動時對器壁單位面積撞擊 作用力的宏觀統(tǒng)計結(jié)果。 ◆ 壓力的方向總是垂直于容器內(nèi)壁。,壓力的單位,壓力的單位是N/m2 ，符號是帕（Pa） 常用壓力單位的換算見附表1（222頁） 1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa 1 at = 1 kgf/ cm2 = 9.8067? 104 Pa 1 MPa = 106Pa＝ 103kPa＝ 10

4、bar,壓力的表示方法 ◆ 絕對壓力（p）、表壓力（pg）、 真空度（pv） ◆ 絕對壓力p、表壓力pg、真空度pv、 大氣壓力pb的關(guān)系 pg =p- pb pv= pb-p 只有絕對壓力p才是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。,例1：已知甲醇合成塔上壓力表的讀數(shù)為 150kgf/cm2，這時車間內(nèi)氣壓計上的 讀數(shù)為780mmHg。試求合成塔內(nèi)絕 對壓力等于多少kPa？,例2：在通風機吸氣管上用U型管壓力計測出的壓 力為300mmH2O，這時氣壓計上的讀數(shù)750mmHg。 試：（1）求吸氣管內(nèi)氣體的絕對壓力等于多少 kPa？ （2）若吸氣管內(nèi)的氣體壓力不變，而大氣 壓

5、下降至735mmHg，這時U型管壓力計 的讀數(shù)等于多少？,例3：某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝 有壓力計，如圖所示。壓力表A、C位于大氣環(huán)境中，B位 于室Ⅱ中。設(shè)大氣壓力為97kPa： （1）若壓力表B、表C的讀數(shù)分別為75kPa、0.11MPa，試確 定壓力表A上的讀數(shù)及容器兩部分內(nèi)氣體的絕對壓力； （2）若表C為真空計，讀數(shù)為24kPa，壓力表B的讀數(shù)為 36kPa，試問表A是什么表？讀數(shù)是多少？,2. 溫度,◆ 傳統(tǒng)：溫度是物體冷熱程度的標志。 ◆ 微觀：溫度是衡量分子平均動能的量度。 T ? 0.5 m c2 T=0 ? 0.5

6、m c2=0 ? 分子一切運動停止，零動能。,● 熱力學(xué)第零定律,◆ 熱平衡：不同物體的冷熱程度相同，則它們處于熱平衡。 ◆ 熱力學(xué)第零定律（熱力學(xué)中的一個基本實驗結(jié)果）： 若兩個熱力系分別與第三個熱力系處于熱平衡，那么這兩個熱力系也處于熱平衡。,溫度測量的理論基礎(chǔ) B 相當于溫度計,● 為什么叫做熱力學(xué)第零定律,熱力學(xué)第零定律 1931年 T 熱力學(xué)第一定律 1840?1850年 E 熱力學(xué)第二定律 1854?1855年 S 熱力學(xué)第三定律 1906年 S基準,● 溫度的熱力學(xué)定義,★由熱力學(xué)第零定律可以推斷：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此

7、相同，用于描述此宏觀特征的物理量——溫度。 ★溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。 ★熱力學(xué)第零定律給出了比較溫度的方法。,● 溫標,◆ 攝氏溫標 t （單位℃） ◆ 華氏溫標 t （單位℉） ◆ 熱力學(xué)溫標 T （單位 K） ◆ 朗肯溫標 T （單位R ）,攝氏溫標和熱力學(xué)溫標,攝氏溫標規(guī)定，標準大氣壓下純水的冰點溫度為0℃，沸點溫度為100℃，兩定點的溫度，按溫度與測量物質(zhì)的某種物理量（如液柱體積、金屬電阻等）的線性關(guān)系確定。 熱力學(xué)溫標是與測溫物質(zhì)無關(guān)的溫標，它選取水的三相點的溫度為273.16K，定義1K的溫度間隔等于水的三相點熱力學(xué)溫度的1/27

8、3.16。,● 常用溫標之間的關(guān)系,0.01,,,,,,,,,,,,絕對K,,,攝氏℃,華氏℉,朗肯R,100,373.15,273.16,0,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔點,水三相點,鹽水熔點,水沸點,559.67,273.15,發(fā)燒,0,● 溫標之間的換算關(guān)系：,,,,,,,,3.比體積（比容）,● 比容：單位質(zhì)量物質(zhì)所占的容積 m3/kg ● 密度：單位容積所含的物質(zhì)質(zhì)量 kg/m3 ● 反應(yīng)了工質(zhì)聚集的疏密程度,1.2 熱力

9、狀態(tài),●狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。 狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也隨之確定；反之亦然。,●狀態(tài)參數(shù)的積分特性：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。,●狀態(tài)參數(shù)的微分特性：全微分,1.2.2 狀態(tài)參數(shù)的特性,1.數(shù)學(xué)特性,狀態(tài)參數(shù)的積分特性,狀態(tài)參數(shù)z的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。,數(shù)學(xué)上：,是點函數(shù)、態(tài)函數(shù),,1,2,a,b,,,,狀態(tài)參數(shù)的微分特性,設(shè) z =z (x , y) ， dz是全微分,充要條件是：,可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)。,,,則：,2.強度參數(shù)和廣度參數(shù) ● 強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)。 如 p、T、v 等 ◆ 強度參數(shù)具有不可加性。 ◆ 把一個均

10、勻系統(tǒng)劃分成若干個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的同名 強度參數(shù)相同，且與整個系統(tǒng)的同名強度參數(shù)相同。 ◆ 非均勻系統(tǒng)內(nèi)各處的同名參數(shù)值卻不一定相同。,● 廣度參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)。 ◆ 廣度參數(shù)具有可加性，如 m、V、U、E、H、S 等。 ◆ 無論系統(tǒng)均勻與否，廣度參數(shù)具有確定的值。 ◆ 單位質(zhì)量的廣度參數(shù)稱為比參數(shù)，如v、u、h、s 等。 ★ 比參數(shù)具有強度參數(shù)的性質(zhì)； ★ 廣度參數(shù)用大寫字母表示，比參數(shù)用小寫字母； ★ 習(xí)慣上把除比容以外的比參數(shù)的“比”省略。 ◆ 單位摩爾的廣度參數(shù)稱為摩爾參數(shù)，摩爾參數(shù)也具 有強度參數(shù)的性質(zhì)。,1.2 熱力狀態(tài),1.2.3 平衡狀

11、態(tài) ● 定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外）， 如果系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)不隨時間變化，則該系 統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 ● 不能把平衡態(tài)簡單地說成不隨時間而改變的狀態(tài)，也不能說成外界條件不變的狀態(tài)。 平衡態(tài)是指系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。 ● 平衡與均勻：均勻系統(tǒng)一定處于平衡狀態(tài)， 反之則不然。,● 實現(xiàn)平衡的條件 ◆ 熱平衡 溫度相等 ◆ 力平衡 壓力相等 ◆ 相平衡 各相間化學(xué)位相等 ◆ 化學(xué)平衡 反應(yīng)物與生成物化學(xué) 位相等 此外，系統(tǒng)與外界之間也要處于相互平衡中。,只有平衡狀態(tài)，才可用一組狀態(tài)參數(shù)來描述。,1.2.4 狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標

12、圖,不需要，只要知道描述系統(tǒng)狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目（即自由度）就可以了！,,想確切描述某個熱力系統(tǒng)，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？,,1.系統(tǒng)狀態(tài)的自由度 其中α是系統(tǒng)的組分個數(shù)，β是系統(tǒng)中相的個數(shù)。 2.狀態(tài)方程 對于任意系統(tǒng)所處的狀態(tài)來說，只有Φ個獨立狀態(tài)參數(shù)作為自變量，其它參數(shù)均可視為因變量。 將任一因變量表示為自變量的函數(shù)關(guān)系式，稱為狀態(tài)方程。,,對單組分單相系統(tǒng)， Φ＝2,壓力p、溫度T、比體積v是基本狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)常被作為自變量。,氣體狀態(tài)方程可表示為,或,對單組分理想氣體， 就是最簡單的狀態(tài)方程。,,3. 狀態(tài)參數(shù)坐標圖,采用由任意兩個獨立狀態(tài)參數(shù)（ Φ＝2 ）構(gòu)成的平面坐

13、標系上的一點來描述系統(tǒng)所處的實際狀態(tài)，這種坐標圖就是熱力系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)坐標圖。,,常見的p-v圖和T-s圖就是最常用的坐標圖。,2）過程線中任意一點 為平衡態(tài)；,3）不平衡態(tài)無法在圖 上用實線表示。,1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)都可 表示在坐標圖上；,3. 狀態(tài)參數(shù)坐標圖,◆ 狀態(tài)參數(shù)坐標圖不但可用來確定系統(tǒng)所處的 狀態(tài)，而且還可用來分析狀態(tài)經(jīng)歷不同變化 的過程，在工程上有著廣泛應(yīng)用。 ◆ 除p-v、T-s圖外，還有h-s、T-p、lnp-h圖等。,3.狀態(tài)參數(shù)坐標圖,◆ 若熱力系統(tǒng)的狀態(tài)自由度不止兩個時，就必 須取二元以上的坐標系來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。 ◆ 若所描述的系統(tǒng)并非均勻系或處于非平衡態(tài)

14、 時，一般可把系統(tǒng)按其內(nèi)部均勻部分（如不 同相態(tài)部分）或局部平衡部分，分成若干子 均勻系或子平衡態(tài)，然后再應(yīng)用上述獨立狀 態(tài)參數(shù)的表示法分別予以處理。,1.3 熱力過程,在外界的影響下，熱力系統(tǒng)的工質(zhì)狀態(tài)沿特定規(guī)律發(fā)生變化的總歷程稱為熱力過程，簡稱過程。 實際熱力過程是經(jīng)歷了一系列非平衡狀態(tài)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的，因此要使過程進行，必須存在不平衡勢差（如溫度差、壓力差、化學(xué)位差等）。,1.3.1準靜態(tài)過程（或準平衡過程）,平衡狀態(tài),,狀態(tài)不變化,,能量不能轉(zhuǎn)換,非平衡狀態(tài),,無法簡單描述,熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程,一般過程,,,,,,p，T,p0,,突然去掉重物,最終,p2 = p0,

15、T2 = T0,,,,p,v,,1,2,,.,.,準靜態(tài)過程（或準平衡過程）,,,,,,p，T,p0,,假如重物有無限多層,每次只去掉無限薄一層,,,p,v,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,.,.,.,系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài),準靜態(tài)過程有實際意義嗎？,既是平衡，又是變化,既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換,疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢， 工程上怎樣處理？,,準靜態(tài)過程的工程條件,破壞平衡所需時間 （外部作用時間）,恢復(fù)平衡所需時間 （馳豫時間）,>>,有足夠時間恢復(fù)新平衡 ? 準靜態(tài)過程,,,過程的每一步不僅內(nèi)部必須保持力平衡，系統(tǒng)與外界之間也必須保持力平衡。否則，有限力差推

16、動的過程，必為非靜態(tài)過程。 這是作功過程中得出的結(jié)論，但完全可以推廣到傳熱、相變和化學(xué)反應(yīng)中去。,準靜態(tài)過程的工程應(yīng)用,例：活塞式內(nèi)燃機 2000轉(zhuǎn)/分， 曲柄 2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程,活塞運動速度=2000?2 ?0.15/60=10 m/s,壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）340 m/s,破壞平衡所需時間 （外部作用時間）,>>,恢復(fù)平衡所需時間 （馳豫時間）,一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程,具體工程問題具體分析?！巴蝗弧?“緩慢”,◆ 力、溫度、化學(xué)勢分別是推動作功、傳熱、化學(xué) 反應(yīng)的勢，所以有限勢差推動的過程必為非準靜 態(tài)過程。要實現(xiàn)準靜態(tài)過程，必須在無限小勢差 推動

17、下進行。 ◆ 準靜態(tài)過程的每一步，勢力系必須保持平衡。因 此嚴格地講，準靜態(tài)過程必須無限緩慢地進行。 ◆ 只有準靜態(tài)過程才能用確定的狀態(tài)參數(shù)的變化來 描述，才能在坐標圖中用連續(xù)曲線來表示，才能 用熱力學(xué)方法來分析。,耗散效應(yīng) 準靜態(tài)過程的討論中，并未涉及摩擦現(xiàn)象。由于摩擦做功，會造成能量損耗。 其實即使存在摩擦，過程的每一步，熱力系仍可保持平衡態(tài)。所以說，摩擦現(xiàn)象并不影響準靜態(tài)過程的實現(xiàn)。但是由于摩擦，逆行時系統(tǒng)不能復(fù)原到原來的狀態(tài)。,1.3.2 可逆過程,當系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果令過程沿相同的路徑逆行能使過程中所涉及的一切（系統(tǒng)和外界）都恢復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則這一

18、過程稱為可逆過程。 不滿足上述熱力條件的過程，稱為不可逆過程。,◆ 定義,◆ 實際的熱力過程都是不可逆過程。 ◆ 可逆過程雖然是一種理想化了的熱力過程， 但在相同的條件下，可作為判別實際不可逆 過程偏離理想可逆極限程度的標準。,● 可逆過程與準靜態(tài)過程的關(guān)系,◆ 準靜態(tài)過程只是立足于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)狀 態(tài)的平衡性問題，它只涉及工質(zhì)內(nèi)部的狀態(tài) 變化。耗散效應(yīng)對準靜態(tài)過程無影響。,準靜態(tài)過程 + 無耗散效應(yīng) = 可逆過程,◆ 可逆過程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)必須是平衡可逆的，而且要求系統(tǒng)工質(zhì)與外界發(fā)生相互作用關(guān)系（能量傳遞效果）時也必須是平衡可逆的。因而是反應(yīng)了系統(tǒng)工質(zhì)與外界兩方面所產(chǎn)生的總

19、效果。,◆ 要實現(xiàn)可逆，系統(tǒng)的內(nèi)部和外部都必須是可逆的，即不 存在任何不可逆損失。,◆ 可逆過程必然是準靜態(tài)過程，而準靜態(tài)過程只是實現(xiàn)可 逆過程的條件之一。,● 可逆過程與準靜態(tài)過程的關(guān)系,引入可逆過程的意義,? 準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。,? 可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，容易分析。,? 實際過程不是可逆過程。但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。,1.3.3 熱力循環(huán),●定義： 工質(zhì)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列過程后又回到初始狀態(tài)，這些過程的

20、綜合稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。 ●熱力循環(huán)在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，可表示為一根封閉的曲線，這樣系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的任一狀態(tài)參數(shù) z 在經(jīng)過每一熱力循環(huán)后，應(yīng)保持,● 如果循環(huán)中的每個過程都是可逆的，則這個循環(huán) 稱為可逆循環(huán)。在坐標圖上，可逆循環(huán)用閉合實 線表示，循環(huán)方向以箭頭表示。 ◆ 順時針方向，稱為正循環(huán)，是將熱變?yōu)楣Φ难h(huán)； ◆ 逆時針方向，稱為逆循環(huán)，消耗功而把熱量由低溫 熱源送至高溫熱源的循環(huán)。 ● 含有不可逆過程的循環(huán)稱為不可逆循環(huán)。不可逆 循環(huán)中的不可逆過程用虛線表示。,熱力循環(huán)的評價指標,正循環(huán)：凈效應(yīng)（吸熱，對外作功）,W,T1,Q1,Q2,T2,動力循環(huán)：熱效率,熱力循環(huán)的評價

21、指標,逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）,W,T0,Q1,Q2,T2,制冷循環(huán)：制冷系數(shù),熱泵循環(huán)：制熱系數(shù),例4：判斷下列過程中哪些是①可逆的②不可 逆的③可以是可逆的，并扼要說明不可 逆的原因。 （1）對剛性容器內(nèi)的水加熱，使其在恒溫下蒸發(fā)； （2）對剛性容器內(nèi)的水作功，使其在恒溫下蒸發(fā)； （3）對剛性容器中的空氣緩慢加熱。使其從50℃升溫 到100℃； （4）一定質(zhì)量的空氣，在無摩擦、不導(dǎo)熱的汽缸和活 塞中被緩慢壓縮； （5）50℃的水流與25℃的水流絕熱混合。,思考題,有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？,不對，關(guān)鍵看是否引起外界變化。,可逆過程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復(fù)到初態(tài)。,可逆過程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程。,本 章 小 結(jié),基本概念： ? 熱力系統(tǒng) ? 熱力狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù) ? 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程 ? p-V、T-S 狀態(tài)參數(shù)坐標圖 ? 熱力過程、準靜態(tài)過程、可逆過程 ? 熱力循環(huán)、評價指標,