《工程熱力學(xué)》第一章基本概念.ppt

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1、1,第一章 基本概念（4學(xué)時）,基本內(nèi)容 熱力學(xué)系統(tǒng)及狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)；平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式；熱力過程及準(zhǔn)靜態(tài)過程；準(zhǔn)靜態(tài)過程的功；熱量；功；熱量與功的類比；熱力循環(huán)等概念。,基本要求 掌握工程熱力學(xué)的基本術(shù)語與概念（熱力系、平衡態(tài)、準(zhǔn)平衡過程等） 掌握狀態(tài)參數(shù)的特征，基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T關(guān)系 區(qū)別熱力過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念內(nèi)涵； 區(qū)別熱量與功量過程量的特征 掌握熱力循環(huán)概念,2,1-1 熱能在熱機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程（參見緒論部分）,,蒸汽動力裝置 內(nèi)燃機 燃?xì)廨啓C 蒸汽壓縮制冷裝置,3,1-2 熱力學(xué)系統(tǒng),1.2.1 熱力學(xué)系統(tǒng)及相關(guān)概念 1.2.2 熱力學(xué)系統(tǒng)種類,4,1.2.1.熱力

2、學(xué)系統(tǒng)及相關(guān)概念,熱力學(xué)系統(tǒng)：選取某些固定物質(zhì)或某個固定空間中的物質(zhì)作為熱力學(xué)分析的對象，稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，涉及如下概念 熱機：將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器,通稱熱機，如蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)；內(nèi)燃機；制冷系統(tǒng)等 工質(zhì)：媒介物質(zhì),通過其狀態(tài)變化實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能,即工作物質(zhì),簡稱“工質(zhì)”。如水及水蒸氣、空氣或燃?xì)?、各類制冷劑?熱源：熱容量很大,吸、放熱量有限時其自身溫度及其他狀態(tài)參數(shù)無顯著變化的物質(zhì)或物體,稱為熱源（常被當(dāng)作外界考慮） 熱力系統(tǒng)外界：熱力系統(tǒng)之外與能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的一切其他物質(zhì)的統(tǒng)稱 熱力系統(tǒng)邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面?？杉傧搿⒖蓪嶋H存在；可固定、可有位移或變形,5,1.2.2 熱

3、力學(xué)系統(tǒng)種類,按控制對象分 閉口系統(tǒng)（控制質(zhì)量） 開口系統(tǒng)（控制容積） 其它 絕熱系統(tǒng) 孤立系統(tǒng) 系統(tǒng)內(nèi)部狀況的不同分 均勻系與非均勻系 單元系與多元系,6,,,,P,,,,工質(zhì),閉口系統(tǒng),外界,,邊界,,熱源,,,,,,,外界,,,,開口系統(tǒng),,,1,1,2,2,,邊界,,熱源,進口,出口,7,,,,,,,,,,,,,,,開口系統(tǒng),冷空氣,熱空氣,1,1,2,2,加熱器,,,,,,,,,,,孤立系統(tǒng),,熱源,8,,,,,,,,,系,,,,,,,,真空容器,邊界可變形系統(tǒng),閥門,,假想邊界,統(tǒng),9,1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1.3.1 基本術(shù)語： 狀態(tài) 狀態(tài)參數(shù) 1.3.

4、2 基本狀態(tài)參數(shù) 比容及密度 壓力 溫度,10,1.3.1、基本術(shù)語-狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù),1、狀態(tài)：工質(zhì)在熱力變化過程中某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱狀態(tài) 2、狀態(tài)參數(shù)：表示狀態(tài)特征的物理量稱為狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)是一一對應(yīng)的 3、狀態(tài)參數(shù)特點 數(shù)學(xué)特征為點函數(shù)： 微元變化的微增量具全微分性質(zhì) 4、熱力學(xué)基本狀態(tài)參數(shù)為三個：比容、壓力、溫度,11,1.3.2、基本狀態(tài)參數(shù)--比容及密度,1、定義： 單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積，稱為比容，以v表示 單位容積物質(zhì)所占有的質(zhì)量，稱為密度，以 表示 2、單位 比容：m3/kg 或 立方米/千克 密度：kg/m3 或 千克/立方米 其他單位制,12,1.

5、3.2 基本狀態(tài)參數(shù)--溫度,1、定義：標(biāo)志物體冷熱程度的量度 2、熱力學(xué)第0定律--確定溫度概念的基礎(chǔ): 兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡,則兩系統(tǒng)彼此處于熱平衡 一切系統(tǒng)必定有一共同的表征系統(tǒng)宏觀狀況的狀態(tài)參數(shù),對所有處于熱平衡的系統(tǒng)該參數(shù)具相同的數(shù)值---溫度 3、溫標(biāo)及換算 基本溫標(biāo)： 熱力學(xué)溫標(biāo)，熱力學(xué)溫度，以T表示，單位開（K） 熱力學(xué)攝氏溫標(biāo)：以t表示，單位0C； T（k）= t（ 0C ）+273.15,13,1.3.3 基本狀態(tài)參數(shù)--壓力（壓強）,1、定義：流體在單位面積上的垂直作用力，熱力學(xué)稱之壓 力（絕對壓力），描述流體物質(zhì)所組成的熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)

6、計算: P = F/A 單位制及換算（見書附錄10(1)) : SI制 帕斯卡,Pa=N/m2 巴(bar)=105Pa 工程大氣壓(at)= 9.8704x104Pa, 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)= 1.01325x 105Pa=760mmHg 毫米汞柱(mmHg) 毫米水柱(mmH2O)= 9.8704Pa,14,2、表壓力Pg：工質(zhì)的真實壓力P與大氣壓力Pb之差 Pe=P-Pb 或 P=Pb+Pe 真空度Pv：工質(zhì)的大氣壓力與真實壓力之差 Pv= Pb - P 或 P=Pb-Pv,,,,,,,,,,,,,,,P,,,,,,,Pe,,真實壓力P大于 大氣壓力Pb P=Pe+Pb,Pb,

7、P,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Pb,Pv,真實壓力P小于 大氣壓力Pb P=Pb-Pv,15,3、絕對壓力P、表壓力Pe與真空度Pv關(guān)系,,,,,,,,,,,Pb,P,,Pe,Pv,P,(PPb),P

8、 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖,1.4.1 平衡狀態(tài)與非平衡態(tài) 平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下,如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時間而變化,系統(tǒng)內(nèi)、外同時建立了熱平衡、力平衡（及化學(xué)平衡）,此時系統(tǒng)所處狀態(tài)為平衡態(tài) 非平衡態(tài): 系統(tǒng)與外界,系統(tǒng)內(nèi)部各部分間存在能量傳遞及相對位移,狀態(tài)將隨時間變化,稱系統(tǒng)處于非平衡態(tài),18,1.4.2 狀態(tài)方程式,1.4.2.平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)表示 確定熱力學(xué)系統(tǒng)所處平衡狀態(tài)所須的獨立狀態(tài)參數(shù)數(shù)目等于系統(tǒng)與外界進行能量傳遞方式的數(shù)目 常見氣體熱力系統(tǒng),能量傳遞方式為熱量與功量的傳遞(若沒有化學(xué)反應(yīng)時),能量傳遞數(shù)為2個 1、狀態(tài)方程式： 對簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個獨立

9、狀態(tài)參數(shù)，即可確定其平衡狀態(tài)，即已知P，V，T中任意兩個，可知另一參數(shù) F（P，V，T）=0 P=f（V，T） V=f（P，T） T=f（V，P） 2、理想氣體與理想氣體狀態(tài)方程式,19,P Vm = R T,2、理想氣體狀態(tài)方程式 （由玻意耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律總結(jié)而得）,理想氣體真實壓力Pa,1mol理想氣體體積（摩爾容積）m3/mol,,,理想氣體摩爾常數(shù)J/（mol.k),,氣體溫度 (K),,P V = N R T,N mol理想氣體體積（摩爾容積） m3/mol,,20,摩爾氣體常數(shù)(通用氣體常數(shù) )R,理想氣體方程式其他表示,R = 8.31451J/(m

10、ol.K) = 8. 31451KJ/(Kmol.K) = 8314.51J/(Kmol.K),P v = Rg T,對1kg工質(zhì),比容或比體積m3/kg,,氣體常數(shù)J/(kgl.K),,一定容積工質(zhì),P V= m Rg T,容積m3,工質(zhì)質(zhì)量kg,,,21,思考： 表壓力或真空度能否用在狀態(tài)方程式中直接計算？若工質(zhì)的壓力不變，測量壓力的壓力表或真空度讀數(shù)是否可能變化？真空表讀數(shù)越大，被測對象的壓力越大還是越??？,22,關(guān)于理想氣體,定義:完全適用理想氣體狀態(tài)方程式的工質(zhì) 條件 分子本身不占體積 分子之間的碰撞完全彈性 分子間無內(nèi)聚力 實際運用 壓力較低（不高于10MPa）、溫度較高

11、、比容較大的工質(zhì)EG：一般 O2，N2，空氣，惰性氣體等可適用 水與水蒸汽；各類制冷劑等不適用,23,,,v,P1,,1,2,,,狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,,,P,P2,,,V1,V2,P-V圖不表示非平衡態(tài),,1.4.3 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖P-V圖,T-S圖,24,,,S,T1,1,2,狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖T-S圖,,,T,T2,,,S1,S2,T-S圖不表示非平衡態(tài),,,,25,作業(yè),1-2，1-5，1-7,26,1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程,1.5.1 熱力過程 1 定義 ：熱力學(xué)系統(tǒng)從一個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)而變化到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的全部過程稱熱力過程，簡稱過程 EG： 受逐漸變化的

12、壓力作用下的活塞的移動過程發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)變化 （力作用）（NEXT） 受變化的恒溫?zé)嵩淳徛訜岬幕钊到y(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)變化（熱的作用） （NEXT）,27,,,,,,,P1,,,受逐漸變化壓力作用下的活塞移動過程發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)變化（P、V、T變化） （力作用）,工質(zhì),,,,,,,,工質(zhì),,,,,,,,,,,工質(zhì),P2,P3,28,,,,,工質(zhì),熱源T+ +,受變化的恒溫?zé)嵩淳徛訜岬幕钊到y(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)變化（T、V、P變化）（熱作用）,,,,,工質(zhì),熱源T+,,,,,工質(zhì),熱源T,29,結(jié)論,處于平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生的一切狀態(tài)變化都是平衡遭受破壞的結(jié)果，由于外界條件的變化，在外界與系統(tǒng)間形成熱

13、或力的不平衡時，受該不平衡勢的作用，在系統(tǒng)內(nèi)部造成不平衡，使系統(tǒng)的平衡狀態(tài)遭到破壞，從而引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，向新的平衡狀態(tài)過渡，因而，熱力過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的是一系列不平衡狀態(tài),30,1.5.2 準(zhǔn)靜態(tài)過程（準(zhǔn)平衡過程）,1、定義： 由一系列連續(xù)的平衡態(tài)組成的過程為準(zhǔn)平衡過程 另：熱力過程中系統(tǒng)經(jīng)歷的是一系列平衡狀態(tài)并在每次狀態(tài)變化時僅無限小地偏離平衡狀態(tài)，此過程稱準(zhǔn)平衡過程 2、實現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件 力的平衡條件:壓力差作用下實現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件為工質(zhì)與外界的壓差趨于無限小 P=P-Pext 0 即 PPext 熱的平衡條件：溫差作用下實現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件為工質(zhì)與外界的溫差趨于無限小 T=

14、T-Text 0 即 TText,31,1.5.3 可逆過程與不可逆過程,1、可逆過程定義： 系統(tǒng)完成某一過程后，沿著原路逆行而回復(fù)到原來狀態(tài)，外界隨之回到原來狀態(tài)，不留下任何變化。否則為不可逆過程 2、可逆過程基本特征： 1）必須是準(zhǔn)靜態(tài)過程：系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界滿足：力平衡；熱平衡 2）不存在耗散效應(yīng)：過程不存在摩擦、粘性流動、溫差傳熱或其他潛在作功能力損失的耗散,32,1-6 過程功與熱量,1.6.1 功的定義： 1、功的力學(xué)定義： 將物體間通過力的作用而傳遞的能量稱為功并定義：功等于力F與物體在力作用方向上的位移X的乘積（點積） dW = F dX 2、功的熱力學(xué)定義： 熱力學(xué)

15、系統(tǒng)和外界通過邊界而傳遞的能量，其效果可表現(xiàn)為舉起重物 區(qū)別：功與系統(tǒng)動能、重力位能等“儲存能”變化傳遞的機械能的本質(zhì)區(qū)別,33,1.6.2 功的若干表達式及規(guī)定,1、微元容積變化功表達式 2、準(zhǔn)靜態(tài)過程的表達式 3、功的正負(fù)規(guī)定 4、功的單位 5、功的P-V圖,,工質(zhì),,,,,,,,位dx 移,活塞,,,,,重物P,,,34,,,v,P1,,1,2,P-V圖上曲線下面積表示準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積功W12,,,P,P2,,,V1,V2,,不能表示非準(zhǔn)靜態(tài)過程功,,,P1,,1,2,,,,,P2,,,,P,v,,,,,,,,,微元功,過程功W12,V1,V2,35,1.6.3 可逆過程的功,摩擦耗功,

16、一定質(zhì)量的容積功,單位質(zhì)量工質(zhì)的容積功,,,,P1,,1,2,,P2,,,,,微元功,v1,v2,P,,36,1.6.4 熱量,,一、熱量的定義 1、定義：熱量是由于熱力學(xué)系統(tǒng)與外界僅僅因溫度不同而通過邊界傳遞的能量 2、實質(zhì)：,,1）物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用傳遞的能量 2）不能表現(xiàn)為舉起重物,,3、熱與功的差別 熱量 功,物體間有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量 全部效果表現(xiàn)為舉起重物,4、熱量與熱能的差別,37,二、熱量的計算,1、比熱容的定義(以C表示)： 單位物質(zhì)溫度升高1K所須要的熱量稱比熱(容) 2、分類 1）按物質(zhì)的量分: 質(zhì)量比熱(容)C

17、：1kg工質(zhì)溫度升高1K所須要的熱量（kj/kg.k) 摩爾比熱(容)Cm ：1kmol工質(zhì)溫度升高1K所須要的熱量（kj/kmol.k) 容積比熱(容)C:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3工質(zhì)溫度升高1K所須要的熱量（kj/Nm3.k) 2） 按加熱過程特點分 定容比熱Cv :相應(yīng)于定容過程中的比熱 ,有定容質(zhì)量比熱、定容摩爾比熱、定容容積比熱 定壓比熱Cp:相應(yīng)于定壓過程中的比熱,有定壓質(zhì)量比熱、定壓摩爾比熱、定壓容積比熱 注意計算公式表示！ 3、熱量的計算及正負(fù)規(guī)定,38,1.6.5 熱量與功的類比,一、勢的概念 二、狀態(tài)坐標(biāo) EG： 三、熱量傳遞中的勢與狀態(tài)坐標(biāo) P-V圖與T-S圖對應(yīng)反映功與熱的傳

18、遞 功量、熱量是過程量 功量與熱量傳遞中的勢與狀態(tài)坐標(biāo),39,,,P1,,1,2,,P2,,,,,微元功,v1,v2,P,,S,T1,1,2,,,T,T2,,,S1,S2,P-V圖、T-S圖不表示非準(zhǔn)靜態(tài)過程,,,,微元熱量,,,40,1-7 熱力循環(huán),1.7.1 熱力循環(huán)：系統(tǒng)由初始狀態(tài)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)后，從新回到初始狀態(tài)所完成的一個封閉的熱力過程稱熱力循環(huán) 1.7.2 熱力循環(huán)的P-V圖、T-S圖及正負(fù),,,,,P,V,,T,S,,W0 = Q0,,,a,b,c,d,a,b,c,d,,,,,41,,,,,P,v,T,,W0,Q0,,,,,S,P-V圖，示功圖,T-S圖，示熱圖,循環(huán)的經(jīng)濟性指標(biāo)=得到的收獲/付出的代價,42,作業(yè),1-14，1-16，1-21,