石油大学热工学第2章-1-基本概念.ppt

第二章 热能转换的基本概念和基本定律,第一节 热能转换的基本概念,基本知识点： 热力系统、工质 平衡状态、状态参数及基本状态参数 热力过程、准静态过程 、可逆过程 功量和热量 热力循环,一、热力系统、状态与状态参数,（一）热力系与工质 1.热力系 分析热力现象时，根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象 称为热力系统，简称热力系或系统。 外界热力系以外的物体（有相互作用的） 边界热力系与外界的交界,边界的特点,可以是真实的，可以是假想的。,可以是固定的，可以是运动的；,系统与外界通过边界进行物质和能量的交换,固定、真实,移动的,固定、真实,假想的,5, 移动和虚构边界,热力系统选取的人为性,B,T,P,发电机,给水泵,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,C,热量,无能量交换,电能,热力系统的选取，决定于所提出的研究任务。 可以是一群物体、一个物体或物体的某一部分。 可以是很大，也可以很小。 但不能小到只含少量分子，以至不能遵守统计平均规律。 同一物理现象，由于划分系统的方式不同而成为不同的问题。,教材P55 习题2-6,刚性绝热,热力系的分类,根据热力系统与外界相互作用情况 闭口系与外界没有物质交换的系统 （质量不变，控制质量CM） 开口系与外界有物质交换的系统 （通常划在一定的空间范围内，控制体积CV） 绝热系统与外界没有热量交换的系统 孤立系统与外界没有任何能量和物质交换的热力系 （一切相互作用均发生在孤立系统内部）,非孤立系相关外界孤立系,1 开口系,热力系统,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,10,系统及边界示例, 汽车发动机,开口系统,11, 汽缸-活塞装置 （闭口系统）, 喷气式发动机 （开口系统）,简单可压缩系,热力系由可压缩流体构成，与外界只有热量和一种容积变化功的交换。 最重要的系统,容积变化功,压缩功膨胀功,热 源,与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度有较大变化的热力系统。 根据热源温度的高低和作用分为： 高温热源（热源） 低温热源（冷源）,热源,冷源,例：锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等,例：大气环境、冷却水等,热源的概念,在能量转换过程中与工质有热量交换的物体。 高温热源温度较高的物体，简称热源 例如锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等 低温热源温度较低的物体，简称冷源 例如环境大气、冷却水等 可以是恒温，也可以是变温的.,“抽象-简化”,热力系统其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,单元系 多元系,相态,单相 多相,2. 工质,定义：用来实现能量相互转换的媒介物质。 工质是实现能量转换必不可缺少的内部条件。 要求: 1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取 物质三态中，气态最适宜。 例如：空气、燃气、烟气、水蒸气、氟里昂等都是常用的工质。 不同性质的工质对能量转换有直接影响。,（二）平衡状态,1、热力状态 热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况，简称状态 。 热力系可以呈现不同的状态，其中具有特别意义的是平衡状态。,2、平衡状态,定义：在没有外界影响（重力场除外）的条件下，热力系统的宏观性质不随时间而变化的状态。 充要条件：系统内部以及系统与外界之间各种不平衡势差的消失是系统建立起平衡状态的充要条件。,温差热量传递,温差消失热平衡,力差相对位移,力差消失力平衡,化学势差有相变或化学反应,化学势差消失化学平衡,处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度、压力等参数，可用确定的压力、温度等宏观的物理量来描述。,稳定状态（稳态） 均匀状态 系统与外界之间,（三）状态参数和基本状态参数,1、状态参数 用于描述工质所处状态的宏观物理量。 如压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等。 状态参数的特征： 1）状态确定，则状态参数也确定；反之亦然。 2）状态参数的积分特征：状态参数的变化只取决于给定的初态与终态，而与中间所经历的一切中间状态或路径无关 。 3）状态参数的微分特征：全微分,点函数,1,a,b,2,（三）状态参数和基本状态参数,1、状态参数 描述热力系状态的宏观物理量。 状态与状态参数的关系： 1）状态确定，则状态参数也确定；若状态发生变化，则至少有一种状态参数会随意改变。 2）状态参数一旦确定，则状态确定；若状态参数发生变化，表示状态改变。 3）状态参数的数值仅决定于系统的状态，而与达到该状态所经历的途径无关。,工质的状态参数,状态参数的数学特性,系统的状态参数是其状态的单值函数。 在数学上表现为点函数，其微分是全微分。 1 积分特征 点函数 2 微分特征 全微分,1,2,a,b,状态参数的分类,（1）强度量参数 给定状态下，与系统内所含工质的数量无关。 如压力 p、温度T等 （2）广延量参数 给定状态下，与系统内所含工质的数量有关。 如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 具有可加性,（3）比参数 单位质量的广延量参数、具有强度量参数的性质。 用相应的小写字母表示: 如比体积v、比热力学能 u、比焓 h、比熵s,2、基本状态参数,压力 p、温度 T、比体积 v 可以直接并容易用仪器测定。 非基本状态参数依据基本状态参数间接地导出。,密度 单位体积工质的质量，用符号表示，单位kg/m3。,（1）比体积,单位质量的工质所占的体积，用符号v表示，单位m3/kg。 比体积v反映了工质聚集的疏密程度。,比体积和密度互为倒数，通常以比体积作为状态参数。,（2）压力,单位面积上所受的垂直作用力。 国际单位：帕斯卡，简称帕【Pa】 1 Pa=1 N/m2 1 MPa =106 Pa 1kPa = 103 Pa 其它单位： 巴bar 1 bar = 105 Pa 标准大气压atm 1 atm = 1.013105 Pa 毫米汞柱mmHg 1 mmHg =133.3 Pa 毫米水柱mmH2O 1 mmH2O9.8067 Pa 工程大气压at 1 at = 9.80665104 Pa 工质的真实压力称为绝对压力，用p表示。,压力p测量,压力计（压力表或真空表） 处于大气环境中，测量值为工质绝对压力与环境压力的差值。,压力表,真空表,测量值,表 压 力,真 空 度,当 p pb,表压力 pg,当 p pb,真空度 pv,pb,pg,p,pv,p,表压力与真空度,大气压力,环境压力：压力表所处环境的压力。 一般为大气压力，但不一定。,大气压力随时间、地点变化。 绝对压力p不变，压力表读数变化吗？,当高度H变化不大， 常数,pg(pv )= gH,当高度H变化很大， (h),只有绝对压力 p 是状态参数。,习题2-3 习题2-4,习题2-5,思考题 2-3,压力表,p= pb+pC,真空表,p=p+pB,压力表,pA=p-pb,其它压力测量方法：,活塞式压力计,压力传感器,高精度测量,工业或科研测量,A,C,（2）温度,1）物理意义 宏观上，温度表示物体的冷热程度； 微观上，温度表示物质分子热运动的激烈程度。 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，用来描述此宏观特征的物理量。 温度是决定系统间是否存在热平衡的物理量。 温度概念的建立及其测量以热力学第零定律为基础。,热力学第零定律,热力学第零定律（R.W. Fowler） 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础,B温度计,温度相等热平衡,（热平衡定律）,2）温度的测量,温 度 计,物质（水银，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,热力学温标与测温物质的性质无关的温标， 热力学温度T，单位K（开尔文）。 摄氏温标摄氏温度t，单位（摄氏度）。 二者关系：T= t + 273.15 T=t（温差完全相同）,热力学温度T 作为基本状态参数,接触式： 水银温度计、酒精温度计、 热电偶、电阻温度计等。 非接触式: 光学辐射高温计、 激光全息干涉仪、 CARS法 （相干反斯托克斯喇曼光谱）,热力学定律,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准,温标 Temperature scale,热力学温标（绝对温标） Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）,摄氏温标Celsius scale （Swedish, A. Celsius, 1701-1744）,华氏温标Fahrenheit scale （German, G. Fahrenheit, 1686-1736）,朗肯温标Rankine scale （W. Rankine, 1820-1872）,兰氏温标,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏 ,兰氏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,水三相点,水沸点,559.67,摄氏温标,在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ，纯水的沸点温度为100 ，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01 。,瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。 用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t 表示，单位。,选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0 和100 温度下的体积差均分100份，每份对应1 。,39,华氏温标,1714年，德国物理学家华伦海特将水银密封在管子中，利用水银随温度的涨缩做为指示器，并在管子上设一个等级刻度表，使温度可以定量地读出。,他把在实验室所得到的最低温度设为零，这是由盐和水的混合液测量得到的，而后将纯水的冰点设为32度，沸点设为212度。 用华氏温标确定的温度称为华氏度，用符号t 表示，单位 。,两个好处：第一、水的液态范围为180度，很自然和度联想在一起，因为半圆恰好是180度。第二、人体的温度精确值为98.6 ，约接近100 。,热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T 表示，单位为 K（开）。,热力学温标（绝对温标）,英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,热力学温标与摄氏温标的关系：,温差相同:T = t,t = T 273.15,41,极寒 40 奇寒 35 39.9 酷寒 30 34.9 严寒 20 29.9 深寒 15 19.9 大寒 10 14.9 小寒 5 9.9 轻寒 4.9 0 微寒 0 4.9,科学家给地球上的气温划分了等级,凉 5 9.9 温凉 10 11.9 微温凉 12 13.9 温和 14 15.9 微温和 16 17.9 温暖 18 19.9 暖 20 21.9 热 22 24.9 炎热 25 27.9 暑热 28 29.9 酷热 30 34.9 奇热 35 39 极热 40,（四）状态方程式,平衡状态可用一组状态参数描述,状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1,想确切描述某个热力系，需要几个独立状态参数？,1. 状态公理,闭口系：,不平衡势差 状态变化 能量传递,消除一种不平衡势差 达到某一个平衡 消除一种能量传递方式,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：N = n + 1 = 2,2. 状态方程式,平衡状态下，基本状态参数之间的函数关系式,状态方程式的具体形式取决于工质的性质。,实际工质的状态方程？复杂！,例：R134a的维里型状态方程,3. 状态参数坐标图,对于只有两个独立参数的热力系，可以任选两个参数组成平面坐标图来描述被确定的平衡状态，这种坐标图称为状态参数坐标图。,p,v,1）系统任何平衡态 可表示在坐标图上,2）过程线中任意一点 为平衡态,3）不平衡状态 无法在坐标图表示,常用：压容图（p-v图）和温熵图（T-s图）,2,1,二、 热力过程、功量和热量,（一）热力过程 热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和热力过程。,平衡状态,宏观静止,实现能量转换,过程状态变化,平衡被破坏,热力系,平衡,过程,？,p，T,p0,p,v,1,2,.,.,1、准平衡（准静态）过程,初态-平衡态1 ： p1 = p0+砝码 T1 = T0 突然去掉所有砝码，平衡被破坏；经历一个热力过程，达到新平衡态2（中间不能确定是平衡态，无法表示） 终态-平衡态2 ： p2 = p0 T2 = T0,举例说明：一个绝热的汽缸活塞系统,一般过程,准平衡(准静态)过程 由一系列平衡态组成的热力过程 实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差无限小,p，T,p0,p,v,1,2,.,.,.,一次取走一块砝码，待系统恢复平衡后再取走一块，一次取玩所有砝码后，在初终态12之间增加若干个平衡态。,在极限情况下，每次取走一无限小量砝码，那么在初终态12间会有一系列连续的平衡态 准平衡过程,.,.,准平衡过程的实际意义,既平衡，又变化。,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换。,疑问：理论上准静态是无限缓慢的，工程上怎样处理？,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,2、可逆过程,定义如果系统完成某一过程后，在沿原来的路线逆向进行时，能使系统与外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。 特征： 首先是准平衡过程； 其次无任何耗散效应。 表示： 在状态参数坐标图中，用实线描绘。,（通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应）,（有限势差存在必导致不可逆）,可逆过程实现的充要条件 准平衡过程 + 无任何耗散效应,涉及到热力过程能量传递的计算时，必须引出：,引入可逆过程的意义,准平衡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（不引起任何能量损失）。 可逆过程的功量与热量完全可以用系统状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系。 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）分析处理，然后考虑不可逆因素用一些经验系数加以修正。,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,思考题：,容器为刚性绝热，抽去隔板， 重又平衡，过程性质？,逐个抽去隔板，又如何？,（二）功量和热量,1、 功（W，w） （1）定义 在热力学中，功是系统与外界间在力差的推动下，通过宏观有序（有规则）运动方式传递的能量。,力学中：,功与过程进行的性质、路径有关； 功是过程量，不是状态参数！,热力学规定：系统对外界做功时，取为正值； 外界对系统做功时，取为负值。,单位：J（焦耳） 1J=1 N.m 1kJ=1000 J,（2）可逆过程的体积变化功,定义： 直接由系统体积变化和外界发生作用而传递的功. 意义： 在热力学中，热和功的相互转换是通过气体的体积变化功 (膨胀功或压缩功)来实现的。 计算公式推导：,dx,p,pout,对于m kg工质：,1,2,（3）示功图,p,V,.,1,2,.,mkg工质,W = pdV,1kg工质,w = pdv,可逆过程的功可由系统的状态参数计算，不需考虑往往未知的外界参数。 热力学约定： 正值代表气体膨胀对外做功； 负值代表外界压缩气体耗功。,W,dV,p,功是过程量， 与过程进行的路径有关。,可逆过程的功量可用压容图上热力过程线下面的面积来表示。,p-v图,p-V图,2、热量,（1）热量的定义 热力系统与外界之间依靠温差传递的能量，即在温差的推动下，通过微观粒子的无序运动方式传递的能量。 热力学中规定： 系统吸热时热量取正值；系统放热时热量取负值。,物理学中，利用比热容c计算：,单位 J 或 kJ,（2）可逆过程的热量计算公式,是否可以用类似于功的表达式？,？,引入“熵”,热量与体积变化功,能量传递方式 体积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力（势） 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,计算公式,条件 可逆 可逆,（3）状态参数熵（ Entropy）,可逆 reversible,熵的引入,kJ/(kgK) 比熵,可逆微元过程的热量除以传热温度T所得的商。,清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,kJ/K 广延量,熵的说明,1、熵是状态参数 2、符号规定 系统吸热时为正 Q 0 dS 0 系统放热时为负 Q 0 dS 0 3、熵的物理意义： 熵体现了可逆过程传热的大小与方向 4、用途： 判断热量方向； 计算可逆过程的传热量,（4）示热图,T,s,q,热量是过程量。 热力学规定： 系统吸热时热量取正值；系统放热时热量取负值。,可逆过程的热量,1,2,q,T,ds,可逆过程的热量可以用温