工程热力学第1章基本概念

1、第一章第一章 基本概念基本概念 本章重点本章重点 ： 取热力系统、对工质状态的描述取热力系统、对工质状态的描述 、状态与状态参数的关系、状态、状态与状态参数的关系、状态 参数、平衡状态、状态方程、可参数、平衡状态、状态方程、可 逆过程。逆过程。 1-1 1-1 热力系统热力系统 热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：用界面分：用界面分 离出的研究对象。离出的研究对象。 外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质 1、系统与边界、系统与边界 边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面 系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界 热力系统选取的人为性热力系

2、统选取的人为性 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝 汽汽 器器 过热器过热器 只交换功只交换功 只交换热只交换热 既交换功既交换功 也交换热也交换热 边界特性边界特性 真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动 热力系统分类热力系统分类 以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无 是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系 是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系 是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系 是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 12 34 m Q W 1 开口系开口系 热力热力系统系统 非孤立系相

3、关外界非孤立系相关外界 孤立系孤立系 1+2 闭口系闭口系 1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系孤立系 热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系 工质种类工质种类 多元系多元系 单元系单元系 相态相态 多相多相 单相单相 简单可压缩系统简单可压缩系统 最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统 只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功 容积变化功容积变化功 压缩功压缩功 膨胀功膨胀功 1-2 状态和状态参数状态和状态参数 状态：状态：某一瞬间热力系所呈

4、现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量 状态参数的状态参数的特征特征： 1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、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积分特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关 3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分 状态参数的积分特征状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与状态参数变化量与路径无关，只与 初终态有关。初终态有关。 数学上：数学上： 点函数、态函数点函数、态函数 1 2 a b

5、 0dz 2 1 2 , 1 2 , 1 12 ab zzdzdzdz 例：温度变化例：温度变化 山高度变化山高度变化 状态参数的微分特征状态参数的微分特征 设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分 y x zz dzdxdy xy 充要条件：充要条件： 22 zz x yy x 可判断是否可判断是否 是状态参数是状态参数 强度参数与广延参数强度参数与广延参数 强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T 广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓

6、焓 H、熵熵S 比参数：比参数： 比容比容 V v m U u m 比比内能内能 H h m 比比焓焓 S s m 比比熵熵 单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质 1-3 基本状态参数基本状态参数 压力压力 p、温度、温度 T、比容、比容 v （容易测量）（容易测量） 1 1、压力压力 p 物理中物理中压强压强，单位单位: Pa , N/m2 常用单位：常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.806

7、65 104 Pa 压力压力p测量测量 一般是一般是工质工质绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 相对压力相对压力 注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数 绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力 当当 p pb表压力表压力 pe eb ppp 当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程 示功图示功图 p V . . 1 2 . . pp外 外 21 mkg工质：工质： W =pdV 2 1 WpdV 1kg工质：工质： w =pdv 2 1 wpdv W 可逆过程的定义可逆过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某

8、一过程后，如果能使系系 统统与与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不留恢复到初始状态，而不留 下任何痕迹，则此过程为下任何痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程。 注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。 可逆过程的实现可逆过程的实现 准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程 无不平衡势差无不平衡势差 通过摩擦使功通过摩擦使功 变热的效应变热的效应 (摩阻，电阻，摩阻，电阻， 非弹性变性，非弹性变性， 磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差 不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效

9、应 引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。

10、修正。 完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆 可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见 90 0 例：例： 内可逆内可逆 外不可逆外不可逆 1-7 功功 量量 1 1、力学力学定义定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移 2、热力学热力学定义定义(外文参考书外文参考书） a a、当热力系与外界发生能量传递当热力系与外界发生能量传递 时，如果对外界的时，如果对外界的唯一效果可归结为唯一效果可归结为 取起重物取起重物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。 b b、功是系统与外界相互作用的

11、一功是系统与外界相互作用的一 种方式，在种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运运 动方式传递的能量动方式传递的能量。 例：火力发电装置例：火力发电装置 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝 汽汽 器器 过热器过热器 功的表达式功的表达式 功功的一般表达式的一般表达式 Fdxw Fdxw 热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 pdvw pdvw 其他准静态功：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等 1-8 热热 量量 与与 熵熵 1 1、热量热量定义：定义： 热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能能

12、 量量中，除了中，除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。 另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界是热力系与外界 相互作用的另一种方式，在相互作用的另一种方式，在温度温度的推的推 动下，以微观动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能能 量量。 热热 量量 如如 何何 表表 达达 ？ 热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子 表示表示？ ？ 引入引入“熵熵” 热量与容积变化功热量与容积变化功 能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量 性质性质 过程量过程量 过程量过程量 推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T 标志标志 dV , dv dS

13、, ds 公式公式 pdvw Tdsq pdvw Tdsq 条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆 熵（熵（ Entropy）的定义的定义 revQ dS T reversible 熵的简单引入熵的简单引入 revq ds T 比参数比参数 kJ/kg.K ds: 可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的所得的商商 清华大学清华大学刘仙洲刘仙洲教授命名为教授命名为“熵熵” 广延量广延量 kJ/K 熵的说明熵的说明 1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向 2、符号符号规定规定 系

14、统系统吸热吸热时时为为正正 Q 0 dS 0 系统系统放热放热时时为为负负 Q 0 dS 0 4、用途：用途：判断热量方向判断热量方向 计算可逆过程的传热量计算可逆过程的传热量 示功图与示热图示功图与示热图 p V W T S Q 示功图示功图 温熵温熵(示热示热)图图 pdVW TdSQ 1-9 热力循环热力循环 要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环 定义：定义： 热力系统经过一系列变化回到初热力系统经过一系列变化回到初 态，这一系列变化过程称为态，这一系列变化过程称为热力循环热力循环。 不可逆循环不可逆循环 分类：分类： 可逆可逆 过程过程 不可逆不可逆 循环循环 可逆循环可逆循环 正循环正循环 p V T S 净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热 正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向 2 1 1 2 逆循环逆循环 p V T S 净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热 逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向 2 1 1 2 热力循环的评价指标热力循环的评价指标 正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热） 1 W Q 收 益 代 价 净 功 吸 热 W T1 Q1 Q2