热力学第一章(修改版)

1、绪绪 论论工程热力学工程热力学是重要的是重要的技术基础课技术基础课工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及 热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律 的科学的科学Preface Thermodynamics can be defined as the science of energyheatThermedynamispower(Greek words)热能热能 Thermal Energy能源转换利用的关系能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在

2、天然存在) )二次能源二次能源 光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机90%转转换换直接利用直接利用利用利用生物质生物质工程热力学与节能工程热力学与节能工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及 热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律 的科学的科学建立节能的理论基础建立节能的理论基础工程热力学的研究内容工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理4、

3、化学热力学基础化学热力学基础1、宏观方法：宏观方法：连续体连续体(continuum)，用宏观，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结的总结 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 经典经典 （宏观宏观,平衡平衡）热力学热力学 classical (macroscopic, equilibrium) 工程热力学研究方法工程热力学研究方法2、微观方法：微观方法：从微观粒子的运动及相互作从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律用角度研究热现象及规律 特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 微观微观（统计统计）热力

4、学热力学 microscopic (statistical) thermodynamics工程热力学研究方法工程热力学研究方法第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts1-11-1 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)：人为地：人为地 研究对象研究对象1、系统系统的定义的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study1-11-1 热力系统热力系统外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、系统、外界系统、外界与边界与边界边

5、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surroundingsboundary热力系统选取的人为性热力系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fixed 、 movablereal 、imaginary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

6、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Types of System开口系开口系绝热系绝热系孤立系孤立系Closed system Control massIsolated systemOpen systemControl volume闭口系闭口系Adiabatic system1234mQW1 开口系开口系系统系统非孤立系相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

7、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 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Simple compressible systemMoving Boundary WorkCompression WorkExpansion Work1-2 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

8、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State and state properties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 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化

9、山高度变化山高度变化point function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yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数Total differentials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、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比容比容VvmUum比比内能内能

10、Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质Intensive properties Extensive properties 强度参数与广延参数强度参数与广延参数速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol1-3 基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度、

11、温度 T、比容、比容 v （容易测量）（容易测量）1 1、压力压力 p ( pressure ) 物理中物理中压强压强，单位单位: Pa (Pascal), N/m2常用单位常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013 105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665 104 PaBasic state properties压力压力p测量测量示意图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：

12、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U-tube manometerBourdon Tube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 peebppp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Relaxation time准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时

13、间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中以汽缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 W = p A dl =pdV1kg工质工质 w =pdvdl 很小很小，近似认为近似认为 p 不变不

14、变Moving Boundary Work准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外2mkg工质：工质： W =pdV1kg工质：工质： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程示功图示功图indicator (p-V) diagrampV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvW准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV. .12. .2） p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关， 过程量过程量Path fu

15、nction4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正） dV0，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流体）工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw摩擦损失摩擦损失Friction Loss的影响的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界将得到的功若外界

16、将得到的功W 再返还给系统，系再返还给系统，系统得到的功统得到的功WT2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process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

17、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。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 常见常见90 0 例：例：内可逆

18、内可逆外不可逆外不可逆Totally reversible Internally reversible 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆Externally reversible 1-7 功功 量量 Work1 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I热力学热力学定义定义II功的力学定义功的力学定义Definition of Work of Mechanics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The product of a force and the distance through which t

19、his force acts力力 在力方向上的位移在力方向上的位移But功的热力学定义功的热力学定义I 当热力系与外界发生能量传递时，当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的如果对外界的唯一效果可归结为取起重唯一效果可归结为取起重物物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。 Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight.功的热力学定义功的热力学定义II Work is an energy interaction between a sys

20、tem and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work. 功是系统与外界相互作用的一种方功是系统与外界相互作用的一种方式，在式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方运动方式传递的能量式传递的能量。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 pdvwpdvw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 热量与熵热量与熵Heat and EntropyHeat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 热量热量定义：定义：热量热量是热力系与外界相互作是热力系与外界相互作用的另一种方式，在用的另一种方式，在温度温度的推动下，以的推动下，以微观微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能量。能量。热热 量量 如如 何何 表表 达达 ？热量是否可以用类似于