工程热力学（52学时） 第一章 基本概念

1、Basic Concepts 南京航空航天大学南京航空航天大学 能源与动力学院能源与动力学院2015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 1、系统系统的定义的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study选取一定的工质或空间作为研究对象，称之为热力系统。1 1、系统系统的定义的定义Thermodynamic system系统完全由研究者自己来设定。系统完全由研究者自己来设定。我的系统，听我的！外界外界：系统以外的所有物质：系统

2、以外的所有物质2 2、系统、外界系统、外界与边界与边界边界边界(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surroundingsboundary固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary 系统和外界通过边界会有哪些系统和外界通过边界会有哪些相互作用？相互作用？Hot Fluid Contr ol V olume Control Surface Cold Fluid Warm Fluid Fluid Control Mass Control Surface 以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划

3、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 其它分类方式

4、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Simple compressible system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量State and state propertiesState and state properties 系统状态

5、参数的全部或一部分发生变化，即表系统状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。 State and state properties状态参数的特征：状态参数的特征：1、单值性单值性：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

6、参数的变化量、状态参数的变化量与路径无关与路径无关，只与初终态有关，只与初终态有关 状态参数变化量与路径无关，只与初终状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。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：温度变化山高度变化山高度变化point function设设 z z =z z (x , y)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 基本状态参数：压力、温度、比体积基本状态参数：压力、温度、比体积 不可

7、测参数：不可测参数： 热力学能、焓、熵等热力学能、焓、熵等 复合参数：复合参数： 吉布斯函数、亥姆霍兹函数吉布斯函数、亥姆霍兹函数 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 ( 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 P

8、aBasic state properties 压力压力PP 单位面积上的垂直作用力称为压力，它是表征单位面积上的垂直作用力称为压力，它是表征宏观系统宏观系统力平衡性质力平衡性质的平衡状态参数。的平衡状态参数。AFP 分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果结果。Basic state properties压力表中显示的压力即为状态参数？压力表中显示的压力即为状态参数？ 注意注意：只有绝对压力只有绝对压力 p 才才是状态参数是状态参数示意图U-tube manometerBourdon Tube当当 p pb表压力表压力 peebpp

9、p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”平衡状态平衡状态可用可用一组一组状态参数描述其状态状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的状态公理：对组元一定的闭口系闭口系，独立状态参数个数独立状态参数个数 N=n+1想确切描述某个热力系，是想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？否需要所有状态参数？状态公理：对组元一定的状态公理：对组元一定的闭口系闭口系，独立状态参数个数独立状态参数个数 N=n

10、+1对于组成一定的物质系统，该系统对于组成一定的物质系统，该系统平衡态的独立状态参数有平衡态的独立状态参数有 n n +1+1n n表示系统与外界进行准静功交换的种类数目表示系统与外界进行准静功交换的种类数目1 1表示系统与外界的热交换表示系统与外界的热交换闭口系：闭口系：而而不平衡势差彼此独立不平衡势差彼此独立 独立参数数目独立参数数目N=不平衡势差数不平衡势差数 =能量转换方式的数目能量转换方式的数目 =各种功的方式各种功的方式+热量热量= n+1n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等等不平衡势差不平衡势差 状态变化状态变化 能量传递能量传递消除一种

11、消除一种 达到某一达到某一 消除一种能量消除一种能量不平衡势差不平衡势差 方面平衡方面平衡 传递方式传递方式简单可压缩系统：简单可压缩系统：N = n + 1 = 2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 The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties简单可压缩系统：简单可压缩系统：N = 2 状态方程状态方程 基本状态参数（基本状态参数（p, ,v, ,T) )之间之间 的关系的关系),(Tpfv 0),(Tvpf理想气

12、体的状态方程理想气体的状态方程RTpv pVmRT实际工质的状态方程？实际工质的状态方程？取决于工质的性质取决于工质的性质The Ideal-Gas Equation of State简单可压缩系统简单可压缩系统 N=2，平面平面坐标图坐标图pv1 1）系统任何平衡态可系统任何平衡态可 表示在坐标图上表示在坐标图上说明：说明：2 2）过程线中任意一点过程线中任意一点 为平衡态为平衡态3 3）不平衡态无法在图不平衡态无法在图 上用实线表示上用实线表示常见常见p-v图和图和T-s图图21pp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

13、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 不变不变Moving Boundary Workpp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pV. .12. .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvWpV. .12. .2） p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）

14、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 function4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正） dVT2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler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 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

15、，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。修正。思思 考考 一切准平衡过程只要求系统内部平衡一切准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以

16、准平衡外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以存在耗散效应。过程可以存在耗散效应。可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作用可以无条件逆复，过程进行时不能存在任何能量用可以无条件逆复，过程进行时不能存在任何能量上的耗散。上的耗散。可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是可逆可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是可逆过程的必要条件。过程的必要条件。可逆过程和准平衡过程可逆过程和准平衡过程的区别的区别1 1、力学定义力学定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位

17、移2、热力学定义热力学定义 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，如果如果对外界的唯一效果可归结为取起重对外界的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. Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the b

18、oundary 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，式，在力的推动下在力的推动下，通过有序运动方通过有序运动方式传递的能量式传递的能量。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，电功电功等等系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力作用，余下的才是作用，余下的才是可被利用的功可被利用的功，称为有用功，称为有用功lruWWWWVpVVpWr0120)()(12021,VVppdVWreu有用功膨胀功排斥大气功耗散功有用功膨胀功排斥大气功耗散功其中排斥大气功：其中排斥大气功：对于可逆过程，有用功为：对于可逆过程，有用功为：Heat is defined a