工程热力学：第1章 基本概念

1、作业作业1-41-71-81-10第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts1-1 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)：人为地选取：人为地选取 一定范围内的物质一定范围内的物质研究对象研究对象1、系统系统的定义的定义Thermodynamic systemThermodynamic system :A quantity of matter or a region in space chosen for study1-1 1-1 热力系统热力系统 ( (续续) )外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、外界、系统的外界、系统的边界边界

2、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：是否传热是否传热是否传功是否传功 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 有有 无无是否传质是否传质开口系开口系 闭口系闭口系非绝热系非绝热系 绝热系绝热系孤立系孤立系Types of System开口系开口系绝热系绝热

3、系孤立系孤立系Closed system Control massIsolated systemOpen systemControl volume闭口系闭口系Adiabatic system1234mQW1 开口系开口系系统间的关系系统间的关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

4、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 properti

5、es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 2abd0z 2222111,1,dddabzzzzz 例：登山高度例：登山高度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dddyxzzzxyxy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

6、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 (续续) 速度速度动能动能高度高度 势能势能 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

7、）（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、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 P

8、a 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：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 pgbgppp当当 p 能够足够快恢复新平衡能够足够快恢复新平衡 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

9、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压力波恢复平衡速度(声速声速)：350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（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

10、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工质发生容积变化工质发生容积变化 对外界作的功：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 Work准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功 (续续)pp外外2m kg工质：工质： W =pdV1 kg工质：工质： w =pdv121dWp V21dwp v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.

11、 .pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21dWp V1kg工质：工质： w =pdv21dwp vW作业作业1-141-151-16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 function4）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 对内作功（对内作功（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

12、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系统膨胀作功系统膨胀作功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将得到的功W 再返还给系统，再返还给系统，系统得到的功系统得到的功WT2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilities Valve常见的不可逆常见的不可逆 （续）（续）混合过程混合过程自由膨胀

13、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，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的可逆过程的功功和和热热可可完全完全用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

14、 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、外可逆完全可逆、内可逆、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905例：例：内可逆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

15、移2、热力学热力学定义定义I热力学热力学定义定义II功的热力学定义功的热力学定义 I 如果系统与外界发生能量传递时，如果系统与外界发生能量传递时，其其唯一效果可归结为举起重物唯一效果可归结为举起重物，则系，则系统与外界交换了功。统与外界交换了功。 Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight. 作功与传热的不同：传热的全部效作功与传热的不同：传热的全部效果不可能与举起重物的效果相当。果不可能与举起重物的效果相当。功的热力学定义功的热力学定义II 功

16、功是系统与外界相互作用的一种方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dwF xdwF x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 （膨胀功（膨胀功 or 压缩功）压缩功）dwp vdwp v其它准静态功：其它准静态功：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 t

17、wo systems (or a system and its surroundings) by virtue of a temperature difference. 定义：定义：热量热量是热力系与外界相互作用的是热力系与外界相互作用的另一种方式，在另一种方式，在温差温差的推动下，以微观的推动下，以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 无限小无限小 p势差势差 无限小无限小T势差势差标志标志 dV , dv dS , ds公式公式dwp vdqT sdwp vdqT s适用适用条件条件 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drevQSTreversibledrevqsT比参数比参数 kJ/kg.Kds: 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将其命名为教授将其命名为