工程力学与传热学第二章基本概念

1、第二章第二章 基本概念基本概念第一节第一节 热力系统热力系统第二节第二节 热力状态及状态参数热力状态及状态参数第三节第三节 热力过程热力过程第四节第四节 热力循环热力循环一、 系统、边界与外界 系统：人为划分出的研究对象。 外界：系统之外与系统有关的物体。 边界：系统与外界的分界面。边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。QW图1 膨胀中的燃气系统的边界图2 流动中的工质系统的边界第一节第一节 热力系统热力系统1.按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热(1)开口系统：系统与外界有物质交换或称控制容积。工质流入工质流出QW系

2、统边界图 3 开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统二、系统的类型(2)闭口系统：系统与外界无物质交换或称控制质量。 闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不 一定都是闭口系统QW图4 膨胀中的燃气系统的边界(3)绝热系统：系统与外界没有热量交换冷源QW图5 把冷源包括在内的 绝热系统(4)孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换.图7 孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA思考题：热力系与外界相互作用有哪些？2.按系统内部状况分类只包含一种化学成分物质的系统称为单元系。由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系。系统中工质的物理，化学性质都均匀一致的部分称为一个

3、相。(1)单项系和复项系由单一物相组成的系统称为单相系。由两个以上相组成的系统称为复相系。(2)单元系统和多元系统：(3)均匀系统和非均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统称为均匀系统，它是由单相组成。由两个或者两个以上相组成的系统称为非均匀系统。1.状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况.第二节第二节 热力状态及状态参数热力状态及状态参数一、状态及状态参数2.状态参数：描述系统宏观特性的物理量.二、热力学平衡态 1.平衡态：2.系统实现平衡态的条件：力平衡：无压差 p0热平衡：无温差 T0 在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化 ，则该系统所处的状态称为热力学

4、平衡态。同时满足力学平衡条件和热平衡条件3.平衡与稳定、均匀的差别平衡必稳定，稳定未必平衡； 均匀必平衡，平衡未必均匀。思考题：热力系实现平衡的条件是什么？1.常用状态参数：压力P、温度T、体积V、三、热力状态参数状态参数的重要特征： 热力学能U、焓H、熵S。 1）状态参数的数值由系统的状态唯一确定。 2）当系统从初态变为终态时,状态参数的变化量, 只与系统的初、终状态有关,而与变化的途径无关。状态参数的充分和必要条件： 状态参数是系统状态的单值函数或点函数, 状态 参数的微元变量是全微分。 功和热量是过程量不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。强度量尺度量压力、温度。体积、热力学能、焓、熵

5、。基本参数导出参数压力、温度、体积。热力学能、焓、熵。2.状态参数分类 工程热力学只从总体上研究工质所处的状态及其变化，不从微观角度研究个别粒子的行为和特性，因而所采用的物理量都是宏观的物理量。 4.状态参数的特性： 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。 压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直接用仪器测量，称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。5.常用的状态参数： 强度量

6、：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。 广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。 3.状态参数有强度量与广延量之分：1）压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。P=F/A (1) 力的单位： 1N/m2 = 1Pa(帕）； 1 MPa = 106Pa ； 1bar = 105Pa。 (2)大气压力: Pb 标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa(3)相对压力 绝对压力P系统真实压力（是状态参数）表压力Pg真空度Pv系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）6.基本状态参数

7、三压力之间的关系： Pg=P Pb (2-1)Pv= Pb P (2-2) gppbpvpp00图1 -5绝对压力、表压力、真空度和大气压力间的关系(1) 热平衡定律(热力学第零定律)两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系统彼此之间必定处于热平衡。(2)温标 ： 温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）（绝对温度T ）热力学温标t(C)=T(K)-273.15 (2-5)t(C)=5/9(t0F+-32) (2-6)据纯水的三相点为273.15K，2）温度：表征物体冷热程度的物理量摄氏温标： 以符号t 表示，单位为摄氏度， 以符号表

8、示。温度的数值表示法ABCTA=TC TB=TC TA=TB比体积：单位质量工质的体积 m3/kg v=V/m m3/kg (2-8)密 度：单位体积工质的质量 kg / m3 =m/V (2-9) =1/v (2-10)对于一定组元的闭口系统，当其处于平衡状态时，可以用与该系统有关的准静态功形式的数量n加上一个象征传热方式的独立状态参数，即（n+1）个独立状态参数来确定。 四、状态公理3）比体积和密度 热力学研究的系统是简单可压缩系统，系统中只有体积功一种模式的功。所以确定糸统平衡状态的独立变量数为1+1=2。所有状态参数都可以表示为任意两个独立参数的函数。 简单可压缩系：与外界交换只有体积

9、变化功。热力过程: :系统从初始平衡态变化到终了平衡态所经历的 全部状态，简称 “过程”。一、准静态过程（准平衡过程）图1 说明准静态过程用图弛豫时间：恢复平衡所需要的时间。第三节第三节 热力过程热力过程如过程进行的足够缓慢，则封闭系统所经历的每一中间状态足够接近平衡态，这样的过程称为准静态过程。定义 ： 系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢复 到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。二、可逆过程 又定义 ：无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。 过程的不可逆因素： 隔板图2 自由膨胀3）耗散效应2） 不同工质混合 1）自由膨胀（作功为零）

10、图3 不同工质混合隔板 4）有限温差传热图4 有限温差传热实现准平衡过程的条件是： (1)气体工质和外界之间的压差为无限小：0)(extppp (2)气体工质和外界的温差为无限小：0)(extTTT可逆过程必须满足下述两个条件： (1) 工质与外界保持力的平衡(没有摩擦或耗散效应)， (2) 传热时工质与外界保持热的平衡(没有温差)。 准平衡过程和可逆过程的区别：准平衡过程是工质经过一系列状态变化后其内部的过程可逆过程是工质经过一系列状态变化后其内部与外部均的过程无耗散效应的准静态过程是可逆过程实现的充要条件。实现可逆过程的条件是什么？思考题：112),(211220),(Tvpfp1p2v1

11、v2 图4 准静态过程在p-v图上的表示vP121.状态方程2.状态参数坐标图其他状态参数坐标图： p-v图 T-s 图 p-h图 h-s 图三、状态方程和状态参数坐标图 循环的定义：工质从初态出发，经过一系列状态 变化又回到初态，这种闭合的过程称为循环。正循环1-2-3-4-1逆循环1-4-3-2-1制冷循环热泵循环 可逆循环： 热力循环全部由可逆过程组成； 不可逆循环：含有不可逆过程的循环。vP1234状态图上沿顺时针方向进行，消耗热，获得功 状态图上沿逆时针方向进行，消耗功，获得热 分 类:第四节第四节 热力循环热力循环逆循环 高温热源 低温热源Q2Q1W热机 低温热源 高温热源Q1Q2W制冷机正循环逆循环 动力循环 热效率 t=W/Q1 制冷装置 制冷系数 = Q2/W 热泵装置 供热系数 = Q1/W 循环的经济性指标用工作系数来表示：Q1是与高温热源交换的热量 花费