工程热力学：第二三次课-基本概念

1、Engineering Thermodynamics 工 程 热 力 学 0.2 课程特点2考核方式考核方式平时成绩10迟交作业一次扣5分期末考试 90 缺课一次扣5分 3问题1。 海洋蕴藏巨大能量，可否作为能源?4。热机运行一般包括哪几大部件？5。外燃机与内燃机的主要区别是什么 ？3。 从工程应用角度看，热力学有几大定律？2。工程热力学研究方法属宏观法还是微观法?Basic Conceptions第一章 基本概念5第一章 基本概念及定义1-2. 热力系统1-3. 工质的热力学状态及其基本状态参数1-4. 平衡状态、状态方程式和坐标图1-5. 工质的状态变化过程1-7. 热力循环1-6. 热量

2、和功1-1. 研究对象的模型化61-1. 研究对象的模型化模型： 根据需要，对研究的对象合理近似或抽象。模型化是科学研究的第一步也是最重要的一步7系统（热力系统，thermodynamic system, system ）外界（环境，surrounding ）边界（ boundary ）系统与外界的分界域人为分离出来，作为研究对象的有限物质系统。系统之外的一切物质系统边界外界1-2.热力系统（热力系、系统、体系）8外界实际指对系统有显著影响的物质系统系统、外界、边界的说明取气体包括重力场为系统 系统为有限物质限制了将宏观世界得到的结论随意推广到宇观世界。取气体不包括重力场为系统实体物质蒸汽：几

3、何区域场取蒸汽通过的几何区域为系统系统 9系统、外界、边界的说明取气体不包括重力场为系统的边界 系统只能通过边界与外界发生相互作用。取气体包括重力场为系统的边界几何面几何体边界热力学中系统与外界的相互作用包括交换质量和交换能量两种形式10系统、外界、边界的说明涡轮蒸汽：虚拟变形虚拟固定刚性移动刚性固定边界可以刚性或变形固定或移动实际或虚拟 11闭口系（控制质量, closed system）1-2. 热力系统开口系（控制体积, open system） 与外界无质量交换闭口系： 无质量交换可能量交换开口系： 与外界有质量交换（不是质量变化）12孤立系（isolated system）1-2.热

4、力系统 与外界既质量交换也无能量交换 无质量、能量交换孤立系：孤立系：开口系：外界 无质量、能量交换系统与外界构成孤立系无热量交换绝热系绝热系：可压缩系统简单可压缩系统均匀系统非均匀系统单元系统多元系统单相系复相系热力系统内部状况的分类 1刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝 红线内闭口绝热系黄线内不包含电热丝闭口系黄线内包含电热丝闭口绝热系兰线内孤立系热力系示例开口系?刚性绝热喷管取红线为系统取喷管为系统开口绝热系?开口系统与外界有物质交换，而物质与能量又不可分割，所以开口系统一定不是绝热系，这种观点对否？16微观态：系统由大量（N个）作不规则热运动粒子构成，6 N个粒子的位置与速度坐标构

5、成系统的微观状态量。微观状态量确定的状态称系统的微观态。状态：由状态量取确定值描述的系统宏观状况状态量（状态参数）：描述系统宏观特征的可测（直接或间接）物理量（密度、压力、温度、体积、能量等）。状态是状态参数的单值函数，与达到状态路径无关1-3. 工质的热力学状态及其基本状态参数17状态与达到状态路径无关状态1=状态2=状态3秋天夏天冬天温度 T（Temperature）六个主要状态参数焓 H（Enthalpy）比体积 v（Specific volum）压力 p（Pressure）内能 U（Internal energy）熵 S（Entropy）基本状态参数：可直接测量，使用最多强度量广延量基

6、本状态参数密度强度量与物质的量无关的参数强度量：均匀非均匀 无可加性点的强度量为宏观无限小微观无穷大体积内微观粒子的统计平均量。宏观上系统可视为无穷多点连续分布组成的连续介质。连续介质模型均匀系非均匀广延量与物质的量有关的参数，有可加性定义比参数比参数是强度量温度的衡量标准如何去测量温度？经验温标测温物质 （水银）水冰点测温变量 （液柱高 z）测温函数 （线性）-273.15 0Celsius: 0100 水银温度计的标定：沸点测温基准点沸点100冰点依赖测温物质温标温度数值化的标准人为规定数值经验温标的要素：测温物质 （水银，铂电阻）测温基准点（冰点、沸点、三相点）测温变量 （液柱高，阻值）

7、测温函数 （线性、非线性）人为规定理想气体温标测温物质 （氢气或氦)水三相点测温变量 （p）测温函数 （线性）273.16K定容温度计的标定：测温基准点温泡三相点温度的选择p摄氏温标理想气体温标水冰点沸点0K273.16K三相点取由取摄氏理想热力学（绝对）温标（ K ）R：可逆卡诺热机；Q0、Q 为 R 工作过程中与 T热、T0 交换的热量；T热、T0 ：两个热源温度热力学温标不依赖测温物质，恒大于零，但无法实施，可证明在理想气体测温范围内两者一致RR国际实用温标（）绝对K摄氏 100373.150.01273.160273.15-273.15冰点沸点规定摄氏温标 国际实用温标规定用气体温计测

8、出一系列固定平衡点（如金凝固点），在这些点之间用规定的基准仪器和相应的内插和外推公式测温使之尽可能接近热力学温标。华氏温标和朗肯温标（自学）三相点线性温标的换算要点：测温变量相同任意点与固定点测温变量温标1任意点与固定点读数温标2任意点与固定点读数29华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标T R=t +459.67t =5/9t -32t =9/5t +32各种温标转换热力学温标t =T-273.15压力的测量与力平衡液体密度假定常量气压假定不随高度变表压力表压力力平衡态绝对压力环境压力环境压力压力即为物理学的压强压力 (pressure)环境压力（surround absolute press

9、ure)绝对压力 (absolute pressure)表压力 (gauge pressure)真空度（ vacuum pressure)表压力 ,真空度为压力计读数均为正数环境压力常为大气压（随时间、地点变化。）压力 的单位常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 kPa = 103 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 at =10 mH2o = 9.80665104 Pa 1psi = 6895Pa=0.06895bar物理中压力单位: Pa , N/m2环境压力不一定为大气压加压压力罐压力室压力表作业习题 p32 11

10、，15 ，16 ，19思考题 P30 11，12, 141-4. 平衡状态、状态方程式和坐标图平衡状态（Equilibrium state）:不受外界影响系统状态不随时间变化的状态. 外界影响指作功、传热、传质热力学平衡力平衡热平衡相平衡化学平衡平衡均匀平衡非均匀 没有任何一种不平衡势差 当外界影响停止系统最终将趋于平衡态弛豫时间:非平衡态到平衡态的时间弛豫时间随压力波速与温度扩散速度增大而减小,与工质物性物性相关非平衡平衡弛豫时间状态量不随时间变化是否一定为平衡态? 稳态(定常态)热力系各处状态量不随时间变化定常非平衡态透热璧270C恒温热源绝热璧环境温度 有外界影响时热力系各处状态量仍可不

11、随时间变化，但一般情况下状态量分布不均匀非平衡态如何定义状态量非平衡态强度状态量假定 t 时刻将M点的微元边界内物质与周围隔离经驰豫时间后微元处于平衡态，称为局部平衡状态，测得此状态的状态参数定义为系统在M点 t 时刻的强度状态函数：t 时刻系统此模型要求宏观分析的最小时段远大于微元的驰豫时间tttt+t状态方程简单可压缩系统，平衡状态下状态方程 基本状态参数之间的关系如:理想气体的状态方程状态方程的具体形式取决于工质的性质液-气气固-液固-气固液三相线等压线等温线(临界)状态方程的图形为什么引入平衡概念？如果系统平衡，状态量与时间和空间无关(单相)热力学定律的初终态为平衡态状态参数在平衡态（

12、或局部平衡态）定义状态方程在平衡态成立外界影响小时平衡态近似成立经典热力学主要研究平衡态下规律平衡态是一种模型过程：状态的变化1-5. 工质的状态变化过程T2V1初态终态路径非平衡态必须打破平衡才能与外界作用平衡态1平衡态2路径：过程中系统经历的一系列状态T2V1初态终态路径非平衡态必须打破平衡才能与外界作用平衡态1平衡态2准静态模型的引入一般来说，路径是非平衡的，不便分析，有必要引入准静态过程模型(简称准静态模型)p2V1准静态过程:假定为过程中随时无限接近于平衡态的过程准静态过程准静态过程的特点过程进行非常慢，系统内部和系统内外的不平衡势差无限小过程中任何时刻的状态可看成时平衡态,系统状态

13、参数分布均匀。实际过程当温度扩散速度和压力传播度很快使破坏平衡所需时间远大于驰豫时间，可认为是准静态过程（如内燃机气缸）, 但很多情况只是一种研究模型。过程进行慢并非一定是准静态过程（自由膨胀）不平衡势差指引起不平衡的因素（温差压差等）绝热自由膨胀过程初态若分多步完成是否为准静态过程？真空气体隔板终态p12V实际过程不可逆OKNO!温差传热自由膨胀受控膨胀弹簧力改变原外界可恢复原态OK冷改变原外界也称在外界留下变化（痕迹）要实现可逆，系统和外界在正向每一微小过程中输出（输入）的能量必须等于反向过程中输入（输出）的能量不可逆原因何在由于存在不平衡势差，系统输出的能量大于外界得到的能量，要复原必须

14、另加能量弹簧力摩擦力由于摩擦,反向时外界需要输出更大能量无不平衡势差正反可逆过程的能量交换可逆过程循环:可逆过程的正反过程构成的循环正过程反过程功=热=可逆模型的引入如果没有不平衡势差和摩擦,系统与外界能同时沿原路径恢复到初始状态，而不留下变化可逆过程可逆过程外界得到的功大于不可逆过程物理上无限小势差理论上可逆过程是最优过程不可逆可逆过程的实现准静态过程 + 无耗散效应= 可逆过程无不平衡势差由摩擦,电阻，非弹性变性，磁阻等引起的功变热效应耗散性耗散效应不可逆性不平衡性 如何实现无温差传热引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程不仅分析简便，而且是最优理想

15、化过程 实际过程是不可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。 热量(heat) ：是热力过程中由于温差通过边界传递的能量。绝热方法：绝热材料消除温差过程量1-6. 热量和功时段 t2- t1传递能动势能、内能是储存能（状态量）食物含有100焦耳热量吸热为正功是什么功是热力过程中不是由温差,系统与外界通过边界传递的能量功是力乘在力方向上的位移功的符号：系统对外作功为正。功是通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。热力学定义 ： 力学定义： 理想能量转换及机械传动装置热不能完全转换成机械功广义力广义位移 线 线 线功和热量

16、的异同热是温差的驱动下物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量（无序）均为通过边界传递的能量，为系统与外界共有的过程量功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量（有序）功全变热热不可全变功热机57状态公理n 容积变化功、表面张力功等平衡状态下，在无化学变化时，质量一定的系统独立强度状态量数目N 等于各种可逆功(准静态功)的方式数目n 加以1简单可压缩系统：N = n + 1 = 2简单可压缩系统（simple compressible system） 无化学反应、电、磁，重力，运动以及表面张力等效应的可压缩物质。状态量与过程量的数学特性点函数二元函数 态函数状态量全微分yx12热力学

17、坐标 要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化后，又回到原初始状态的一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：循环可逆循环1-7. 热力循环内部可逆循环全可逆循环 1(2)如何确定系统热源？实际热源边界热源T系统边界热源v对复合系统不可逆循环取实际热源温度 对复合系统可逆循环取边界热源温度 边界热源(也称多热源)是与系统温度相差无限小（计算取Tr=T）的假想变温热源.它与系统构成内部可逆系统。锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器1234过热器4321Ts12 汽轮机 s 膨胀34 给水泵 s 压缩正循环23 凝汽器 p 放热41 锅炉 p 吸热热机T1T2Q1W高温热源低温热源吸热排热作净功热力循环的评价指标正循环：净效应（吸热、对外作功）动力循环：热效率T1T2Q1W逆循环Ts12344123蒸发器冷凝器压缩机节流阀冷藏室环境制冷机与热泵冷藏室房间环境环境制冷机Q1WQ2WQ1Q2排热输入功输入功热泵供