工程热力学精品课件

1、工程热力学第1页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三1-1 热力系统第四章 基本概念1.热力系统 ：选定的研究对象2.外界：系统以外的所有物质3.边界：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界一、系统与边界固定、活动真实、虚构系统外界边界第2页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章基本概念4.热力系统分类系统与外界相互作用 有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系最重要的系统 简单可压缩系统 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。第3页，共45页

2、，2022年，5月20日，4点20分，星期三二、系统及边界示例 汽车发动机第四章 基本概念第4页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三 汽缸-活塞装置（闭口系例） 第四章 基本概念 燃气轮机（开口系例） 移动边界 虚构边界第5页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三1-2 状态和状态参数第四章基本概念一、状态与状态参数状态:某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定；反之，只有足够 数量的状态参数同时确定，才能确定状态。2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关3、状态参

3、数的微分特征：全微分第6页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章基本概念二、状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数1 2ab第7页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章基本概念三、强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数。如压力 p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg /kmol 具有强度量的性质第8页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三1-3 基本状态参数第四章基本概念压力 p、温度 T

4、、比容 v （容易测量）一、压力 p单位面积上的垂直作用力 物理中压强，单位: Pa , N/m2常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 Mpa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at =735.6 mmHg = 9.80665104 Pa第9页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章基本概念当 p pb表压力 pe当 p 准平衡（静态）过程 假如重物被有无限分割，每次去掉无限薄一层，系统随时无限接近平衡态。此时，有限个点变成无限多个点，变成一条线，可以非常完整地描述过程2.准平衡过程

5、重物无限分割例：活塞式内燃机 2000转/分，活塞运动速度=10 m/s，但压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s，可视为准平衡过程第22页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章基本概念 系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。（强调完全复原性）3.可逆过程准平衡+无耗散非平衡过程是否能做到这一点呢？隔板抽掉隔板很明显，外界必须消耗功，系统才能回到初态，（不能全复原）非平衡过程不是可逆过程。第23页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三准平衡过程是否能保证做到这一点呢？第四章基本概念pv12.如果活

6、塞是绝热的，且与气缸之间没有摩擦，我们每次减小外力dF工质从1-2。反过来依次增加外力dF，工质从2-1.工质和外界都能回到初态。F第24页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三第四章 基本概念 如果存在摩擦，情况就不同了。膨胀时，工质需克服外力和摩擦阻力膨胀做功。压缩时，外界需克服工质压力和摩擦阻力做功。因为克服摩擦力做功都变成热能（设想热能传递到外界）系统从1-2后，要想反过来从2-1回到初态，外界必须提供消耗在摩擦上的功，也就是说，此时外界消耗了功，得到了等量的热能。系统回到初态，但外界没有。（留下痕迹，不能完全复原性）准平衡过程有摩擦无摩擦可逆过程第25页，共45页，2

7、022年，5月20日，4点20分，星期三准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程无不平衡势差通过“摩擦”使机械能变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性磁阻等） 不平衡势差（非平衡不可逆）不可逆根源 耗散效应 （耗散不可逆） 第四章 基本概念第26页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三典型的不可逆过程温差传热T1T2T1T2Q自由膨胀真空第四章 基本概念第27页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三典型的不可逆过程节流过程p1p2p1p2混合过程第四章 基本概念第28页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理

8、想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数及其变化过程表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，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。第四章 基本概念第29页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆可逆 内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆常见90 0 例：内可逆外不可逆第四章 基本概念第30页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三1-6 功量与热量1、力学定义: 力 在力方向上的位移2、热力学

9、定义： a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为提升重物，此即为热力系对外作功。 b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。第四章 基本概念一、功量第31页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三3.准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA = p外A +fA如果 p外变小dp，工质经历准静态过程dl以气缸中工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W = pA dl =pdV1kg工质w =pdv产生微元位移dl ，可认为 p 不变第四章 基本概念第32页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三mkg工

10、质：W =pdV1kg工质：w =pdv注意： 上式仅适用于准静态过程pp外21第四章 基本概念第33页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三4.示功图21pp外mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdvpV.12.W第四章 基本概念第34页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三5.准静态容积变化功的说明1）单位为 kJ 或 kJ/kg2） p-V 图上用面积表示3）功的大小与路径有关， 功是过程量4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 外内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）pV.12.6）外力无限制，功的表达式只是系统内

11、部参数7）有摩擦，系统功不等于外界功第四章 基本概念第35页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三6有用功(useful work)概念其中:W膨胀功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功； Wp排斥大气功。pbf第四章 基本概念第36页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三二、 热 量 1.热量定义： 仅仅由于温差而通过边界传递的能量。或者说热量是热力系与外界相互作用，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。第四章 基本概念2.热量与功量的类比主要共同点：1）都是在“势”的作用下，通过边界 传递的能量； 2）都是与过程有

12、关的量；联想：热量的计算是否与功具有形式上一致的公式？第37页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三能量传递 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量推动“势” 压力 p 温度 T标志 dV , dv dS , ds公式条件 准静态或可逆 可逆第四章 基本概念第38页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三3.熵的定义和示热图TSQ示热(温熵)图第四章 基本概念第39页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三1-7 热力循环要实现连续地将热能转变成机械能，必须构成循环一、定义 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环二、分类：1.根据过程是否可逆循环可逆循环第四章 基本概念逆向循环2.根据热功转换方向循环正向循环第40页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三pVTS循环围成的面积是一个循环输出的净功，亦称动力循环正向循环：将热能转变成功的循环（顺时针方向）2112第四章 基本概念第41页，共45页，2022年，5月20日，4点20分，星期三pVTS逆向循环：实现将热量从低温物体转移到高温物体的循环（逆时针方向，用于制冷或泵热）2112第四章 基本概念循环围成的面积是一个循环消耗的净功第42页，共45页，2022年，5月