工程热力学第一章

1、工程热力学第一章第1页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三1-1 热力系统 一、系统、边界与外界热力系统的定义：将所要研究的对象与周围分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（简称系统） 。 系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。第2页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三界面的特性:可以是真实的， 也可以是虚拟的；可以是固定的， 也可以是运动的。第3页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三界面热源外界外界热力系统热力系统、界面、外界例第4页，共54页，2022年

2、，5月20日，4点24分，星期三系 统系 统界面热力系统、界面、外界例研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？第5页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三系 统界面外界外界热力系、界面、外界例第6页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三热力系、界面、外例系 统界面第7页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三二、热力系统的分类(一)按系统与外界之间的相互联系划分：1.闭口系统系统与外界无物质交换的热力系统。2.开口系统系统与外界有物质交换的热力系统。3.绝热系统系统与外界无热量交换的热力系统。4.孤立系统系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交

3、换的系统。第8页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三闭口系统第9页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三开口热力系第10页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三1234mQW1 开口系 热力系统非孤立系相关外界孤立系1+2 闭口系1+2+3 绝热闭口系1+2+3+4 孤立系第11页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三三、按照系统内部的情况可划分1.单相系系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一个相，由单一物相组成的系统称为单相系。2.复相系有两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成称三相系。3.单元系由一种化学成分

4、组成的系统称为单元系。4.多元系由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系。5.均匀系成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系6.非均匀系在整个系统空间非均匀分布称为非均匀系热力系统的分类第12页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三1-2工质的热力状态及其基本状态参数一、状态与状态参数热力状态定义:工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为热力状态（简称为状态） 。状态参数定义:描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。状态参数的数学特性：或热力学中常用的状态参数：温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。第13页，共54页，2022年，5月20日，4点24分

5、，星期三二、基本状态参数基本状态参数： 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。如 ：温度、压力、比容1.温度）热力学第零定律 如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。第14页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。状态参数温度第15页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三热力学温标 常用的温标摄氏温标

6、 t 基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为0。沸点温度为100。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。0与100这两个基准点之间分成100等分, 每一等分为1度。基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相 点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。 t = T273.15热力学温标与摄氏温标之间的关系：常用的温标第16页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三.压力 单位面积上所受到的垂直作用力。表达式或上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。由气压计测量出来的压

7、力称为大气压力 B。表压力pg、大气压力B和绝对压力p之间的关系如下：常用的压力单位间的关系第17页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三U形管式压力计示意图真空度U形管式压力计示意图BBpBP有足够时间恢复新平衡 准静态过程第30页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析

8、。“突然”“缓慢”第31页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三可逆过程的定义： 当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。可逆过程的描述注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程第32页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三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通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 不平衡势差不可逆根源 耗散效应 耗散效应第33页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三典型的不可逆过程不等温传热节流

9、过程 (阀门）自由膨胀混合过程第34页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；2.准平衡过程不一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！第35页，共54页，2022年，5月20日，4点24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36页，共54页，2022年，

10、5月20日，4点24分，星期三三、可逆过程的膨胀功（体积功）1、力学定义: 力 在力方向上的位移 2、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。功的一般表达式功的单位:J,kJ第37页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三可逆过程功的推导 第38页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三示功图pV.12.pp外21mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdvW第39页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三注意：微元功 不是全微分， 表示微小量，而不是微小增量所以功可正可负也可以为零即：功是过程量,不是状态量，其

11、大小与初、终状态有关, 也与路径有关第40页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三四、可逆过程的热量1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分。 另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。第41页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三热量计算公式:热量单位:J,kJ第42页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三微小热量 ： 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。总热量： 积分与过程有关 。 热量是过程量第43页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星

12、期三热量与容积变化功的对比能量传递方式 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量 推动力 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44页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三循环过程工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。 如图：循环1-2-3-4-11-5 热力循环PV01243循环概念 第45页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积 V0Aa21QQP第46页，共54页，2022年，

13、5月20日，4点24分，星期三循环的经济性可逆循环与不可逆循环全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。第47页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三一、正循环定义把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功热源冷源热机Q2Q1第48页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112第49页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三正循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WnetT1Q1Q2T2动力循环：热效率第50页，共54页，2022年，5月20日，4点24分，星期三二、逆循环定义把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功热源冷源热机Q2Q1第51页，共5