工程热力学三

1工程热力学EngineeringThermodynamics北京交通大学机电学院2010年2联系方式：

陈梅倩机电学院9063成绩评定：

期末考试:70%(半开卷,A4纸)平时:30%(考勤,作业,小测验,发言,听讲，实验等)4作业:每隔2周交一次上课时间和地点:周四（4）/YF408答疑

公共信箱：密码：relixue5参考书：沈维道等,《工程热力学》，高等教育出版社何雅玲，《工程热力学精要分析及典型题精解》，西安交通大学出版社

YunusA.Cengel,etal,《热力学原理及工程应用》，清华大学出版社6工程热力学研究对象：热能和机械能间相互转换的规律和方法绪论78910不以研究热力学原理为目的,以研究热力学原理在工程技术中的应用为目的！11《数学》《应用数学》《化学》《应用化学》《物理》《应用物理》《热力学》《应用热力学》《工程热力学》是在工程技术术中应用的《应用热力学》12基础础课课专业技术基础础课专业业课课程工程热力学13主要研究内容容：基本概念与基基本定律热力过程和热热力循环工质的性质14主要研究方法法：宏观研究方法法平衡态热力学学（经典热力学）：以宏观方方法研究平衡衡态物系（19世纪上半半叶）非平衡态热力力学（不可逆过程热热力学）：用宏观方方法研究偏离离平衡态不远远的非平衡态态物系微观研究方法法微观热力学（（统计热力学学）（19世纪后半半叶）15宏观热力学：：物质是连续介介质.以宏观观物理量描述述物质的行为为，用宏观、、唯象的方法法进行研究；；在说明事物的的本质及解释释某些特殊现现象时显得无无能为力；基本定律是从从无数有限尺度的宏观现象中中总结出来的的规律，因此此只能应用于于有限自然环环境内具有有有限宏观尺度度的物体和现现象中。它不不能任意深入入到物质的微微观结构里用用来说明个别别分子的行为为，也不能任任意推广到时时空均为无限限的宇宙16优点：简单、可靠靠，只有少数数几个宏观物物理量就可描描写系统的状状态；所依据据的基本定律律已为大量实实践所证实，，具有极大的的普遍性和可可靠性。不足之处：不能解释现现象的微观本本质；不能得得出具体物质质的性质。可可以用统计热热力学弥补微观热力学：：物质是由大大量分子、原原子等微观粒粒子所组成17一、工质和热热源工质(workingsubstance/workingmedium)：实现能量相相互转换的媒媒介物质膨胀性、流动动性、稳定性性和安全性、、对环境友善善、价廉易大大量获取第一章基基本概念(BasicConcepts)18热源(heatsource/heatreservoir):与外界仅交换换热量,且具有无穷大大热容量的系系统高温热源（热热源）低温热源（冷冷源）19热力系统(thermodynamicsystem/system)：被人为分割出出来作为热力力学分析对象象的有限物质质系统外界：热力系统周围围物体边界：热力系与外界界的交界面真实的、固定定的、封闭的的假想的、运动动的、开口的的二、热力系统统surroundings(orenvironment)2021闭口系统：只有能量交换换而无物质交交换控制质量CM开口系统：有能量交换和和物质交换控制容积（控控制体）CV22•汽车发动机2325绝热系统：无热量交换孤立系统：无能量交换和和物质交换简单可压缩体体系：热力系由可压压缩流体构成成，体积变化功surroundings(orenvironment)26热力学状态（（状态）：工质在某一瞬瞬间所呈现的的宏观物理状状况状态参数：描述工质所处处状态的宏观观物理量三、状态及状状态参数27强度量：与系统内所含含工质的数量量无关的状态态参数广延量：广延参数具有有可加性。单位质量的广广延参数具有有强度参数的的性质，称为为比参数。28平衡状态(thermodynamicequilibriumstate)：在没有外界影影响（重力场场除外）的条条件下，系统统的宏观性质质不随时间变变化的状态。。实现平衡的充充要条件：系统内部及系系统与外界之之间各种不平平衡势差（力力差、温差、、化学势差））的消失平衡状态具有有确定的状态态参数!29基本状态参数数温度temperature定义：是物系间达达到热平衡的的判据物物质分子热热运动的激烈烈程度习惯上：物体体冷热程度的的度量是确定一个系系统是否与其其他系统处于于热平衡的状状态函数。。温度是热平平衡的唯一判判据热力学第零定定律：若两个热力力系中的每一一个都与第三三个系统处于于热平衡，那那么它们彼此此也处于热平平衡。30温标(temperaturescale)：温度的定量量表示法温标的三要素素：选定一种测温温物质的性质质选基准点分度法热力学温标：：建立在热力学学第二定律基基础上的而完完全不依赖测测温物质性质质的温标。规规定水的汽、、液、固三相相平衡共存的的状态点（三三相点）为基基准点，并规规定此点的温温度为273.16Kthermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescale31Celsiustemperaturescale强调!32压力力定义义：单位位面面积积上上承承受受的的垂垂直直作作用用力力。。对对于于气气体体，，实实质质上上是是气气体体分分子子运运动动撞撞击击容容器器壁壁面面，，在在单单位位面面积积的的容容器器壁壁面面上上所所呈呈现现的的平平均均作作用用力力。单位位：Pa，kPa，MPa压力力表表测测量量的的压压力力-表压压力力pg，真真空空表表测测量量压压力力-真空空度度pv，工工质质的的真真实实压压力力-绝对对压压力力p333435例题题：：测测得得容容器器内内气气体体的的表表压压力力为为0.25MPa，当当地地大大气气压压为为755mmHg，求求容容器器内内气气体体的的绝绝对对压压力力p，并并分分别别用用（（1）MPa、（（2）bar、（（3）atm、（（4）at表示示。。解p=pg+pb=0.25××106＋＋755××133.3224＝0.3057××106=0.3057MPa36比体体积积(specificvolume)单位位质质量量工工质质所所占占有有的的体体积积m3/kg37状态态方方程程式式根据据状状态态公公理理，简单单可可压压缩缩系系统统平平衡衡态态的的独独立立参参数数只只有有2个。原则则上上，，可可以以选选取取可可测测量量参参数数p，v和T中的的任任意意两两个个独独立立参参数数作作为为自自变变量量，，其其余余参参数数（（u，h，s等））则则为为因因变变量量38状态态参参数数坐坐标标图图v11vpp139如图图所所示示，，绝绝热热活活塞塞把把一一个个刚刚性性绝绝热热容容器器分分成成A和B两部部分分，，分分别别有有某某种种气气体体，，B侧设设有有电电加加热热丝丝。。活活塞塞在在容容器器内内可可自自由由移移动动，，但但两两部部分分气气体体不不能能相相互互渗渗透透。。合合上上电电闸闸，，B侧气气体体缓缓缓缓膨膨胀胀。。问问：：（l）取取A侧气气体体为为系系统统，，是是什什么么系系统统？？（2）取取A侧和和B侧全全部部气气体体为为系系统统（（不不包包括括电电热热丝丝）），，是是什什么么系系统统？？（3）取取A侧和和B侧全全部部气气体体和和电电热热丝丝为为系系统统，，是是什什么么系系统统？？（4）取取图图中中虚虚线线内内为为系系统统，，是是什什么么系系统统？？讨论论题题40作业业：：思考考题题：：1.2、1.4对平平衡衡、、均均匀匀、、稳稳定定三三个个关关键键词词的的理理解解41热力力过过程程：：热热力力系系从从一一个个状状态态向向另另一一个个状状态态变变化化时时所所经经历历的的全全部部状状态态的的总总和和12四、热热力过过程42准平衡衡过程程(准静态态过程程)定义：：由一一系列列无限限接近近于平平衡态态的状状态所所组成成的过过程.（着眼眼于系系统））/偏离平平衡态态无穷穷小，，随时时恢复复平衡衡的状状态变变化过过程实现条条件：：推动动过程程进行行的势势差无无限小小。这这样保保证系系统在在任意意时刻刻皆无无限接接近于于平衡衡态。。1第2章基本概念2.3热力过程244建立准准平衡衡过程程概念念的好好处：①可以用用确定定的状状态参参数变变化描描述过过程；；②可以在在参数数坐标标图上上用一一条连连续曲曲线表表示过过程。。1pv245可逆过过程定义：如果果系统统完成成某一一热力力过程程后，，再沿沿原来来路径径逆向向进行行时，，能使使系统统和外外界都都返回回原来来状态态而不不留下下任何何变化化实现条条件：准平衡衡过程程过程中中无任任何耗耗散效效应（（通过过摩擦擦、电电阻、、磁阻阻等使使功变变成热热的效效应））无耗散散的准准平衡衡过程程为可可逆过过程。。强调!46非准静静态过过程准静态态过程程，不不可逆逆准静态态过程程，可可逆pFfpb47可逆过过程（（不仅仅着眼眼于系系统内内，与与外界界也有有关系系）强调!48系统与与外界界的不不平衡衡势差差——作功和和传热热功(可逆过过程)定义:通过边边界传传递的的能量量,其全部部效果果可表表现为为”举起重重物”—是传递递过程程中的的机械械能五、功功和热热量49w>0膨胀功功（对对外作作功））w<0压缩功功（消消耗功功）12pv50例题某某种气气体工工质从从状态态1（p1，V1）可逆逆地膨膨胀到到状态态2。膨胀胀过程程中：：（a）工质质的压压力服服从p＝a－bV，其中中a、b为常数数；（（b）工质质的pV保持恒恒定为为p1V1。试分分别求求两过过程中中气体体的膨膨胀功功。解：（a）(b)51热量定义：热力系系和外外界之之间仅仅仅由由于温温度不不同而而通过过边界界传递递的能能量作功动力作功标志传热动力传热标志熵Entropy52热量与与功的的比较较：1.均为通通过边边界传传递的的能量量；3.功传递递由压压差推推动，，体积积变化化是作作功标标志；；热量传传递由由温差差推动动，熵熵变化化是传传热的的标志志；4.功是物物系间间通过过宏观观运动动发生生相互互作用用传递递的能能量；；热是物物系间间通过过紊乱乱的微微粒运运动发发生相相互作作用而而传递递的能能量。。功2.均为过过程量量；热是无无条件件的热功是有有条件件的54定义：：工质质由某某一初初态出出发，，经历历一系系列热热力状状态变变化后后，又又回到到原来来初态态的封封闭热热力过过程。。目的的:为了实实现预预期连连续的的能量量转换换。按照性性质分分:可逆循循环（（全部部由可可逆过过程组组成的的循环环）和和不可可逆循循环（（含有有不可可逆过过程的的循环环）按照目目的分分:正向循循环（（即动动力循循环））和逆逆向循循环（（即制制冷循循环或或热泵泵循环环）。。六、热热力循循环55动力循循环：：热效效率ηtWnet--循环对对外界界作出出的功功量，，QH--从高温温热源源取得得的热热量。。56制冷循环:制冷系数QL-从低温热源（（冷库）取出出的热量，Wnet-为了取出QL所耗费的功量量57热泵循环:供热系数QH-给高温热源（（供暖的房间间）提供的热热量，Wnet-为了提供QH所耗费的功量量58难点诠释平衡状态：参数不随时间间改变只是现现象，不能作作为判断系统统是否平衡的的条件，只有有系统内部及及系统与外界界之间的一切切不平衡势差差的消失，才才是实现平衡衡的本质，也也是实现平衡衡的充要条件件。平衡必稳定，，稳定未必平平衡。第一章小小结59平衡是相对时时间而言，而而均匀是相对对空间而言。平衡不一定均均匀。特点：平衡状态具有有确定的状态态参数60①使得系统与外界功功量和热量的的交换能用系系统的参数来来计算，而无无需考虑往往往不知道情况况的外界参数数，从而使问题简简化，而只需需把注意力放放在系统，即即系统内工质质的状态及状状态的变化描描述上；②由于可逆过程程进行的结果果不会产生任任何能量损失失，因而可逆逆过程可以作为实际过程程中能量转换换效果比较的的标准和极限限；建立可逆过程程概念的目的的61③因实际过程或或多或少地存存在着各种不不可逆因素（（如摩擦、温温差、力差或或化学势差）），所以实际际过程都是不不可逆的。为为简便起见，，通常把实际过程当作作可逆过程进进行分析计算算，然后再用用一些经验加加以修正。建立可逆过程程概念的目的的62功和热量Q(q)W(w)定义在温差推动下，系统与外界借助于微观的无序运动传递的能量在压差推动下，系统与外界借助于宏观的有序运动传递的能量推动力温差力差方式微观无序宏观有序过程量过程量正负号吸热+，放热-对外做功+，耗功-63基本概念回顾顾热功状态过程循环状态变化封闭过程热力系闭口系开口系绝热系孤立系准平衡过程可逆过程平衡状态状态参数(基本)状态方程正向循环逆向循环工程热力学分析方法热力系统求解的问题循环过程能量交换质量交换方向性条件65了解工程热力力学的研究对对象和研究方方法掌握工程热力力学中一些基基本概念和术术语：热力系系、平衡状态态、准平衡过过程和可逆过过程等掌握状态参数数的特征，基基本状态参数数p、v、T的定义和单位位等。掌握热热量和功量过过程量的特征征，并会用系系统的状态参参数对可逆过过程的W(w)和Q(q)进行计算熟悉正向循环环和逆向循环环的定义,经济指标p-v图和T-s图的作用基本要求66作业：1.6思考题：1.1、1.39、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。14:50:1814:50:1814:501/6/20232:50:18PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。1月-2314:50:1814:50Jan-2306-Jan-2312、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。14:50:1914:50:1914:50Friday,January6,202313、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。1月-231月-2314:50:1914:50:19January6,202314、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。06一一月月20232:50:19下下午14:50:191月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。一月232:50下午午1月-2314:50January6,202316、行动出出成果，，工作出出财富。。。2023/1/614:50:1914:50:1906January202317、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。2:50:19下下午2:50下下午午14:50:191月-239、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。1月-231月-23Friday,January6,202310、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。14:50:1914:50:1914:501/6/20232:50:19PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。1月-2314:50:1914:50Jan-2306-Jan-2312、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。14:50:1914:50:1914:50Friday,January6,202313、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月月-2314:50:1914:50:19January6,202314、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。06一一月月20232:50:19下下午14:50:191月-2315、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。一月月232:50下下午午1月月-2314:50January6,202316、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡