工程热力学资料

工程热力学资料第1页/共54页返回继续下一页第2页/共54页返回继续下一页第3页/共54页返回继续下一页第4页/共54页四冲程汽油机第5页/共54页四冲程柴油机第6页/共54页二冲程汽油机第7页/共54页返回下一页继续第8页/共54页蒸汽动力装置（流程图）锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器泵返回继续下一页第9页/共54页共同本质：都是通过媒介物的：§1-2

工质、热源及热力系统定义:实现热能和机械能互相转化的媒介物质。对工质的要求：①膨胀性②流动性③热容量④稳定性、安全性⑤环保性能⑥价格}

物质三态中气体最合适1.工质（workingsubstance;workingmedium）吸热膨胀做功排热来完成从燃料燃烧产生的热能向机械能的转化。第10页/共54页2.热源（heatsource；heatreservoir）定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。热源{

温度高低温度变化{

{

高温热源（热源—heatsource）低温热源（冷源—heatsink）恒温热源（constantheatreservoir）变温热源（variationalheatreservoir）3.1热力系统（热力系、系统、体系）和外界及边界

系统（thermodynamicsystemorsystem）人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；外界（surrounding）与体系发生能量和物质交换的物质；边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；第11页/共54页SystemBoundary

Surroundings

三者之间的关系：第12页/共54页第13页/共54页第14页/共54页注意：①系统与外界设定的人为性；②外界与环境介质；③边界可以是：ⅰ刚性的或可变形的；ⅱ固定的或可移动的；ⅲ真实存在的或虚拟的。第15页/共54页3.2边界示意图第16页/共54页3.3热力系统分类（1）•按组元数：

单元系—onecomponentsystem;puresystem

多元系—multicomponentsystem•按相数：

单相系—homogeneoussystem

多相系—heterogeneoussystem注意：1)不计恒外力场的影响;2)多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）；3)单元系未必均匀（汽液平衡分离）。第17页/共54页3.4热力系统分类（2）按系统与外界有无质量交换分为：开口系（opensystem）控制体积（CV）

通过边界与外界有物质交换；

闭口系（closesystem）控制质量（CM）

没有物质交换。第18页/共54页•绝热系—adiabaticsystem

与外界无热量交换；•孤立系—isolatedsystem

与外界既无能量交换也无物质交换；•简单可压缩系—simplecompressiblesystem

由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。注意：1)闭口系与质量不变系的区别；2)开口系与绝热系的关系；3)孤立系与绝热系的关系。常见的热力常系统第19页/共54页3.5热力系统示例图刚性绝热气缸-活塞系统，B侧有电热丝加热红线内—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—闭口绝热系蓝线内—孤立系第20页/共54页3.6热力系示例图刚性绝热喷管取红线为系统—闭口系取喷管为系统—开口系绝热系？第21页/共54页§1-3工质的热力状态及基本状态数•热力学状态—

stateofthermodynamicsystem

—某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况•状态参数—stateofproperties—描述系统所处状态的宏观物理量

a).状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果，

只有平衡态才有统一的状态参数。

常用的状参有：p,T，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等，

其中ｐ，Ｔ，Ｖ称为基本状态参数。ｂ）状态参数的特性：状态的单值函数物理上：与过程无关数学上：其微分是全微分第22页/共54页c)状态参数的分类：

广延量—与系统质量多少有关

extensiveproperties强度量—与系统质量多少无关

intensiveproperties

注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如：任意两个系统状态相同的充要条件是：

所有状参一一对应相等。两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是：

两个独立的状态参数分别对应相等。第23页/共54页一、温度（temperature）

温度：物体的冷热程度热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡热力学第零定律——热平衡定律（thezerothlawofthermodynamics）

如果A与B，A与C热平衡，则B与C热平衡

—测量温度的依据第24页/共54页

温标（temperaturescale）－温度的表示方法

温标的组成：1.基准点，2.刻度

华氏温标基准点：1atm水冰点规定为32°F

1atm水汽点规定为212°F

刻度：基准点间1/180热力学温标基准点：水的三相点规定为273.16K刻度：基准点温度的1/273.16摄氏温标：基准点：1atm水冰点规定为0℃1atm水汽点规定为100℃刻度：基准点间1/100第25页/共54页热力学温标和国际摄氏温标（thermodynamicsscale;KlvinabsolutetemperaturescaleandCelsiustemperaturescale）

T=t+273.15K华氏温标与摄氏温标的关系华氏温标和朗肯温标的关系

经验温标：与测温物质的特性有关。第26页/共54页二、压力（pressure）压力：即物理上的压强。单位单位换算，一定要注意：见表1-1（P15）压力的测量：

1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外界压力的差。

2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量，测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力之差。

3.大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝对压力。第27页/共54页绝对压力—absolutepressure表压力

—gaugepressure;manometerpressure

真空度

—vacuumpressure当地大气压

—localatmosphericpressure第28页/共54页示例图三、比容（specificvolume）比容：单位质量物质所占的体积密度(density)；单位体积物质的质量两者的关系：可见，二者相关，不互相独立。注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。作业：四版1-3，9

三版1-3，8；第29页/共54页§1-4平衡状态、状态方程式、坐标图讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。一、平衡状态(thermodynamicequilibriumstate)处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。系统处于平衡状态的条件：系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。热平衡(thermalequilibrium)

—温差为零力平衡(mechanicalequilibrium)

—和力均为零。第30页/共54页稳定未必平衡平衡未必均匀反之如何？请思考！非平衡状态：有不平衡势存在！稳定与平衡均匀与平衡平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。第31页/共54页二、状态方程式状态公理：例.1)单组分气体系统：2=1-1+2如p和T，当p一定时，T不同则状态不同。

2)液或汽态的水：2=1-1+2。饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2;

3)水的三相点：0＝1－3＋2第32页/共54页状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,T)隐含数的形式：F=F(p,v,T)这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。三、状态参数坐标图简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：pvpTTshTph坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。第33页/共54页§1-5工质的状态变化过程热力过程：工质状态变化一、准平衡过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibrium)例.

放气：对比右侧：水波向左传播打开关阀时：平衡打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播

(假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不均匀，无统一状态参数。b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时间内可以看作平衡状态。第34页/共54页准平衡过程定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫准平衡过程。特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态，准平衡过程又叫准静态过程。进行条件：不平衡势⊿p，⊿T无穷小；过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。第35页/共54页二、可逆过程和不可逆过程可逆过程(reversibleprocess)定义：过程能经原路径逆行，使系统回复到原来状态；相关的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变。第36页/共54页例：气缸活塞系统正逆正逆摩擦的影响：a)无摩擦正过程逆过程{

b)有摩擦{

正过程逆过程逆过程使系统复原，但外界多耗功。结论：摩擦使过程不可逆。第37页/共54页温差的影响：a)无温差b)有温差(假设)结论：温差使过程不可逆。进一步分析，为使Q能传回，需加热泵，但要消耗一定的功，也不可逆(比较水泵)。但，Q不能传回。压力差的影响：压力差使过程不可逆。{正逆{

正逆第38页/共54页PFαf非准静态过程—nonequilibriumprocess

准静态过程，不可逆准静态过程，可逆第39页/共54页准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维)可逆过程准平衡过程；反之，准平衡过程可逆过程。？不平衡过程不可逆过程；不平衡过程。不可逆过程？原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立第40页/共54页无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；2.准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；讨论：3.一切实际过程均不可逆；4.内部可逆过程；外部可逆过程5.可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。第41页/共54页§1-6过程功和热量一、功的热力学定义p功的定义：对微元过程(状态发生微小变化)式中：叫微元功；叫折合压力，是考虑外界得到的效果。第42页/共54页当状态有限变化时，过程功为：这里：1—初始状态，2—终了状态功的单位：焦(J);功率的单位：瓦(W)。工程中常用的单位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。第43页/共54页二、可逆功当过程为可逆过程时，，故可见：可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来进行计算。示功图如右：则有，可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。第44页/共54页功是过程量。某一状态时没有功的概念。(无)功的“正”与“负”的意义：膨胀，压缩，定容，系统对外界作功，如1-2；系统不作功，如1-4；外界对系统作功，如1-3。第45页/共54页几点讨论：a)有用功(usefulwork)pb

f其中W—膨胀功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wr—排斥大气功；

Wu—有用功。例题一第46页/共54页b)用外部参数计算不可逆过程的功：?作业：四版1-12，16；三版1-9，13第47页/共54页三、广义功(不要求)未言明“不要求”的，一律自学四、过程热量热量(heat)：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。单位：焦耳(J)。正负：系统吸热为“正”，放热为“负”。计算式及其在T-S图上的表示：所以，热是过程量。第48页/共54页功与热量的相同与区别：1.二者均为过程量，是传递的能量；2.只有在