中国矿业大学工程热力学第一章剖析

EngineeringThermodynamics第一章根本概念BASICCONCEPTS1精选ppt§1热力系统ThermodynamicsSystem§2状态与状态参数StateandStateProperties§3根本状态参数§4平衡状态Equilibrium§5状态方程§6准静态过程和可逆过程ReversibleProcess§7热量和功EnergyTransferbyWorkandHeat§8热力循环ThermodynamicsCycles主要内容2精选ppt本章重点取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。3精选ppt§1-1热力系统压缩机

Compressor热电厂

Steam

power

plant飞机Aircraft空调热泵

HeatPump4精选ppt压缩机5精选ppt热电厂锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器6精选ppt

飞机7精选ppt空调热泵8精选ppt制冷热泵系统示意图房屋蒸发器冷凝器膨胀阀压缩机Q1WinQ29精选ppt§1-1热力系统系统、外界与边界〔System、Surrounding、Boundary〕系统：用界面别离出的研究对象。Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界：系统以外的所有物质。边界：系统与外界的分界面。Boundary:Therealorimaginarysurfacethatseparatesthesystemfromitssurroundings系统与外界的作用都通过边界10精选ppt边界11精选ppt边界特性边界可以：

真实或虚构；

realorimaginary

固定或移动；fixedormovable

没有厚度和体积，不含有任何物质。nothicknessandvolume,doesnotcontainanysubstance.Note:12精选ppt热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热13精选ppt系统分类

Classification§1-1热力系统以系统与外界关系划分：

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14精选ppt系统分类

Classification闭口系Closedsystem开口系Opensystem孤立系Isolatedsystem绝热系Adiabatic

system§1-1热力系统15精选ppt闭口系系统和外界〔边界处〕只有能量交换，无质量交换Asystemthatonlyenergycancrosstheboundarybutnomasscanenterorleave(alsoknownascontrolmass)闭口系例子密闭容器气缸-活塞系统piston-cylindersystem16精选ppt系统和外界〔边界处〕既可有能量交换，也有质量交换Asystemthatnotonlyenergybutalsomasscancrosstheboundary(alsoknownascontrolvolume)闭口系例子泵pumps,压缩机compressor,汽轮机热交换器heatexchanger.开口系17精选ppt孤立系Isolatedsystem系统和外界〔边界处〕既无能量交换，也无质量交换Asystemthatneitherenergynormasscancrosstheboundary(aspecialclosedsystem)TheUniverseIsolatedSystemBoundaryMassSystemSurr3MassWorkSurr1Heat=0Work=0Mass=0AcrossIsolatedBoundaryHeatSurr2Surr418精选ppt绝热系

AdiabaticSystem19精选ppt1234mQW1

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20精选ppt1、以下系统类型？automobileenginepiston-cylindersystem问题？2、以下系统之间的关系？1〕闭口系和定质量系统closedsystemandconstantmasssystem?2〕闭口系和绝热系？closedsystemandadiabaticsystem?3〕孤立系和闭口绝热系？isolatedsystemandadiabaticsystem?21精选ppt例题1-1例1：一刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝

红线内——闭口绝热系粉红线内不包含电热丝——闭口系粉红线内包含电热丝——闭口绝热系兰线内——孤立系22精选ppt例题1-2热力系例如2A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来〞ABA部落为A+B部落为

—孤立系—闭口系23精选ppt§1-2状态和状态参数StateandStateProperties状态某一瞬间热力系所呈现的宏观状况

theconditionofasystem

状态参数StateProperties

描述热力系状态的物理量

anycharacteristicofasystem常用状态参数

压力

pressure

P,温度temperature

T,体积volume

V,质量mass

M，内能

internalenergyU,熵entropy

S,

焓enthalpy

H24精选ppt§1-2状态和状态参数状态参数分类强度量

Intensiveproperty：与物质的量无关的参数

independentofthesizeofsystem.

suchas:如压力

p、温度T广延量

Extensiveproperty：与物质的量有关的参数可加性dependonthesizeorextentofthesystem.suchas：质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数

Specificproperties

单位质量的广延状态参数

Extensivepropertiesperunitmass

Suchas:比容specificvolumeu(u=V/m)

比焓

specificenthalpyh(h=H/m)

……具有强度量的性质25精选ppt强度量和广延量判别mVTP1/2m1/2vTP1/2m1/2vTPextensiveintensive强度参数与广延参数速度动能高度

位能

内能温度应力摩尔数〔强〕〔强〕〔强〕〔强〕〔广〕〔广〕〔广〕〔广〕Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol26精选ppt§1-2状态和状态参数状态参数特性CharacterofProperty状态确定，那么状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量路径无关，只与初终态有关Theydependonthestatesonly,buthavenothingtodowiththepathfromonestatetoanother状态参数的微分特征：全微分27精选ppt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：12ab例：温度变化山高度变化28精选ppt状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数29精选ppt§1-2状态和状态参数根本状态参数〔容易测量〕温度T压力p比容v30精选pptWhatistemperature?温度Temperatureandtemperaturescale温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。热力学定义：？？？热力学第零定律：〔thezerothlawofthermodyn〕如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，那么两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论根底B温度计31精选ppt温度Temperatureandtemperaturescale

热力学第零定律

1931年

T热力学第一定律

18401850年

E热力学第二定律

18541855年

S热力学第三定律

1906年

S基准为什么叫做热力学第零定律？32精选ppt温度Temperatureandtemperaturescale温度的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量

温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。33精选ppt温度测量温标Temperaturescale热力学温标〔绝对温标〕Kelvinscale〔Britisher,L.Kelvin,1824-1907〕摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744〕华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)34精选ppt常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.6735精选ppt温标Temperaturescale温度计物质〔水银，铂电阻〕特性〔体积膨胀，阻值〕基准点刻度

Scale温标

TemperaturescaleReferencestate36精选ppt压力

PressureDefinition物理中压强单位：SI:

Pa--------N/m2

(bar,atm,kgf/cm2)

English:

psi------lbf/in2其他单位间关系：1bar=105Pa=0.1Mpa=100kPa1atm=101,325Pa=101.325kPa=1.01325bar=14.696psi37精选ppt压力

Pressure如何测量？38精选ppt压力Pressure表压和真空度GagePressureandVacuumPressure绝对压力

AbsolutePressure(p)Theactual

pressureatagivenpositioniscalledtheabsolutepressure.环境压力

Atmosphericpressure(pb

)指压力表所处环境压力。表压力

Gagepressure(pg)当p>pb表压力

pe真空度

Vacuumpressure(pv)当

p<pb真空度

pv注意：只有绝对压力p

才是状态参数39精选ppt压力PressureAbsolutevacuumAbsolutevacuumppvppg绝对压力和相对压力40精选ppt压力测量Pressure压力测量

ManometerBourdontube41精选ppt例题1-3某地环境压力为98kPa，某容器真空表读数为30kPa，试求该容器内的绝对压力？

解:

42精选ppt容器分成1和2两室.压力表A读数为300kPa，压力表B读数为120kPa.当地大气压为720mmHg,试求A和B内的绝对压力以及气压表C的读数？例题1-412ABC解:大气压力为室1的绝对压力室2的绝对压力

压力表C读数

43精选ppt比容和密度SpecificVolumeandDensity比容

为强度量。[m3/kg]44精选ppt§1-3平衡状态

EquilibriumState平衡状态如果在不受外界影响的条件下〔重力场除外〕，系统的状态能够始终保持不变，那么系统处于平衡状态。平衡类型热平衡Thermalequilibrium力平衡Mechanicalequilibrium化学平衡Chemicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium平衡条件〔实质〕不存在不平衡势差温差—热不平衡势压差—力不平衡势相变—相不平衡势化学反响—化学不平衡势Therearenounbalancedpotentials。45精选ppt思考?1〕平衡与均匀Equilibriumandhomogeneous2〕平衡与稳定EquilibriumandSteady—平衡可不均匀—

稳定未必平衡平衡：时间上均匀：空间上46精选ppt§1-3平衡状态为什么引入平衡概念？工程热力学研究平衡问题。如果系统平衡，可用一组确切的参数〔压力、温度〕描述。状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1具体需要多少参数？47精选ppt§1-3平衡状态n各种功的方式n容积变化功、电功、拉伸功、外表张力功等1热量传递N独立参数数目〔能量转换方式的数目〕状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1简单可压缩系统：只交换热量和一种容积变化功简单可压缩系统：N=n+1=2

48精选ppt§1-3平衡状态状态方程根本状态参数〔p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？简单可压缩系统：N=n+1=2

49精选ppt§1-3平衡状态例：R134a的维里型状态方程50精选ppt坐标图diagram简单可压缩系统N=2，即可用两个参数确定系统状态，可选取此2参数组成平面坐标系，常见的参数坐标：

T-s图

P-v图

h-s图等pv常见p-v图和T-s图2151精选ppt准静态过程

偏离平衡态无穷小随时恢复平衡的状态变化过程。即系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程，又称准平衡过程。

Aprocessproceedsinasuchmannerthatthesystemremainsinfinitesimallyclosetoanequilibriumstateatalltimes.

§1-4准静态过程和可逆过程

Quasi-equilibriumandreversibleProcess←fast←slowNonequili.Quasi-equil.理论上无限缓慢

NoteAquasi-equilibriumisanidealizedprocess.

Butmanyactualprocessesapproximateit.52精选ppt一般过程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..53精选ppt准静态过程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假设重物有无限多层每次只去掉无限薄一层p12...系统随时接近于平衡态54精选ppt准静态过程55精选ppt§1-4准静态过程和可逆过程疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件：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〕>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程56精选ppt§1-4准静态过程和可逆过程

准静态过程的实现:??用常温的水放入冷库制冰，这个过程是不是准静态过程？热、力平衡57精选ppt§1-4准静态过程和可逆过程气缸活塞飞轮热源工质、机器和热源组成的系统过程假设：1、无摩擦；2、热源与工质温差无限小；3、工质与外界压差无限小。58精选ppt气缸活塞飞轮热源左止点1pv可逆过程模拟59精选ppt气缸活塞飞轮热源左止点12pv续4160精选ppt气缸飞轮热源左止点12pv续4161精选ppt气缸飞轮热源左止点12pv续4162精选ppt气缸飞轮热源左止点12pv续4163精选ppt气缸飞轮热源左止点12pv续4164精选ppt气缸飞轮热源左止点1pv续4165精选ppt气缸飞轮热源左止点1pv续4166精选ppt气缸飞轮热源左止点1pv续4167精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4168精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4169精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4170精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4171精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4172精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4173精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4174精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4175精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4176精选ppt气缸飞轮热源左止点右止点12pv续4177精选ppt气缸活塞飞轮热源左止点右止点12pv续4178精选ppt可逆过程ReversibleProcess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，那么此过程为可逆过程。可逆过程的实现条件准静态过程〔internallyreversible)无耗散效应nodissipativeeffect(externallyreversible)---摩擦、电阻、磁阻、非弹性变形等.不可逆根源不平衡势差和耗散效应实际过程都是不可逆的。§1-4准静态过程和可逆过程注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。79精选ppt§1-4准静态过程和可逆过程思考？0℃冰20℃0℃±dtANonequili.＆Irrever.Equii.＆Rever.Nonequil.αfFEquii.＆IrreverBEquili.＆

Rever.80精选ppt§1-4准静态过程和可逆过程常见的不可逆过程BA(b)不等温传热(c)自由膨胀··

(a)功变热出生童年中年老年八宝山(d)“今天的你我怎能重复昨天的故事！”人的生命81精选ppt总结:§1-4准静态过程和可逆过程1、可逆=准静态+没有耗散效应

2、准静态着眼于系统内部平衡可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果

3、一切实际过程不可逆

4、可逆过程可用状态参数图上实线表示

82精选ppt§1-5功和热

WorkandHeat功Work定义isaformofenergytransferredassociatedwithaforceactingthroughadistance.符号规定系统对外做功膨胀dV>0+对系统做功压缩dV<0-功的类型体积功Movingboundarywork轴功Shaftwork弹性功Springwork外表拉伸功Workassociatedwiththestretching电功Electricalwork磁功Magneticwork83精选ppt体积功Movingboundarywork§1-5功和热1kg工质:84精选ppt§1-5功和热pV.12.pp外21mkg工质：

W=pdV1kg工质：

w=pdvW又称示功图85精选ppt§1-5功和热P-vdiagram1286精选ppt回忆准静态过程进行无限缓慢，系统处于平衡状态；工程上问题可近似用准静态过程处理。可逆过程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，而不留下任何痕迹条件准静态无耗散87精选ppt回忆功符号规定(对外“+〞,对系统“-〞)体积功计算〔可逆过程〕热符号规定(吸热“+〞,放热“-〞)热量表达式88精选ppt热量定义

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。符号规定系统吸热时为正

Q>0

系统放热时为负

Q<0§1-5功和热又称示热图ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵〞sT2189精选ppt§1-5容积变化功与热量能量传递方式

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,dvdS,ds公式

条件

准静态或可逆可逆90精选ppt§1-5容积变化功与热量是过程量，不是状态量。其大小与初、终状态有关，也与路径有关。v1p2``abTs12abS1S291精选ppt例题1-4

vP1kg气体以以下关系a)和(b)膨胀。试计算各过程的膨胀功。并示意在p-v图上。解：〔1〕〔2〕92精选ppt§1-6热力循环Cycle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。分类可逆和不可逆Reversible/Irre.CycleReversiblecycleconsistentirelyofreversibleprocesses.循环过程特点