《工程热力学》 课件 第一章 基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition本章主要内容：工质、热力系统；热力状态及其基本状态参数；平衡状态、状态方程式、坐标图；准平衡过程、可逆过程；功、热量;热力循环、正向循环、逆向循环。一、热能动力装置(Thermalpowerplant)定义从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。2.分类内燃机(internalcombustiongasengine)燃气轮机动力装置(gasturbinepowerplant)蒸汽动力装置(steampowerplant)……喷气动力装置(jetpowerplant)1-1热能和机械能相互转换过程energyconversiontypicalexamples3.典型举例(制冷装置的特殊性)

吸热、膨胀逆行内燃机：送燃料（油+空气）────→作功────→排气蒸汽动力装置:送燃料→燃烧(放热)→过热蒸汽(吸热)→作功(汽体膨胀)

↑←──送回锅炉←──冷凝水←────↓能量转换的媒介---工质（燃气、蒸汽）。膨胀性---作功。双热源---吸热、放热。4.动力装置的普遍规律二、工质(workingsubstance;workingmedium)定义在能量转换装置中，实现热能和机械能相互转化的媒介物质2.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）对环境友善；6）价廉，易大量获取。物质三态中气态最适宜。三、热源(heatsource;heatreservoir)定义工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。2.分类高温热源（热源—

heatsource

）---低温热源（冷源—heatsink）恒温热源(constantheatreservoir)---变温热源（variationalheatreservoir）1-2热力系统(thermodynamicsystem)1、热力系统的定义热力系统(热力系、系统)---system：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统；人为分离出来的研究对象。外界--surrounding

：与体系发生质、能交换的物系。边界--boundary：系统与外界的分界面（线）。边界面特征：真假性---边界面可以是真可以是假；动静性---边界面可以是运动的也可以是静止的；多变性---边界面尺寸和形状可以变化。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质量只交换热量既交换质量也交换热量2.热力系统分类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热、质非孤立系孤立系1234mQW1

开口系非孤立系＋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4.热力系统示例图刚性绝热气缸-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1-3工质的热力学状态及其基本状态参数(Stateandstateproperties)一、状态与状态参数的描述1.热力学状态—stateofthermodynamicsystem—系统工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况，称为工质的热力学状态，简称状态。2.状态参数—stateproperties—用来描述系统所呈现的物理状况的物理量。1）状态参数是宏观量，是大量粒子的平均效应，只有工质处于平衡状态才有状态参数，系统有多个状态参数，如2）状态参数的特性

状态参数—状态的单值函数：状态一定，状态参数一定；反之状态参数一定，所描述的状态一定；

状态参数的变化与过程无关：状态参数的变化，仅与状态变化过程的起始状态和终了状态有关，与变化过程无关；其变化量等于起始状态和终了状态参数的差值；工质完成一个循环（封闭过程）时，状态参数变化量为零。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pointfunction1

2ab例：温度变化山高度变化←3）状态参数分类：

强度参数(Intensiveproperties

)：与物质的量无关的参数。如压力

p、温度T广延参数(Extensiveproperties

)：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

具有强度参数的性质。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

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol二、基本状态参数(Basicstateproperties)压力

p、温度T、比容v（容易测量）1、压力p(pressure)

物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m21）常用单位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104

Pa2）压力p测量绝对压力与环境压力的相对值—相对压力（表压、真空度）注意：只有绝对压力p才是状态参数。U-tubemanometerBourdonTube绝对压力与相对压力当p

>pb表压力pe当p

<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure温度的热力学定义？热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计2、温度T(Temperature)传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量。温度的热力学定义

处于同一热平衡状态的各个热力系统，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。Temperaturemeasurement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TemperaturescaleReferencestate3）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)常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67朗肯R温标的换算3、比容v(specificvolume)[m3/kg]工质聚集的疏密程度，物理上常用密度density

[kg/m3]。重度与密度关系：1-4平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态（Equilibriumstate

）1.定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。2.平衡的类型(ManytypesofEquilibrium)热平衡Thermalequilibrium:

力平衡Mechanicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium化学平衡Chemicalequilibrium

1）热平衡若热力系统内部的温度各部分均匀一致且等于外界的温度，则此热力系统处于热平衡。

温差

Temperaturedifferential热不平衡势Unbalancedpotentials2）力平衡若热力系统内部无不平衡的力且作用在边界上的力和外力相平衡，则此热力系统即处于力平衡。压差

Pressuredifferential力不平衡势Unbalancedpotentials3）化学平衡4）相平衡Phaseequilibrium:不平衡的动力：相不平衡势Unbalancedpotentials平衡的本质：不存在不平衡势。Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials.3.平衡Equilibrium与稳定Steady稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。二、状态方程式（Equationofstate）平衡状态可用一组状态参数描述其状态独立状态参数想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态方程式2）定义：基本状态参数（p,v,T)之间的关系。1）纯物质：各部分组成均匀、化学成分恒定不变的物质称为纯物质。状态方程的具体形式：取决于工质的性质理想气体的状态方程(Ideal-GasEquationofState)三、状态参数坐标图(diagramofstateproperties)简单可压缩系统N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上；说明：2）过程线中任意一点为平衡态；常见p-v图、T-s图和h-s图213）不平衡态无法在图上用实线表示。1-5工质的状态变化过程1.定义系统从一个状态出发，经历一系列中间状态变化到另一状态，系统所经历的所有中间状态的综合，称为热力过程。一、热力过程2.应用热力过程中，热力系与外界常伴有功和热的交换，要研究功和热的总结果只需分析两端状态；要研究功和热的过程（损失）变化，则需剖析不同的具体过程。二、准平衡（静态）过程(quasi-static,orquasi-equilibrium)1.准平衡（静态）过程引入平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准平衡（静态）过程恩格斯指出：“只有微分学才能使自然科学有可能用数学来不仅仅表明状态，并且也表明过程：运动。”1）一般过程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0p12..V2）准静态过程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层，每次只去掉无限薄一层，系统随时接近于平衡态。pv12...3）准静态过程实际意义既是平衡，又是变化。既可以用状态参数描述，又可进行热功转换。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）>>Relaxationtime有足够时间恢复新平衡

准静态过程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=2000

2

0.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/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。“突然”“缓慢”2.准平衡过程定义由无限接近平衡状态的状态组成的过程称为准平衡过程。3.准平衡与平衡态的区别平衡态△p=0,△T=0；准平衡△p→0,△T→0；4.准平衡过程特征1）平衡态的破坏离平衡态非常近；2）破坏平衡态的速度远远小于工质内部分子运动的速度。三、可逆过程和不可逆过程(ReversibleProcessandirreversibleProcess)1.可逆过程对于一个系统，当它发生一个过程，可以逆向运行，系统和外界与原来初态比较都不发生任何变化，称此过程为可逆过程。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，则此过程为可逆过程。1）定义2）实例FPαf非准静态过程—nonequilibriumprocess准静态过程，不可逆。准静态过程，可逆。

3）可逆过程特点：工质和外界恒处于平衡状态，且无任何摩擦现象；过程进行无限缓慢；变化过程中，无任何能量的不可逆损失，或者无任何耗散效应。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）耗散效应Dissipativeeffect2.不可逆过程1）定义除了可逆过程以外的热力过程。在工程实际中的过程都是不可逆过程，只是有些我们可以近似简化成可逆过程。不平衡势差

不可逆根源耗散效应

irreversibility2）不可逆根源Heattransfer3）常见的不可逆过程

Frequentlyencounteredirreversibilities不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p2Throttler混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••其它不可逆过程：如摩擦、燃烧、爆炸、电流能量损失等。3.准静态过程与可逆过程区别准静态过程：工质内部平衡过程，外部可以不平衡。可逆过程：工质内部，工质与外界处于平衡状态，且无摩擦。可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程却不一定是可逆过程。或者说：可逆的一个条件是准静态过程；另一个条件是“无耗散效应”。可逆过程的实质：过程中能量耗损=0，理论上由热变功应为最大（MAX），而在需功过程中，输入功为最小（Min）。相反，不可逆总是降低工程的效率。准静态及可逆过程均可以在坐标图中表示和分析。1-6过程功和热量(Work,HeatandEntropy)一、功1.功的定义热力学定义1：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取起重物，此即为热力系对外作功。热力学定义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。力学定义：力

在力方向上的位移。2.容积功定义由于工质容积的变化而与外界交换的功叫做容积功。它包括膨胀功和压缩功，均可以表示为注意：1）只要有热能与机械能间转换，则一定存在膨胀功和压缩功；2）容积功适用于封闭热力系，也适用于开口热力系。原因在于

3.可逆过程中功的导出取1kg工质，过程1-2所做的功：

取mkg工质，过程1-2所做的功：

容积变化功在p-v图上的表示。4.有用功(usefulwork)概念其中

W—膨胀功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wp=排斥大气功pbf5.不可逆过程功的计算?6.关于功的讨论功不是状态参数，而是过程函数。容积功是一种边界效应，是通过边界的一种能量交换。工质膨胀对外界做功（膨胀功）为正，压缩工质所消耗的功（压缩功）为负。容积功既适用于封闭热力系也适用于开口热力系。二、热量1.热量定义依靠温差而传递的能量称为传热量，简称热量。[能量：是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和运动的激烈程度。][热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不规则运动所具有的能量，也称为无序能。][机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为有序能。]热量单位：

2.热量的特点热量是热传递过程中，物质内部热能改变的量度。热量是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。热量是过程函数，而不是状态参数。在相同的初、终状态条件下，定压过程所加的热量比定容过程多（因为定压过程还要额外做膨胀功）。传入热力系的热量为正值，传出热力系的热量为负值。3.熵和温熵图1）功和热量对比引出熵功和热量是能量传递的两种形式；功---由压差的作用而传递的能量，热量---有温差的作用而传递的能量；在可逆过程中：热力系与外界交换的功量为，即或；在可逆过程中：热力系与外界交换的热量为，即；因此，引入新的状态参数s，它的改变标志有传热。2）示功图与示热图对比pVWTSQ

示功图温熵(示热)图3）T-S图分析热力系熵增，表示对工质加热，过程曲线向右延伸；热力系熵减，表示工质对外界放热，过程曲线向左延伸；热力系