《工程热力学》教案（第一章） 基本概念及定义

《工程热力学》：第一章基本概念及定义PAGEPAGE4教案首页课程名称《工程热力学》任课教师吴建第一章基本概念及定义计划学时4教学目的和要求：了解热力系统的定义、平衡状态的概念和应满足的平衡条件；掌握基本状态参数p、v、T的定义、计量及不同单位间的换算；了解准静态过程的定义及提出准静态过程的意义和作用；对不同的热力循环极其作用建立起初步的概念。重点：平衡状态的概念和应满足的平衡条件状态参数的特点状态方程式、状态参数坐标图准静态过程的定义及提出准静态过程的意义功和热量难点：平衡状态的概念状态参数的特点准静态过程思考题：状态参数有什么特点？状态参数坐标图有什么用途？引入准静态过程的意义何在？实施准静态过程需要什么条件？P33：1-1、1-2、1-3、1-4、1-6、1-7、1-8第一章基本概念及定义§1－1热力学系统一热力学系统（系统）以气缸内气体受热膨胀推动活塞移动、在管道内气体的流动为例说明：在分析能量能量转换过程时，需要确定分析研究的对象，也就是通过观察所研究的对象的变化来讨论能量转化的情况。定义：在热力学分析中，需选取的某些确定的物质或某个确定空间中的物质作为热力学研究的对象，称其为热力学系统。简称为系统。外界（或环境）：热力系统之外的、在能量转换过程中与热力系统发生相互作用的一切其它物质，成为外界或环境。在热力学分析中，对于外界与系统之间的相互作用主要是能量和物质的交换。边界：系统与外界的分界面。固定边界、移动边界、真实边界、假象边界二工质和热源工质：在能量转换装置中，实现能量转换的工作物质，称为工质。由于能量转换是在工质状态变化的过程中实现的，所以在热力学分析中通常选取装置中的工质作为热力系统。热源：在热力学分析中，常遇到这样一类物质，它们具有无限大的热容量。当它们吸入或对外放出有限热量时，其温度保持不变。称这类物质为热源。根据热源的温度可以分为高温热源和低温热源。在热力学分析中，热源通常是外界的物质，在能量转换中，工质和热源之间会发生热量的交换。三系统的分类系统与外界相互作用，主要表现为能量和质量的交换，因此，系统的分类也是根据系统与外界之间的能量和质量的交换情况划分的：闭口系统：热力系统与外界之间没有物质的交换，也就是没有物质穿过边界。此类系统称为闭口系统。取一定的物质为研究对象。控制质量。系统内部质量不变；存在能量交换。例：在一个封闭的气缸中的流体。开口系统：热力系统与外界之间有物质的交换，也就是有物质穿过边界。此类系统称为开口系统。把对象规划在一定的空间范围内。控制容积。系统内部质量可以变化；存在能量交换。例：在一个发动机气缸中的进排气过程。绝热系统：系统与外界没有热量的交换。可以有质量交换和功量交换。孤立系统：系统与外界即没有质量的交换也没有能量的交换。系统与外界不发生任何联系。例：把进行能量交换的一切有关物质如工质、热源、耗功设备等取为一个系统。系统的选取，取决与分析问题的需要和方法；正确选择系统，是进行正确的热力学分析的前提。§1－2系统的状态及基本状态参数能量转换是通过系统工质状态的变化实现的，所以首先要了解状态及状态参数的概念。一系统的状态定义：系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。因为一般都是把设备中的工质作为研究对象，所以系统的状态就是工质所呈现的物理状况。二状态参数定义：用来描述系统所呈现的物理状况的物理量。状态参数的特点：1）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；2）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状态参数的差值；只要不同状态变化过程的起始状态和终了状态分别相同，则状态参数的变化量相同。3）工质完成一个循环（封闭过程）时，状态参数变化量为零。三基本状态参数压力p、温度T、比容v是最基本的状态参数，称为基本状态参数。它们是可以测量的物理量。压力p：定义：单位面积上所受到的垂直作用力。根据分子运动学，气体的压力是气体分子运动撞击表面，而在单位面积上所呈现的平均作用力。对理想气体：n0：单位体积内的分子数：分子的平均移动动能1）压力的测量、表压力、绝对压力压力测量：压力计，工程上有弹簧管压力计和U型管，实际上是测量压差的。压力计的读数为系统真实压力与大气压力的压力差。当真实压力大于大气压力时，压力计读数称为表压力pe。当真实压力大于小气压力时，压力计读数称为真空度pv。系统的真实压力称为绝对压力p。绝对压力、表压力、真空度的关系：当时：当时：2）压力的单位采用国际单位制，基本单位为帕斯卡，Pa常用单位为：兆帕MPa巴bar温度T：1)热平衡及热力学第零定律热平衡：冷热不同的两个系统发生热接触，两系统的状态都会发生变化，直到两系统达到冷热程度相同时，它们所达到的新状态不再发生变化，这种新的状态就是热平衡状态。热力学第零定律：实验结果表明，如果A、B两个系统分别与C系统处于热平衡，则A、B两系统也必然处于热平衡。2)温度对于所有处于热平衡状态的系统而言，必然有一个数值相等的状态参数来描述所处的热平衡状态，这个参数就称为温度。温度是描述系统热平衡特性的状态参数，温差是驱动热流的不平衡势。3)温度的标尺用来表示温度高低的尺度，简称温标。测温原理：根据热平衡的概念，只要温度计与被测系统处于热平衡，就可以按温度计中测温物质的温度来表示被测系统的温度。温标的建立：除选择一定的测温手段外，还需确定温标的基准点以及分度方法。1）摄氏温标t：取水在一个大气压下的冰点为0度，汽点为100度，其间分成100个分度。单位符号记为℃2）华氏温标：取水在一个大气压下的冰点为55度，汽点为215度，其间分成160个分度。单位符号记为3）热力学温标T：水的三相点作为固定点，规定该点的热力学温度为273.16K，热力学温度单位K为1/273.16。热力学温度与摄氏温度之间的关系：t=T－273.15K根据分子运动学理论，比体积v：定义：单位质量的物质所占有的体积。m3/kg单位体积物质所具有的质量为密度。kg/m3从微观意义上讲，对一定气体而言，密度和比体积均为描述分子聚集疏密程度的物理量。§1－3平衡状态和状态参数坐标图举例说明：状态参数无法描述非平衡状态，引出平衡状态概念一平衡状态举例说明：力平衡、热平衡定义：在没有外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则系统所处的状态为平衡状态。系统处于平衡状态的条件：系统内部存在热平衡、力平衡。二独立状态参数的个数1）系统从一个平衡状态变化到另一个平衡状态，取决于系统与外界之间的能量传递。能量传递方式是相互独立的。2）确定系统的平衡状态所需的独立状态参数的个数决于系统与外界之间的能量传递方式的数目。对于常见的气体物质组成的系统，在没有化学反应时，能量传递方式主要有传热和容积变化作功2种，所以，确定系统的平衡状态所需的独立状态参数的个数就是2。只要确定了2个状态参数，就可以确定一个平衡状态，其它的状态参数也就相应确定了。如：当p、T已知时，系统的状态也就相应确定了，其它状态参数可以表示为p、T的函数。三状态参数坐标图定义：以2个独立状态参数为纵横坐标所得到的坐标图。常用的有压容图（p–v图）、温熵图（T–s图）图上的任意一点都代表了一个平衡状态。§1－4状态方程式上节讲到：对于气体系统，只要确定了2个状态参数，就可以确定一个平衡状态，其它的状态参数也就相应确定了。就是说：对于平衡状态而言，状态参数之间存在着某种确定的函数关系，这种函数关系成为热力学函数（或热力学关系式）。状态方程式：基本状态参数之间的函数关系式。或：理想气体模型的概念：两个条件高压、低温时分子体积和分子引力的影响小，基本上满足理想气体条件。在工程上，常见的气体工质在常温常压下均可视为理想气体。理想气体状态方程式：1mol理想气体：R：摩尔气体常数8.3145J/mol.K1kg理想气体：Rg：气体常数J/kg.KM：理想气体的摩尔质量nmol理想气体：mkg理想气体：§1－5热力过程准静态过程一热力过程定义：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。系统状态变化，都是由于系统的平衡被破坏的结果，是系统向新的平衡过度的历程二准静态过程以传热、作功过程为例说明实际过程的中间状态都是非平衡状态，无法用状态参数的变化来描述过程。引出准静态过程概念。举例：沙子、微小温差定义：过程中系统所经历的是一系列平衡状态并在每次状态变化时仅无限小地偏离平衡状态，这样的过程称为准静态过程。说明：1）变化微小，有足够的时间恢复平衡，过程的进行相对于恢复平衡的速度是缓慢的。2）实际过程：分子热运动速度、压力传播速度快，恢复所需时间极短，而设备运行速度相对慢，所以可以视为准静态过程。准静态过程可以在状态参数坐标图上用实线表示。§1－6准静态过程的功一功的定义在力学中，定义功为：力与物体在力作用方向上的位移的乘积，即在热机中，1）气体膨胀推动活塞运动，气体对活塞作功；2）气流作用在叶轮使叶轮旋转，气体对叶轮作功。均为机械功。还有一些功虽不表现为力和位移，但通过转换可以全部转变为机械功，如电池输出电能，而电能可以全部转变为机械功，所以也说电池输出电功。因此，在热力学中，根据能量转换观点，对功有如下定义：功是热力学系统和外界之间通过边界而转移的能量，且其全部效果可以表现为举起重物。注意：动能和位能是系统本身具有的机械能，不是功。二容积变化功定义：由于系统容积变化和外界发生作用而传递的功，称为容积变化功。有压缩功、膨胀功。三容积变化功的计算微元过程：F：气体对活塞的作用力；Wf：摩擦扰动等引起的功的损失在无功耗散的准静态过程中，容积变化功为：A：活塞截面积过程1-2：单位质量气体：式中：过程方程式举例说明：等温过程功的单位：J、J/kg气体膨胀时：dv>0，w1-2>0，对外界做功，正功；气体受压缩时：dv<0，w1-2<0，外界对气体做功，负功。四容积变化功在p-v图上的表示1）容积变化功的大小可以用过程曲线下的面积来表示；2）相同的起点和终点，若过程不同，则容积变化功也不同。本节所推出的公式只适用于没有功耗散的准静态过程（即可逆过程），在热力学分析时，可以把实际过程先按照没有功耗散的准静态过程进行分析，再根据功耗散的具体情况进行修正。§1－7热量一热量的定义定义：热量是系统与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。用气体分子运动学说明。二功和热量的类比共同点：都是系统与外界之间通过边界传递的能量。不同点：发生能量传递的原因不同。传热：紊乱的分子运动相互作用作功：有规则的微观运动或宏观运动相互作用三热能定义：物体内部分子紊乱热运动所具有的能量。是可以储存在物体内部的能量。四准静态过程热量的计算系统与外界之间的能量传递，都可以看成是在某种作用的推动下使系统发生状态坐标的改变而进行能量传递的。推动作用的大小代表了能量传递的强度，反映推动作用的参数称为势参数。状态坐标是能量传递作用的标志。作功：p是势参数，v是状态坐标参数。传热：T是势参数，s是状态坐标参数。类比容积功的计算，在无功耗散的准静态过程中，有：式中：五热量在T-s图上的表示1）热量的大小可以用过程曲线下的面积来表示；2）相同的起点和终点，若过程不同，则热量也不同。3）吸热时：ds>0，q1-2>0。放热时：ds<0，q1-2<0。六利用比热计算热量比热容的定义：1kg物质温度升高1K所需的热量称为物质的比热容。记为c。即：定容比热：定压比热：摩尔比热：1mol物质温度升高1K所需的热量称为物质的比热容。有定压摩尔比热Cp,m和定容摩尔比热CV,m。容积比热：1Nm3物质温度升高1K所需的热