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1、工程热力学 第一章基本概念第1页，共98页，编辑于2022年，星期六1-1 1-1 热力系统热力系统热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为分隔人为分隔 出来的出来的 研究对象研究对象1、系统的定义系统的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study第2页，共98页，编辑于2022年，星期六1-1 1-1 热力系统热力系统外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界系统、外界与边界边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分
2、界面系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界surroundingsboundary第3页，共98页，编辑于2022年，星期六边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed、movablereal、imaginary第4页，共98页，编辑于2022年，星期六热力系统分类热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系第5页，共98页，编辑于20
3、22年，星期六1234mQW1 开口系开口系1-1 热力热力系统系统非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系第6页，共98页，编辑于2022年，星期六热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相第7页，共98页，编辑于2022年，星期六1-2 状态和状态参数状态和状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系
4、状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分 State and state properties第8页，共98页，编辑于2022年，星期六状态参数的积分特征状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab
5、例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化point function第9页，共98页，编辑于2022年，星期六状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z=z z(x,y)dz z是全微分是全微分充要条件：充要条件：可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数Total differentials第10页，共98页，编辑于2022年，星期六强度参数与广延参数强度参数与广延参数强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H
6、、熵熵S比参数：比参数：比比容容比比内能内能比比焓焓比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质Intensive properties Extensive properties 第11页，共98页，编辑于2022年，星期六强度参数与广延参数强度参数与广延参数速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal Ene
7、rgyStressMol第12页，共98页，编辑于2022年，星期六1-3 基本状态参数基本状态参数压力压力 p、温度、温度 T、比容、比容 v （容易测量）（容易测量）1 1、压力压力 p (pressure)物理中物理中压强压强，单位单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位常用单位Units：1 kPa=103 Pa 1bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=1 kgf/cm2=9.80665 104 PaBasic state properties第13页，共98页，编辑于202
8、2年，星期六压力压力p测量测量示意图绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的相对值的相对值 相对压力相对压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才是才是状态参数状态参数U-tube manometerBourdon Tube第14页，共98页，编辑于2022年，星期六绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力示意图当当 p pb表压力表压力 pe当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程Relaxation time第49页，共98页，编辑于2022年，星期六准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲
9、程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“缓慢缓慢”第50页，共98页，编辑于2022年，星期六准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外f初始：初始：p A=p外外 A+fA如果如果 p外外微小微小 可视为可视为
10、准静态过程准静态过程dl以汽缸中以汽缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变化工质发生容积变化对外界作的功对外界作的功 W=p A dl=pdV1kg工质工质 w=pdvdl 很小很小，近似认为近似认为 p 不变不变Moving Boundary Work第51页，共98页，编辑于2022年，星期六准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功pp外外2mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdv1注意：注意：上式仅适用于准上式仅适用于准静态过程静态过程第52页，共98页，编辑于2022年，星期六示功图示功图indicator(p-V)diagrampV.12.pp外外2
11、1mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdvW第53页，共98页，编辑于2022年，星期六准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV.12.2）p-V 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关，过程量过程量Path function4）统一规定：统一规定：dV0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正）dV0，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流体）工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差
12、别，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw第54页，共98页，编辑于2022年，星期六摩擦损失摩擦损失Friction Loss的影响的影响若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，系统再返还给系统，系统得到的功得到的功WT2Q节流过程节流过程 (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler第59页，共98页，编辑于2022年，星期六常见的不可逆过程常见的
13、不可逆过程混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process第60页，共98页，编辑于2022年，星期六引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程，但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分
14、析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。第61页，共98页，编辑于2022年，星期六完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆、内可逆与外可逆 完全可逆完全可逆可逆可逆 内部可逆，外部不可逆内部可逆，外部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆Totally reversible Internally reversible 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆Externally
15、reversible 第62页，共98页，编辑于2022年，星期六1-7 功功 量量 Work1 1、力学力学定义定义:力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热力学定义定义I热力学热力学定义定义IIThe product of a force and the distance through which this force acts第63页，共98页，编辑于2022年，星期六功的热力学定义功的热力学定义I 当热力系与外界发生能量传递时，如当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的果对外界的唯一效果可归结为取起重物唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。此即为热力系对外作功。
16、Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight.第64页，共98页，编辑于2022年，星期六功的热力学定义功的热力学定义II Work is an energy interaction between a system and its surroundings,if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat,it must be work.功是系统与外界相互作用的一
17、种方功是系统与外界相互作用的一种方式，在式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方式传运动方式传递的能量递的能量。第65页，共98页，编辑于2022年，星期六功的表达式功的表达式功功的一般表达式的一般表达式热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 其他准静态功：其他准静态功：拉伸功拉伸功，表面张力功表面张力功，电功电功等等第66页，共98页，编辑于2022年，星期六1-8 热量与熵热量与熵Heat and EntropyHeat is defined as the form of energy that is transferred between two system
18、s(or its surroundings)by virtue of a temperature difference.热量定义：热量热量定义：热量是热力系与外界相互作用是热力系与外界相互作用的另一种方式，在的另一种方式，在温度温度的推动下，以微观的推动下，以微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能量能量。第67页，共98页，编辑于2022年，星期六热量与容积变化功热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV,dv dS,ds公式公式条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可
19、逆可逆第68页，共98页，编辑于2022年，星期六熵（熵（Entropy）的定义的定义reversible比参数比参数 kJ/kg.Kds:可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的所得的商商 清华大学清华大学刘仙洲刘仙洲教授命名为教授命名为“熵熵”广延量广延量 kJ/K第69页，共98页，编辑于2022年，星期六熵的说明熵的说明1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时为时为正正 Q 0 dS 0系统系统放热放热时为时为负负 Q 0 dS pBAB非
20、准静态过程，非可逆过程非准静态过程，非可逆过程取取A或或B中气体为系统中气体为系统可逆热力学没可逆热力学没法计算法计算相互有功的作用相互有功的作用取取AB气体为系统，气体为系统，无无功功第96页，共98页，编辑于2022年，星期六灵活处理功的计算灵活处理功的计算充气球充气球若若准静态过程准静态过程若取若取进入气球的进入气球的气体为系统气体为系统但但pV的关系不知的关系不知？若看外部效果，若看外部效果，p pb b不变不变外界得到功外界得到功p pb b V=气体作功气体作功第97页，共98页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 完完End of Chapter one第98页，共98页，编辑于2022年，星期六