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1、工程热力学第1页，共45页，编辑于2022年，星期六1-1 1-1 热力系统热力系统第四章第四章 基本概念基本概念1.1.热力系统热力系统 ：选定的研究对象：选定的研究对象2.2.外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质3.3.边界边界：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界系统与外界的作用都通过边界一、系统与边界一、系统与边界固定、活动固定、活动真实、虚构真实、虚构系统外界外界边界边界第2页，共45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章基本概念基本概念4.4.热力系统分类热力系统分类系统与外界相互作用系统与外界相互作用 有有 无无是否传质是否传质 开口系开
2、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 孤立系孤立系最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。的有限物质系统。第3页，共45页，编辑于2022年，星期六二、系统及边界示例二、系统及边界示例 汽车发动机汽车发动机第四章第四章 基本概念基本概念第4页，共45页，编辑于2022年，星期六 汽缸汽缸-活塞装置活塞装置（闭口系例）（闭口系例）第四章
3、第四章 基本概念基本概念 燃气轮机燃气轮机（开口系例）（开口系例）移动边界移动边界 虚构边界虚构边界第5页，共45页，编辑于2022年，星期六1-2 1-2 状态和状态参数状态和状态参数第四章第四章基本概念基本概念一、状态与状态参数一、状态与状态参数状态状态: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 1、状态确定，则状态参数也确定；反之，只有、状态确定，则状态参数也确定；反之，只有足够足够 数量数量的的状态参数同时确定，才能确定状态。状态参数同时确定，才能确定状态。2 2、状态参数
4、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 3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分第6页，共45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章基本概念基本概念二、状态参数的积分特征二、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。状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab第7页，共45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章基本概念基本概念三、强度参数与广延参数三、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。如与物质的量
5、无关的参数。如压力压力 p p、温度温度T 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mm、容积容积 V V、内能内能 U U、焓焓 H H、熵熵S S比参数：比参数：比容比容比比内能内能比比焓焓比比熵熵单位：单位：/kg /kmol /kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质第8页，共45页，编辑于2022年，星期六1-3 1-3 基本状态参数基本状态参数第四章第四章基本概念基本概念压力压力 p p、温度、温度 T T、比容、比容 v v （容易测量）（容易测量）一、压力一、压力 pp单位面积上的垂直作用力单位面积上的垂直作用力 物理
6、中物理中压强压强，单位单位:PaPa ,N/mN/m2 2常用单位：常用单位：1 1 barbar =10105 5 PaPa 1 1 Mpa Mpa =10106 6 PaPa 1 1 atmatm =760760 mmHgmmHg =1.0131.013 10105 5 PaPa 1 1 mmHgmmHg =133.3133.3 PaPa 1 1 at at =735.6735.6 mmHg mmHg=9.806659.80665 10104 4 PaPa第9页，共45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章基本概念基本概念当当 p p p pb b表压力表压力 p pe e当当 p p
7、准平衡（静态）过程准平衡（静态）过程 假如重物被有无限分割，每次去掉无限薄一层，假如重物被有无限分割，每次去掉无限薄一层，系系统随时无限接近平衡态。此时，有限个点变成无限多个统随时无限接近平衡态。此时，有限个点变成无限多个点，变成一条线，可以非常完整地描述过程点，变成一条线，可以非常完整地描述过程2.2.准平衡过程准平衡过程重物无限分割重物无限分割例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 20002000转转/分，活塞运动速度分，活塞运动速度=1010 m/s m/s，但压力，但压力波恢复平衡速度（声速）波恢复平衡速度（声速）350350 m/s m/s，可视为准平衡过程，可视为准平衡过程第22页，共
8、45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章基本概念基本概念 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时系统与外界同时恢复恢复到初始状态，而不留下到初始状态，而不留下任何痕迹任何痕迹，则此过程为可逆过，则此过程为可逆过程。（程。（强调完全复原性强调完全复原性）3.3.可逆过程可逆过程准平衡准平衡+无耗散无耗散非平衡过程非平衡过程是否能做到这一点呢？是否能做到这一点呢？隔板隔板抽掉隔板抽掉隔板很明显，外界必须消耗功，系统才能回到初态，（不很明显，外界必须消耗功，系统才能回到初态，（不能全复原）非平衡过程不是可逆过程。能全复原）非平衡过程不是可逆过程。第23页，共45页
9、，编辑于2022年，星期六准平衡过程准平衡过程是否能保证做到这一点呢？是否能保证做到这一点呢？第四章第四章基本概念基本概念pv12.如果活塞是绝热的，且与气缸之间没有摩擦，我如果活塞是绝热的，且与气缸之间没有摩擦，我们每次减小外力们每次减小外力dFdF工质从工质从1-21-2。反过来依次增加外力反过来依次增加外力dFdF，工质从工质从2-1.2-1.工质和外界都能回到初态。工质和外界都能回到初态。F第24页，共45页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 基本概念基本概念 如果存在摩擦，情况就不同了。膨胀时，工质需克服如果存在摩擦，情况就不同了。膨胀时，工质需克服外力和摩擦阻力膨胀做功。压缩时
10、，外界需克服工质压力外力和摩擦阻力膨胀做功。压缩时，外界需克服工质压力和摩擦阻力做功。因为克服摩擦力做功都变成热能（设想和摩擦阻力做功。因为克服摩擦力做功都变成热能（设想热能传递到外界）热能传递到外界）系统从系统从1-21-2后，要想反过来从后，要想反过来从2-12-1回到初回到初态，外界必须提供消耗在摩擦上的功，也就是说，此时态，外界必须提供消耗在摩擦上的功，也就是说，此时外界消耗了功，得到了等量的热能。系统回到初态，但外界消耗了功，得到了等量的热能。系统回到初态，但外界没有。（外界没有。（留下痕迹，不能完全复原性留下痕迹，不能完全复原性）准平衡过程准平衡过程有摩擦有摩擦无摩擦无摩擦可逆过可
11、逆过程程第25页，共45页，编辑于2022年，星期六准静态过程准静态过程 +无耗散效应无耗散效应 =可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过通过“摩擦摩擦”使机械能变热的效应使机械能变热的效应(摩摩阻，电阻，非弹性变性磁阻等）阻，电阻，非弹性变性磁阻等）不平衡势差（非平衡不可逆）不平衡势差（非平衡不可逆）不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 （耗散不可逆）（耗散不可逆）第四章第四章 基本概念基本概念第26页，共45页，编辑于2022年，星期六典型的不可逆过程典型的不可逆过程温差传热温差传热T1T2T1T2Q自由膨胀自由膨胀真空真空 第四章第四章 基本概念基本概念第27页，共45页，编辑于
12、2022年，星期六典型的不可逆过程典型的不可逆过程节流过程节流过程p1p2p1p2混合过程混合过程 第四章第四章 基本概念基本概念第28页，共45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理想化过程，但并非最准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数及可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数及其变化过程表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易其变化过程表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按实际过
13、程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。然后考虑不可逆因素加以修正。第四章第四章 基本概念基本概念第29页，共45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 外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆 常见常见90 0 例：例：内可逆内可逆外不可逆外不可逆第四章第四章 基本概念基本概念第30页，共45页，编辑于2022年，星期六1-6 功量与热量功量与热量1 1、力学力学定义定义:
14、力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2 2、热力学热力学定义：定义：a a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的界的唯一效果可归结为提升重物唯一效果可归结为提升重物，此即为热力系对外，此即为热力系对外作功。作功。b b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在功是系统与外界相互作用的一种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方式传递的能量运动方式传递的能量。第四章第四章 基本概念基本概念一、功量一、功量第31页，共45页，编辑于2022年，星期六3.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 p A A =p p
15、外外 A A +f fA如果如果 p p外外变小变小dpdp，工质经历工质经历准静态过程准静态过程dl以气缸中工质为系统以气缸中工质为系统mmkgkg工质发生容积变化对外工质发生容积变化对外界作的功界作的功 W=p A dl=pdV1 1kgkg工质工质 w=pdv产生微元位移产生微元位移d dl l，可认为可认为 p p 不变不变第四章第四章 基本概念基本概念第32页，共45页，编辑于2022年，星期六mmkgkg工质：工质：W =pdV1 1kgkg工质：工质：w=pdv注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程pp外外21第四章第四章 基本概念基本概念第33页，共45页，编
16、辑于2022年，星期六4.4.示功图示功图21pp外外mmkgkg工质：工质：W =pdV1kg1kg工质：工质：w=pdvpV.12.W第四章第四章 基本概念基本概念第34页，共45页，编辑于2022年，星期六5.5.准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明1 1）单位为单位为 kJkJ 或或 kJ/kgkJ/kg2 2）p p-V V 图上用图上用面积面积表示表示3 3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关，功是过程量功是过程量4 4）统一规定：统一规定：d dV V0 0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正）d dV V0 0，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5 5）适于适
17、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）pV.12.6 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 7）有有摩擦摩擦，系统功不等于外界功，系统功不等于外界功第四章第四章 基本概念基本概念第35页，共45页，编辑于2022年，星期六6 6有用功有用功(useful work)(useful work)概念概念其中其中:WW膨胀功膨胀功(compression/expansion work)(compression/expansion work)；WWl l摩擦耗功；摩擦耗功；WWp p排斥大气功。排斥大气功。pbf第四章第四章 基
18、本概念基本概念第36页，共45页，编辑于2022年，星期六二、二、热热 量量 1.1.热量定义：热量定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。仅仅由于温差而通过边界传递的能量。或者说或者说热量热量是热力系与外界相互作用，在温度的推动下，以微观是热力系与外界相互作用，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。无序运动方式传递的能量。第四章第四章 基本概念基本概念2.2.热量与功量的类比热量与功量的类比主要共同点：主要共同点：1 1）都是在）都是在“势势”的作用下，通过边界的作用下，通过边界 传递的能量；传递的能量；2 2）都是与过程有关的量；）都是与过程有关的量；联想：热量的计算是否与功具有形
19、式上一致的公式？联想：热量的计算是否与功具有形式上一致的公式？第37页，共45页，编辑于2022年，星期六能量传递能量传递 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 过程量过程量推动推动“势势”压力压力 p p 温度温度 T 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 可逆可逆第四章第四章 基本概念基本概念第38页，共45页，编辑于2022年，星期六3.熵的定义和示热图熵的定义和示热图TSQ示热示热(温熵温熵)图图第四章第四章 基本概念基本概念第39页，共45页，编辑于2022年，星期六1-7 1-7 热力循环热力循环要实现连续地将热能转变成机
20、械能，必须构成循环要实现连续地将热能转变成机械能，必须构成循环一、定义一、定义 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列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。变化过程称为热力循环。不可逆循环不可逆循环二、分类：二、分类：1.根据过程是否可逆根据过程是否可逆循环循环可逆循环可逆循环第四章第四章 基本概念基本概念逆向循环逆向循环2.根据热功转换方向根据热功转换方向循环循环正向循环正向循环第40页，共45页，编辑于2022年，星期六pVTS循环围成的面积是一个循环输出的净功，亦称动力循环循环围成的面积是一个循环输出的净功，亦称动力循环正向循环：正向循环：将热能转变成功的循环（
21、顺时针方向）将热能转变成功的循环（顺时针方向）2112第四章第四章 基本概念基本概念第41页，共45页，编辑于2022年，星期六pVTS逆向循环：逆向循环：实现将热量从低温物体转移到高温物体的实现将热量从低温物体转移到高温物体的循环（逆时针方向，用于制冷或泵热）循环（逆时针方向，用于制冷或泵热）2112第四章第四章 基本概念基本概念循环围成的面积是一个循环消耗的净功循环围成的面积是一个循环消耗的净功第42页，共45页，编辑于2022年，星期六三、热力循环的评价指标三、热力循环的评价指标WT1Q1Q2T2动力循环动力循环热效率热效率第四章第四章 基本概念基本概念代价代价收益收益第43页，共45页，编辑于2022年，星期六WT0Q1Q2T2制冷循环制冷循环制冷系数制冷系数第四章第四章 基本概念基本概念收益收益代价代价第44页，共45页，编辑于2022年，星期六WT1Q1Q2T0泵热循环泵热循环泵热系数泵热系数第四章第四章 基本概念基本概念收益收益代价代价第45页，共45页，编辑于2022年，星期六