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1、 基本概念及定义 工工程程热热力力学学第一章 张文慧张文慧目目 录录F1.1 1.1 热力系统热力系统F1.2 1.2 状态和状态数状态和状态数F1.3 1.3 强度参数和广延参数强度参数和广延参数F1.4 1.4 平衡态平衡态F1.5 1.5 状态方程和坐标图状态方程和坐标图F1.6 1.6 准静态过程、可逆过程准静态过程、可逆过程F1.7 1.7 功功F1.8 1.8 热量与熵热量与熵F1.9 1.9 循环循环v定义：由某种边界包围，被取作研究对象的特定的物质或空间（人为的）v分类：闭口系统（与外界无物质交换）开口系统（与外界有物质交换）绝热系统（与外界无热量交换）简单可压缩系统（与外界交
2、换只有体积变化功）热力系统热力系统1234mQW1 开口系开口系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 孤立系孤立系热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热 定义：定义：外界：外界：系统以外所有的物（系统以外所有的物（surroundingssurroundings ）边界：边界：系统与外界的分界面（系统与外界的分界面（boundaryboundary ）外界与边界系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界
3、边界边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动状态和状态参数状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、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：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分状态参数的微分特征设设 z=z(x,y)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，如压力与物质的量无关的参数，如压力p p、温度温度T T广延参数：广延参数：与物
4、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 m、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/kg、/kmol/kmol 具有强度参数的性质具有强度参数的性质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 Velocity Kinetic EnergyKinetic EnergyHeight Height Potential EnergyPoten
5、tial EnergyTemperature Temperature Internal EnergyInternal EnergyStressStressMolMol基本状态参数基本状态参数压力压力 p p、温度、温度 T T、比容、比容 v v （容易测量）（容易测量）1 1、压力压力 p p (pressure)(pressure)物理中压强，单位物理中压强，单位:Pa:Pa，N/mN/m2 2常用单位常用单位UnitsUnits：1 kPa=101 kPa=103 3 Pa 1 Pa 1barbar=10=105 5 PaPa 1 1 MPaMPa=10=106 6 Pa Pa 1 at
6、m1 atm 10105 5 PaPa 1 mmHg=133.3 Pa1 mmHg=133.3 Pa 1 at=1 kgf/cm 1 at=1 kgf/cm2 2 10104 4 PaPa压力压力p测量测量绝对压力绝对压力与与环境压力环境压力的的相对值相对值 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 p 才才是是状态参数状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p p p pb b表压力表压力 p pe e当当 p 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 20002000
7、转转/分，曲柄分，曲柄 2 2冲程冲程/转，转，米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=20002000 2 2 /6060=1010 m/s m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350350 m/s 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”“”“缓缓慢慢”准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功p pp p外外f f初始：初始：p p A A =p p外外 A
8、 A +f fA A如果如果 p p外外微小微小，可视为准静态过程可视为准静态过程d dl l以汽缸中以汽缸中m mkgkg工质为系统工质为系统m mkgkg工质发生容积变化对外界作工质发生容积变化对外界作的功的功 W W=p p A A d dl l=p=pd dV V1kg1kg工质工质 w w=p=pd dv vd dl l 很小很小，近似认为近似认为 p p 不变不变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：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程示功图示功图 (p p-V V图图)pV.12.pp
9、外外21mkg工质：工质：W =pdV1kg工质：工质：w=pdvWp pV V.1 12 2.2 2）p-V p-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，过程量过程量4 4）统一规定：）统一规定：d dV V00，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正）d dV V00，压缩，压缩 外内作功（外内作功（负负）5 5）适于）适于准静态准静态下的下的任何工质任何工质（一般为流体）（一般为流体）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）有无）有无f f，只影响外界得到功的大小，只影响外界得到功的大小1 1）
10、单位为）单位为 kJ kJ 或或 kJ/kgkJ/kg说明说明摩擦损失的影响摩擦损失的影响若有若有f f 存在，就存在损失存在，就存在损失p pp p外外2 21 1系统对外作功系统对外作功W W，外界得到的功，外界得到的功W W W W若外界将得到的功若外界将得到的功W W 再返还给系统，系统得到的功再返还给系统，系统得到的功WWW T T2 2Q Q2.2.节流过程节流过程 (阀门）阀门）p p1 1p p2 2p p1 1 p p2 2ThrottlerThrottler4.4.混合过程混合过程 3.3.自由膨胀自由膨胀真空真空 Unrestrained expansionUnrestr
11、ained expansionMixing processMixing process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外部可逆，内部不可逆外部可逆，内部不可逆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，但并非过程，但并非最最优优过程，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的工质的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，
12、易分析。表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理理想想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，用系统参数加以分析，）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以然后考虑不可逆因素加以修正修正。判断下列过程是否是可逆过程？1.对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发2.对刚性容器内的水做功，使其在恒温下蒸发3.对刚性容器内的空气缓慢加热，使其从50度升高至150度功量功量WorkWork1 1、力学力学定义定义:力力在力方向上的位移在力方向上的位移2 2、热力学热力学定义定义热力学热力学定义定义IIII功的功
13、的热力学热力学定义定义II 功是系统与外界相互作用的一种方功是系统与外界相互作用的一种方式，式，(在力的推动下，通过有序运动方在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量式传递的能量)是热力学系统通过边界是热力学系统通过边界与外界传递的能量。与外界传递的能量。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.功的表达式功的表达式功功的一般表达式的一般
14、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，表面张力功，电功拉伸功，表面张力功，电功等等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气体进入气球的气体为为系统系统但但pVpV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 V=气体作功气体作功 热量与熵热量与熵 热量热量定义：定义：热量热量是热力系与外界相互作用的是热力系与外界相互作用的另一种方式，在另一种方式，在温度温度差差的推动下，以微观的推动下，以微观无无序序运动方式运动方式传递的传递
15、的能量能量。热量是否可以用类似于功的式子表示？热量是否可以用类似于功的式子表示？引入引入“熵熵”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 p 温度温度 T T标志标志 d dV V,d,dv v d dS S,d,ds s公式公式条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆熵（Entropy）的定义：比参数比参数 kJ/kg.KkJ/kg.Kd ds s:可逆过程可逆过程 q qrevrev除以传热时的除以传热时的T T所得的所得的商商 广延量广延量 kJ/KkJ/Kreversi
16、blereversible熵的说明熵的说明1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3 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 2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 Q Q 0 d 0 dS S 0 0系统系统放热放热时时为为负负 Q Q 0 d 0 dS S 00，膨胀，膨胀 对外作功对外作功为为正正 dV 0，系统，系统吸热吸热为为正正 Q 0，系统，系统放热放热为为负负2.计算公式：计算公式：功与热量（过程量）功与热量（过程量）适用适用条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆P-VP-V图与图与T-ST-S图图pVWTS
17、Q P-V图图T-ST-S图图 循环及其评价指标循环及其评价指标p21V循环的经济性指标：循环的经济性指标：热效率热效率t t=W/Q=W/Q1 1净效应：净效应：对外作功、吸热对外作功、吸热正循环正循环循环的经济性指标：循环的经济性指标：制冷装置制冷装置 制冷系数制冷系数 =Q=Q2 2/W/W 热泵装置热泵装置 供热系数供热系数 =Q=Q1 1/W/W 21Vp净效应：净效应：对内作功、放热对内作功、放热逆循环逆循环例题例例1：绝热刚性容器向气缸充气：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取试分别选取闭口系闭口系和和开口系开口系，画出充气，画出充气前后前后边界边界，标明，标明功功和和热热的方向。的
18、方向。(1)以容器内原有气体为系统以容器内原有气体为系统闭口系闭口系功量：功量：气体对活塞作功气体对活塞作功W WWQ热量：热量：气体通过活塞从外界吸热气体通过活塞从外界吸热Q Q(当初始温度一样时）(2)以容器内残留的气体为系统以容器内残留的气体为系统闭口系闭口系功量：功量：残留气体对放逸气体作功残留气体对放逸气体作功WWWQ热量：热量：残留气体从放逸气体吸热残留气体从放逸气体吸热QQ(3)以放逸气体为系统以放逸气体为系统闭口系闭口系功量：功量：W W+WW热量：热量：Q+QQ+QWQW Q(4)以容器为系统以容器为系统开口系开口系功量：功量：WW热量：热量：QQWQ(5)以气缸活塞为系统以
19、气缸活塞为系统开口系开口系功量：功量：W+WW+W热量：热量：Q+QQ+QWQWQ例例2.思考题思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。例例3.判断是否准静态与可逆（判断是否准静态与可逆（1）蒸汽流经减压阀进入汽轮机蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散典型的
20、不可逆过程，因有漩涡，产生耗散是不是是不是准静态准静态，取决于，取决于开度开度判断是否准静态与可逆（判断是否准静态与可逆（2）带活塞的气缸中，水被缓慢加热带活塞的气缸中，水被缓慢加热a.a.缓慢加热，每一时缓慢加热，每一时刻水有确定的温度刻水有确定的温度准静态加热准静态加热b.b.火与水有温差火与水有温差外不可逆外不可逆c.c.以以水水为系统为系统内可逆内可逆以以水活塞水活塞为系统为系统d.d.活塞与壁面无摩擦活塞与壁面无摩擦内可逆内可逆e.e.活塞与壁面有摩擦活塞与壁面有摩擦内不可逆内不可逆判断是否准静态与可逆（判断是否准静态与可逆（3）电或重物电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电或重
21、物带动搅拌器加热容器中气体电功电功热热机械功机械功热热耗散耗散是否是否准静态准静态，看加热快慢，看加热快慢但但不可逆不可逆判断是否是可逆过程与准静态过程（判断是否是可逆过程与准静态过程（4）加热加热A A腔中气体，腔中气体，B B被压缩，被压缩，B B中理想气体中理想气体B BA A2 2）以以A A中气体中气体为为系统系统绝热，无摩擦绝热，无摩擦缓慢加热缓慢加热准静态准静态无摩擦无摩擦内可逆内可逆3 3）以以A A腔腔为为系统系统4 4）以以A AB B腔腔为为系统系统电功耗散为热电功耗散为热不可逆不可逆电功耗散为热电功耗散为热不可逆不可逆1 1）以以B B中气体中气体为为系统，缓慢压缩系统，缓慢压缩无摩擦无摩擦内可逆内可逆作业v1-6v1-9v1-15v1-21v1-23郑州轻工业学院 机电工程学院