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1、工程热力学课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 基本概念基本概念BasicConceptsandDefinition1-1 1-1 热力系统热力系统thermodynamicsystem热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统):人为分割出来，人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。作为热力学研究对象的有限物质系统。外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质1、系统、系统(system)与边界与边界(boundary)边
2、界边界(界面界面)：系统与外界的分界：系统与外界的分界面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系统、边界和外界（surrounding）边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动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热力系统其他分类方式热力系统其他分类方式其他类方式其他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
3、多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相简单可压缩系统简单可压缩系统simplecompressiblesystem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只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功2.工质workingsubstance;workingmedium定义定义：实现热能和机械能相互转化的媒介：实现热能和机械能相互转化的媒介物质物质对工质的要求:1）膨胀性膨胀性;2）流动性流动性3）热容量热容量4）稳定性，安全性稳定性，安全性5）对环境友善对环境友善6）价廉，易大量获取价廉，易大量获取物质三态
4、中气态气态最适宜。3.热源(heatsource;heatreservoir)定义：工质从中吸取或向之排出热能的物定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。质系统。高温热源（热源高温热源（热源-heatsource）低温热源（冷源低温热源（冷源heatsink）恒温热源恒温热源(constantheatreservoir)变温热源变温热源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
5、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：状态参数的状态参数的变化量变化量与路径无关，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强度参数与广延参数强度参数与广延参数intensivepropertyextensiveproperty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
6、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、熵熵S比参数比参数具有强度量的性质具有强度量的性质比容比容比比内能内能比比焓焓比比熵熵单位：单位：/kg/kmol1-3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物理中物理中压强压强，单位单位:Pa,N/m2绝对压力绝对压力pabsolutepressure表压力表压力pe（pg）-gaugepressure;真空度真空度pvvacuum;vacuumpressure当地大气压当地大气压pblocalatmosphericpressure绝对压力与相对压力绝对压力
7、与相对压力当当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冲程冲程/转，转，0.15米米/冲冲程程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350m/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
8、体分析。“突然突然”“缓慢缓慢”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 可视为可视为准静态过程准静态过程dl以汽缸中工质为系统以汽缸中工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 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pV.12.pp外外21mkg工质：工质：
9、W =pdV1kg工质：工质：w=pdvW准静态容积变化功的说明准静态容积变化功的说明pV.12.1）单位为单位为kJ或或kJ/kg2）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功，是过程量功，是过程量4）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别，只影响系统功与外界功的大小差别例题例题：1kg某
10、种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵循：（1）（2）从初态1到达终态2求：两过程中各作功多少？（a，b为常数）解：（1）（2）摩擦损失的影响摩擦损失的影响若有若有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，再返还给系统，系统得到的功系统得到的功WT2Q自由膨胀自由膨胀真空真空 典型的不可逆过程典型的不可逆过程节流过程节流过程(阀门）阀门）p1p2p1p2混合过程混合过程 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
11、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的工质的状状态参数态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先 按按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，用系统参数加以分）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以析，然后考虑不可逆因素加以修正。修正。1-6过程功和热量过程功和热量1 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(外文参
12、考书外文参考书）a a、当热力系与外界发生能量传递当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的时，如果对外界的唯一效果可归结为唯一效果可归结为取起重物取起重物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。b b、功是系统与外界相互作用的一功是系统与外界相互作用的一种方式，在种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运运动方式传递的能量动方式传递的能量。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，电功电功等等热量热量-heat定义定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而通过边
13、界传递的能量通过边界传递的能量。符号约定：系统吸热系统吸热“+”；放热放热“-”单位：热量与T-s图热量与功的异同热量与功的异同：1.通过边界传递的能量通过边界传递的能量；2.都是过程量过程量；3.功功传递由压力差推动，比体积变化是作功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志标志;热量热量传递由温差推动，比熵变化是传传递由温差推动，比熵变化是传热的标志热的标志；4.功功是物系间通过宏观运动发生相互作用传是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的递的能量；能量；热热是物系间通过紊乱的微粒运是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用动发生相互作用而传递的能量而传递的能量。5。功转变为热是无条件的；热转化为功
14、是热是无条件的；热转化为功是有条件、限度的有条件、限度的。1-7热力循环热力循环thermodynamiccycle要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环定义：定义：热力系统经过一系列变化回到初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态，这一系列变化过程称为热力循环热力循环。不可逆循环不可逆循环分类：分类：可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环正循环（正循环（directcycle）pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正循环正循环：顺时针方向顺时针方向2112逆循环逆循环(reversecycle)pVTS净效应：净效应：
15、对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆循环逆循环：逆时针方向逆时针方向2112热力循环的评价指标热力循环的评价指标正循环（动力循环）正循环（动力循环）：对外作功，吸热对外作功，吸热WT1Q1Q2T2热效率热效率thermalefficiency制冷系数制冷系数coefficientofperformancefortherefrigerationcycle逆循环逆循环：净效应（对内作功，放热）净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T21）制冷循环：制冷系数）制冷循环：制冷系数WT1Q1Q2T02）制热循环（热泵循环）：制热系数、）制热循环（热泵循环）：制热系数、热泵系数、供暖系数热泵系数、供
16、暖系数第一章第一章小小 结结基本概念：基本概念：热力系热力系 平衡、稳定、均匀平衡、稳定、均匀 准静态、可逆准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数过程量、状态量、状态参数 功、热量、熵功、热量、熵 p-V图、图、T-S图图 循环、工作系数循环、工作系数第一章第一章讨论课讨论课 热力系热力系种类：种类：闭口系、开口系、绝热系、闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系绝功系、孤立系 热力系的选取取决于研究目的热力系的选取取决于研究目的和方法，具有和方法，具有随意随意性，选取不当将性，选取不当将不便于分析。不便于分析。一旦取定系统，一旦取定系统，沿边界沿边界寻找相寻找相互作用。互作用。例例1：绝热刚性
17、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(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WWQ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Q(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热量：热量：Q+Q
18、WQW Q(4)以容器为系统以容器为系统开口系开口系功量：功量：W热量：热量：QWQ(5)以气缸为系统以气缸为系统开口系开口系功量：功量：W+W热量：热量：Q+QWQWQ强度量与广延量强度量与广延量速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）思考题思考题7有人说，不可逆过程是无法恢复到初有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？始状态的过程，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。可逆过程指可逆过程指若若系统回到初态，外界系统回到初态，外界
19、同时恢复到初态。同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。态的过程。可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程可逆过程一定是一定是准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程不一定是不一定是可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程准静态过程准静态过程无耗散无耗散可逆过程可逆过程完全理想，以后均用完全理想，以后均用可逆可逆过程过程的概念。的概念。准静态过程准静态过程很少用。很少用。判断是否准静态与可逆（判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系以冰水混合物为热力系900缓慢加热缓慢加热外部温差传热外部温差传热准静态过程准静态过程系
20、统内部等温传热，无耗散系统内部等温传热，无耗散内可逆内可逆外不可逆外不可逆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火与水有温差火与水有温差外不可逆外不可逆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活塞与壁面无摩擦活塞与壁面无摩擦内可逆内可逆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（4）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物带动搅拌器加热容器中气体电功电功热热机械功
21、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有用功有用功气缸中气体膨胀对外作功，气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程准静态过程气体对外作功气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功但外界得到的有用功pbp可逆过程与准静态过程的功可逆过程与准静态过程的功加热加热A腔中气体，腔中气体，B被压缩，被压缩，B中理想气体中理想气体BA1 1）以以B中气体为中气体为系统系统绝热，无摩擦绝热，无摩擦缓慢压缩缓慢压缩准静态准静态无摩擦无摩擦可逆可逆B中气体（理想气体，可逆，绝热）中气体（理想气体，可逆，绝热）B B得到的功得到的功遵循遵循可逆
22、过程与准静态过程的功可逆过程与准静态过程的功加热加热A腔中气体，腔中气体，B被压缩，被压缩，B中理想气体中理想气体BA2 2）以以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）以以A腔腔为为系统系统4）以以AB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自由膨胀过程自由膨胀过程刚性，绝热刚性，绝热真空真空 ABB中没有气体，不能取做系统中没有气体，不能取做系统以以A中原有气体中原有气体为为系统系统A中气体中气体非准静态非准静态A中气体没有作中气体没有作功功没有没有作功对象作功对象后后进去的对进去的对先先进去进去的的气体作功了吗？气体作功了吗？气体混合过程气体混合过程刚性，绝热，刚性，绝热，pApB AB非准静态过程，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可逆热力学没法计算没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，无功无功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气体为为系统系统但但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=气体作功气体作功再见