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1、会计学1热力学基本概念状态参数热力学温标热力学基本概念状态参数热力学温标第一页，共94页。主讲主讲(zhjing)(zhjing)教师介绍教师介绍安青松安青松天津大学热能工程系天津大学热能工程系天津大学中低温热能高效天津大学中低温热能高效(oxio)利用教育部重点实验室利用教育部重点实验室中低温中低温(dwn)发发电技术电技术主要研究方向主要研究方向环保工质环保工质纳米流体技纳米流体技术术第1页/共94页第二页，共94页。主讲主讲(zhjing)(zhjing)教师介绍教师介绍Address：金工：金工(jngng)楼楼510Tel：27407617，E-mail:第2页/共94页第三页，共9
2、4页。助教助教(zhjio)(zhjio)介绍介绍Name:刘良旭刘良旭博士生博士生Address：金工：金工(jngng)楼楼510Tel：E-mail:课程公邮：课程公邮：第3页/共94页第四页，共94页。绪绪 论论工程热力学是重要工程热力学是重要(zhngyo)的技的技术基础课术基础课工程热力学工程热力学是一门研究是一门研究(ynji)热能有效热能有效利用及利用及热能和其它形式能量转换规热能和其它形式能量转换规律律的科学的科学第4页/共94页第五页，共94页。能源(nngyun)转换利用的关系热 能电 能机 械 能 风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然(tinrn)存在)二次能源
3、(r c nn yun)光光电电转转换换燃燃料料电电池池光光热热聚聚变变裂裂变变燃燃烧烧水水车车水水轮轮机机风风车车热机热机电电动动机机发发电电机机90%转换直接利用直接利用利利用用生物质生物质第5页/共94页第六页，共94页。Future Energy to Low-Carbon Town in ChinaNewEnergyTechnologiesRenewableenergyConventionalEnergycleanFutureenergy第23页/共94页第二十四页，共94页。工程工程(gngchng)热力学与节热力学与节能能工程热力学工程热力学是一门研究热能有效利用是一门研究热能有
4、效利用(lyng)及及热能和其它形式能量转换规热能和其它形式能量转换规律律的科学的科学建立节能的理论基础建立节能的理论基础第24页/共94页第二十五页，共94页。(1)中国(zhn u)能源资源缺乏(2)中国能源(nngyun)利用效率低下(3)能源环境问题(wnt)突出第25页/共94页第二十六页，共94页。热力学的分类热力学的分类(fnli)工程工程(gngchng)热力学：热能热力学：热能与机械能与机械能物理热力学物理热力学化学热力学化学热力学生物热力学生物热力学溶液热力学溶液热力学热力学第26页/共94页第二十七页，共94页。能源转换利用(lyng)的关系 热 能 电 能 机 械 能风
5、能水能化学能核能地热能太阳能光光电电转转换换(zhunhun)燃燃料料电电池池(rnliodinch)光光热热聚聚变变裂裂变变燃燃烧烧水水车车水水轮轮机机风风车车热机热机电电动动机机发发电电机机90%转换供供暖暖生物质生物质第27页/共94页第二十八页，共94页。热热 机机 种种 类类 车辆发动机（内燃机）车辆发动机（内燃机）25-35%航空发动机航空发动机20-30%轮船发动机轮船发动机25-35%发电（火力发电（火力(hul)、核能）、核能）40-50%制冷空调制冷空调(非热机，同理）非热机，同理）200%能量(nngling)利用率heat engineEnergy efficiency
6、第28页/共94页第二十九页，共94页。内燃机装置内燃机装置(zhungzh)(zhungzh)空气空气(kngq)、油油废气废气(fiq)吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气internal combustion engine第29页/共94页第三十页，共94页。发动机构造发动机构造(guzo)（内燃机）（内燃机）图6-15 单缸汽油机构造示意图-火花塞 2-气缸盖 3-出水口 4-气缸 5-活塞 6-水套 7-水泵 8-活塞销 9-进水口 10-连杆 11-飞轮 12-曲轴 13-机油管 14-曲轴箱 15-机油泵 16-曲轴正时齿轮 17-凸轮正时齿轮 18-凸轮轴 19-排气管20
7、-进气管 21-进气门 22排气门 23-化油器 engine第30页/共94页第三十一页，共94页。汽车汽车(qch)发动机与传动（内燃发动机与传动（内燃机）机）第31页/共94页第三十二页，共94页。内燃机装置内燃机装置(zhungzh)(zhungzh)基基本特点本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功(zugng)4、循环 (加压、加热、膨胀做功(zugng)、放热)第32页/共94页第三十三页，共94页。涡轮风扇涡轮风扇(fngshn)发动机（航空发动机（航空发动机）发动机）高压高压(goy)透平透平燃烧室燃烧室压气机压气机低压低压(dy)透平透平第33页/共94页第三十四页
8、，共94页。燃气装置燃气装置(zhungzh)基本特点基本特点1、热源(ryun)，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机(rnqlnj)燃烧室空气废气第34页/共94页第三十五页，共94页。火电厂系统火电厂系统(xtng)图图Steam Power Station第35页/共94页第三十六页，共94页。凝汽器凝汽器Condenser和冷却和冷却塔系统塔系统(xtng)图图第41页/共94页第四十二页，共94页。火力发电装置基本火力发电装置基本(jbn)特点特点锅炉汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器过热器 1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做
9、功(zugng)4、循环 (加压、加热、膨胀做功(zugng)、放热)第42页/共94页第四十三页，共94页。制冷制冷(zhlng)(zhlng)空调装置基本空调装置基本特点特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(xnhun)(加压、放热、膨胀、吸热)第43页/共94页第四十四页，共94页。热力装置共同热力装置共同(gngtng)(gngtng)基基本特点本特点 1、热源(ryun)，冷源 heat reservoir 2、工质 medium,working substance 3、容积变化功 moving boundary work 4、循环 cycle第44页/共9
10、4页第四十五页，共94页。热机(rj)高温高温(gown)热源热源低温低温(dwn)热源热源Q1Q2W动力循环简图热效率 Thermal efficiency第45页/共94页第四十六页，共94页。思思 考考 题题？2、为何要有两个(lin)热源，能否不要低 温热源,不放热，W=Q是否可以进行？4、普通(ptng)发电厂效率高的只有40%左右，可否有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？1、为什么永动机不能实现、为什么永动机不能实现(shxin)？Perpetual motion machine3、动力装置为什么都要先升压，再吸热，能否先吸热，再升压?第46页/共94页第四十七页，共94
11、页。工程工程(gngchng)热力学的研究热力学的研究内容内容1、能量、能量(nngling)转换的基本定转换的基本定律律 2、工质的基本(jbn)性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础第47页/共94页第四十八页，共94页。1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结(zngji)特点：可靠，普遍，不能任意推广 经典（宏观,平衡）热力学 classical(macroscopic,equilibrium)工程工程(gngchng)热力学热力学研究方法研究方法第48页/共94页第四十九页，共94页。2、微观方法：从微观粒子的
12、运动(yndng)及相互作用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学 microscopic(statistical)thermodynamics工程工程(gngchng)热力学热力学研究方法研究方法第49页/共94页第五十页，共94页。1、有几位科学家在热力学作出了贡献、有几位科学家在热力学作出了贡献(gngxin)，获诺贝尔奖？获诺贝尔奖？小小 知知 识识2、中国哪位教授与美国教授合作提出 的状态方程得到普遍(pbin)认可？4、为什么恩格斯说“卡诺定理(dngl)”是头重 脚轻的定理(dngl)？3、Maxwell妖是什么？妖是什么？第50页/共94页第五十一页
13、，共94页。热力学方面热力学方面热力学方面热力学方面(fngmin)(fngmin)获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的科学家（科学家（科学家（科学家（1 1）n nJ.D.范范.德瓦尔斯德瓦尔斯n nJohannesvanderWaalsn n(1837-1923)n n荷兰荷兰(hln)n n气体和液体状态气体和液体状态方程方程n n1910年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖理学奖第51页/共94页第五十二页，共94页。热力学方面热力学方面热力学方面热力学方面(fngmin)(fngmin)获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的获诺贝尔奖的科学家（科学家（科学家（科学家（2 2）n nM
14、.普朗克普朗克n nMaxPlanckn n(1858-1947)n n德国德国n n发现发现(fxin)能量子能量子（量子理论）（量子理论）n n热二律热二律n n1918年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖学奖第52页/共94页第五十三页，共94页。热力学方面热力学方面(fngmin)获诺贝尔奖获诺贝尔奖的科学家（的科学家（3）n nW.H.W.H.能斯脱能斯脱能斯脱能斯脱n nWaltherWaltherHermannNernstHermannNernstn n(1864-1941)(1864-1941)n n 德国德国德国德国n n 热化学，熵基准热化学，熵基准热化学，熵基准热化学，熵基准(j
15、zhn)(jzhn)n n19201920年诺贝尔化年诺贝尔化年诺贝尔化年诺贝尔化学奖学奖学奖学奖第53页/共94页第五十四页，共94页。热力学方面热力学方面(fngmin)获诺贝尔奖获诺贝尔奖的科学家（的科学家（4）n n L.昂萨格n n Lars Onsagern n(1903-1976)n n 美国(mi u)n n 不可逆过程热力学理论n n 1968年诺贝尔化学奖第54页/共94页第五十五页，共94页。热力学方面热力学方面热力学方面热力学方面(fngmin)(fngmin)获诺贝尔奖的科获诺贝尔奖的科获诺贝尔奖的科获诺贝尔奖的科学家（学家（学家（学家（5 5）I.普里戈金 Ilya
16、 Prigogine(1917-2003)比利时 热力学的耗散(ho sn)结构理论 1977年诺贝尔化学奖第55页/共94页第五十六页，共94页。热力学方面热力学方面(fngmin)获诺贝尔奖获诺贝尔奖的科学家（的科学家（6）K.G.威尔逊 Kenneth G.Wilson(1936-)美国 临界(ln ji)重整化群理论 1982年诺贝尔物理奖第56页/共94页第五十七页，共94页。参参 考考 书书1、工程(gngchng)热力学 沈维道等 高教出版社2、工程(gngchng)热力学 曾丹苓等 高教出版社3、工程(gngchng)热力学 朱明善等 高教出版社4、工程(gngchng)热力学
17、 庞麓鸣等 高教出版社第57页/共94页第五十八页，共94页。教学要求及考核教学要求及考核(koh)(koh)方式方式1、弄清基本概念，注意每章后的思考题2、独立完成作业，每两周四上课时按时(nsh)交3、有问题及时解决，不要拖至考试clear understanding and firm grasp of the basic principles1、平时(pngsh)作业20%2、期中考试20%3、期末考试60%第58页/共94页第五十九页，共94页。绪绪 论论 完完EndofPreface第59页/共94页第六十页，共94页。基本概念基本概念Basic Concepts第60页/共94页第
18、六十一页，共94页。热力热力(rl)(rl)系统系统热力(rl)系统(热力(rl)系、系统)：人为地 研究对象1、系统(xtng)的定义Thermodynamic systemsystemA quantity of matter or a region in space chosen for study第61页/共94页第六十二页，共94页。热力热力(rl)(rl)系统系统外界：系统(xtng)以外的所有物质2、系统(xtng)、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary第62页/共94页第六十三页，共94页。热力热力(rl)(
19、rl)系统选取的人为性系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换(jiohun)功只交换(jiohun)热既交换功也交换热第63页/共94页第六十四页，共94页。边界边界(binji)(binji)特性特性真实真实(zhnsh)、虚构虚构固定(gdng)、活动fixed、movablereal、imaginary第64页/共94页第六十五页，共94页。热力热力(rl)系统分类系统分类以系统与外界关系(gun x)划分：有 无是否传质(chun zh)开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系第65页/共94页第六十六页，共
20、94页。TypesofSystem开口开口(kiku)系系绝热系孤立系Closed systemControl massIsolated systemOpen system Control volume闭口闭口(bku)系系Adiabatic system第66页/共94页第六十七页，共94页。1234mQW1开口开口(kiku)系系热力热力(rl)系统系统非孤立系相关(xinggun)外界孤立系1+2 闭口系1+2+3 绝热闭口系1+2+3+4 孤立系第67页/共94页第六十八页，共94页。热力系统热力系统(xtng)其它其它分类方式分类方式 其它(qt)分类方式物理化学(w l hu xu
21、)性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相第68页/共94页第六十九页，共94页。简单简单(jindn)可压可压缩系统缩系统最重要最重要(zhngyo)的系统的系统只交换热量和一种准静态(jngti)的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SimplecompressiblesystemMoving Boundary WorkCompression WorkExpansion Work第69页/共94页第七十页，共94页。状态状态(zhungti)和状态和状态(zhungti)参数参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观(
22、hnggun)状况状况状态参数：描述(mio sh)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Stateandstateproperties第70页/共94页第七十一页，共94页。状态参数的微分状态参数的微分(wifn)特征特征设 z=z(x,y)dz是全微分(wi fn)充要条件：可判断(pndun)是否是状态参数Total differentials第72页/共94页第七十三页，共94页。强度强度(qingd)参数与广延参参数与广延参数数强度参数强度参数(cns
23、h)：与物质的量无关的参数：与物质的量无关的参数(cnsh)如压力如压力p、温度、温度T广延参数(cnsh)：与物质的量有关的参数(cnsh)可加性 如 质量m、容积 V、热力学能 U、焓 H、熵S比参数：比容比热力学能比焓比熵单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质Intensive properties Extensive properties 第73页/共94页第七十四页，共94页。强度参数强度参数(cnsh)与广延参数与广延参数(cnsh)速度速度(sd)动能动能(dng(dngnng)nng)高度高度 位能位能 热力学能热力学能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）
24、（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol第74页/共94页第七十五页，共94页。基本基本(jbn)状态参数状态参数压力 p、温度(wnd)T、比容 v （容易测量）1 1、压力、压力(yl)p (pressure)(yl)p (pressure)物理中压强，单位物理中压强，单位:Pa(Pascal),:Pa(Pascal),N/m2N/m2常用单位Units：1 kPa=103 Pa 1bar=105
25、 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=1 kgf/cm2=9.80665104 PaBasicstateproperties第75页/共94页第七十六页，共94页。压力压力(yl)p测量测量示意图绝对绝对(judu)压力与环境压力的相对值压力与环境压力的相对值相对压力相对压力注意：只有绝对压力 p 才是状态参数U-tubemanometerBourdonTube第76页/共94页第七十七页，共94页。绝对压力绝对压力(yl)与相对与相对压力压力(yl)当当p pb表压力表压力(yl)pe当当p pb真空
26、度真空度pvpbpeppvprelative pressureabsolute pressureGagepressureVacuumpressure第77页/共94页第七十八页，共94页。环境压力与大气压力环境压力与大气压力指压力表所处环境指压力表所处环境(hunjng)注意：注意：环境压力一般为大环境压力一般为大气压，但不一定。气压，但不一定。环境压力Environmental pressure大气压力 Atmospheric pressurebarometric hbarometer第78页/共94页第七十九页，共94页。大气压力大气压力Atmosphericpressure大气压随时间、
27、地点大气压随时间、地点(ddin)变化变化物理物理(wl)大气压大气压1atm=760mmHg当当h变化变化(binhu)不大，不大，常数常数1mmHg=gh=133.322Pa当当h变化大，变化大，(h)第79页/共94页第八十页，共94页。OtherPressureMeasurementDevices高精度测量高精度测量(cling)：活塞压力计：活塞压力计pistonmanometer工业或一般科研测量(cling)：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect第80页/共94页第八十一页，共94页。基本基本(jbn)状态参数状态参数压力
28、 p、温度 T、比容 v （容易(rngy)测量）2 2、温度、温度(wnd)T (Temperature)(wnd)T (Temperature)Basicstateproperties第81页/共94页第八十二页，共94页。温度温度T的一般的一般(ybn)定定义义传统：冷热程度的度量(dling)。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均(pngjn)动能的量度 T 0.5 m w 21)同T,0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw 2总0,T 0,1951年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3)T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，零点能第82页/共94页
29、第八十三页，共94页。温度温度(wnd)的热力学的热力学定义定义热力学第零定律（R.W.Fowler in 1931）如果两个(lin)系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个(lin)系统彼此必然处于热平衡。温度测量的温度测量的理论理论(lln)基础基础B温度计温度计第83页/共94页第八十四页，共94页。Temperaturemeasurement温度计物质(wzh)（水银，铂电阻）特性（体积膨胀(png zhng)，阻值）基准点刻度(kd)Scale温标 Temperature scaleReference state第87页/共94页第八十八页，共94页。温标温标(wnbio)Tempe
30、raturescale 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标(sh sh wn bio)Celsius scale (Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标(hu sh wn bio)Fahrenheit scale (German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankine scale (W.Rankine,1820-1872)第88页/共94页第八十九页，共94页。常用温标常用温标(wnbio)之间的之间的关系关系绝对(judu)K摄氏 华氏F朗肯R10037
31、3.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点(rngdin)水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67第89页/共94页第九十页，共94页。温标温标(wnbio)的换算的换算第90页/共94页第九十一页，共94页。TemperatureMeasurementDevices水银温度计thermometer，酒精温度计，热电偶 Thermocouple热电阻 Resistance temperature detector辐射温度计Radiation thermometer铂电阻温度计 Plati
32、num激光(jgung)全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法第91页/共94页第九十二页，共94页。基本基本(jbn)状态参数状态参数压力 p、温度 T、比容 v （容易(rngy)测量）3 3、比容、比容 v (specificvolume)Basicstatepropertiesm3/kg工质聚集的疏密(sh m)程度物理上常用密度density kg/m3第92页/共94页第九十三页，共94页。小小 结结 Summary基本概念：基本概念：热力热力(rl)(rl)系系 热力热力(rl)(rl)系的分类系的分类 状态参数状态参数 热力热力(rl)(rl)学温标学温标第93页/共94页第九十四页，共94页。