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1、工程热力学工程热力学 Engineering Thermodynamics北京航空航天大学北京航空航天大学作业作业n n习题12，14第一章第一章 基本概念基本概念n n热力系统n n热力状态及基本状态参数n n平衡状态、状态公理及状态方程n n准静态过程与可逆过程n n热力循环第一节第一节 热力系统热力系统n n系统、边界与外界（环境）n n闭口系统与开口系统n n绝热系统与孤立系统n n系统的内部状况系统、边界与外界（环境）系统、边界与外界（环境）n n系统：为了便于研究与分析问题，将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（Thermodynamics
2、system），简称系统(system)。A quantity of matter or a region in space chosen for study系统、边界与外界（环境）系统、边界与外界（环境）n n外界（surroundings）：边界以外与系统相互作用的物体，成为外界或环境。n n边界（boundary）：分隔系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界系统、边界与外界（环境）系统、边界与外界（环境）n n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系统、边界与外界（环境
3、）系统、边界与外界（环境）n n边界特性真实、虚构真实、虚构真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed、movablereal、imaginary闭口系统与开口系统闭口系统与开口系统n n闭口系统（闭口系统（Closed systemClosed system）：）：没有物质穿过没有物质穿过边界的系统，又称为边界的系统，又称为质量控制系统（质量控制系统（Control Control massmass）。闭口系统的质量保持恒定闭口系统的质量保持恒定n n开口系统（开口系统（Open systemOpen system）：）：有物质流穿过边有物质流穿过边界的系统，又称为界的系统，又称为控
4、制体积或控制体控制体积或控制体(Control volume)(Control volume)。开口系统的界面称为开口系统的界面称为控制界面。控制界面。开口系统开口系统和和闭口系统闭口系统都可能与都可能与外界外界发生发生能量能量（功和热）（功和热）传递传递。绝热系统与孤立系统绝热系统与孤立系统n n绝热系统（Adiabatic system）：系统与外界之间没有热量传递的系统。n n孤立系统（Isolated system）：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统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
5、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的分类热力系统的分类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 孤立系孤立系系统的内部状况系统的内部状况 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单元系单元系多元系多元系相态相态单相系单相系复相系（多相系）复相系（多相系）第二节第二节 热力状态及状态参数热力状态及状态参数n n状
6、态与状态参数n n基本状态参数n n强度性参数与广延性参数状态与状态参数状态与状态参数状态（State）：某瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数（State properties）：描述热力状态的物理量状态参数的特征：1.状态参数是状态的函数，状态确定时，状态参数有唯一确定的值。2.工质状态变化时，状态参数的变化值仅与初、终状态相关，而与状态变化的途径无关。状态参数的积分特征状态参数的积分特征状态参数的积分特征状态参数的数学特征是点函数。热力系统由状态1变化到状态2，z 为状态参数，则有：常见状态参数：温度（T），压力（P），比容（v），内能（u），焓（h），熵（s）等基本状态参数基本状态参数（
7、Basic state propertiesBasic state properties）基本状态参数：可以直接或间接地用仪表测量的状态参数（方便测量）。温度（T）压力（P）比容（v）或密度（）基本状态参数基本状态参数温度温度（temperaturetemperature）温度的一般解释：冷热程度的度量。温度的微观概念：大量分子热运动的强烈程度。平均平动动能温度比例常数处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量即为温度。温度的热力学定义：是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律（The
8、Zeroth Law of Thermodynamics）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡热平衡，则两，则两个系统彼此必然处于个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的理论基础温度测量的理论基础热平衡热平衡（Thermal equilibrium）在没有外来影响没有外来影响的情况下，两物体相互作用最终达到相相同的冷热状况同的冷热状况。温标温标（Temperature scale）温标：温度的数值标尺。需规定基本定点和每一度的数值。热力学温标（Kelvin scale）：纯水三相点温度为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16。摄氏温标（Cel
9、sius scale）：1标准大气压下冰熔点温度为0，沸点温度为100。华氏温标（Fahrenheit scale）：将冰与盐混和后，所能达到的最低温度订为0，而概略的将人体温度定为100。朗肯温标（Rankine scale）：以绝对零度为起点的华氏温标温标之间的换算温标之间的换算基本状态参数基本状态参数压力压力（PressurePressure）微观概念：大量分子碰撞器壁的结果。单位面积上的压力分子浓度平均平动动能热力学温度比例常数阐明了气体压力的本质，揭示了气体压力与温度之间的内在联系。宏观定义：整个容器壁受到的力容器壁的总面积气体的压力：通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力的大
10、小，也叫气体的绝对压力。常用压力常用压力单位单位（UnitsUnits）1 kPa=103 Pa 1bar=105 Pa1 MPa=106 Pa1 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa1 mmHg=133.3 Pa1 at=1 kgf/cm2=9.80665 104 PaSI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa1N/m2常用压力单位有：巴（bar），标准大气压（atm），工程大气压（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）换算关系相对压力与绝对压力相对压力与绝对压力测压原理：测压仪表利用力平衡原理测量气体的压力。压力计指示的压力是气体绝对压力（absolute pre
11、ssure）与外界大气压力的差值，称为相对压力（relative pressure ）表压力与真空度表压力与真空度pbpeppvp表压力（Gage pressure）：气体绝对压力大于外界大气压力时，相对压力为正压，又称表压力。真空度（Vacuum pressure）：气体绝对压力小于外界大气压力时，相对压力为负压，又称真空度。ppb时，p=pbpep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/分曲柄分曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速
12、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可逆可逆（reversible）过程过程定义：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings
13、.That is,both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.可逆过程只是指可能性，并不是可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现可逆过程的实现通过摩擦使功变热通过摩擦使功变热的效应的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻非弹性变形，磁阻等）等）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 不平衡势差不平衡势差不可逆不可逆根
14、源根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应irreversibilityDissipative effect常见不可逆过程常见不可逆过程不等温传热Heat transfer节流过程(阀门）常见不可逆过程常见不可逆过程混合过程混合过程Mixing process自由膨胀自由膨胀Unrestrained expansion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，但并非最优最优过过程，可逆过程是程，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表达，可不考
15、虑系统与外界的复杂关系，易分析。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，用系统参数加以分析，然后）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以考虑不可逆因素加以修正。修正。可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关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，热力过程分析时经常使用完全理想，热力过程分析时经常使用可可逆过程逆过
16、程的概念。的概念。准静态过程准静态过程很少用。很少用。可逆过程的膨胀功可逆过程的膨胀功物理学中的功：物理学中的功：功力功力 在力方向上的位移在力方向上的位移 功功 广义广义力力 广义广义位移位移可逆过程可逆过程功的定义功的定义可逆过程的膨胀功可逆过程的膨胀功是过程量，是过程量，不是状态量不是状态量符号规定：系统对外做功，符号规定：系统对外做功，w w0,0,外界对系统做功，外界对系统做功，w w0 0图1-12可逆过程的热量可逆过程的热量热量热量：热量热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，是热力系与外界相互作用的另一种方式，在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
17、动方式传递的能量。能量。热量热量 广义广义力力 广义广义位移位移可逆过程传递的热量可逆过程传递的热量是过程量，是过程量，不是状态量不是状态量符号规定：系统吸热，符号规定：系统吸热，q q0,ds0,ds0；系统放热，系统放热，q q0,ds0,ds0图1-13热量与容积功的对比热量与容积功的对比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 可逆可逆p-v图与图与T-s图图p-v图也叫示功图，T-s图也叫示热图第五节第五节
18、 热力热力循环循环（cycle）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态，这一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系列变化过程称为热力循环，热力循环，简称简称循环循环。A system is said to have undergone a cycle if it returns to its initial state at the end of the process循环和过程循环和过程循环由循环由过程过程构成构成不可逆循环不可逆循环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（动力循环动力循环Power cycle）净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热顺时针方向顺时针方向逆循环逆循环（制冷循环（制冷循环Refrigeration cycle）净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆时针方向逆时针方向热力循环的评价热力循环的评价WT1Q1Q2T2正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）动力循环：热效率动力循环：热效率热力循环的评价热力循环的评价逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）制冷循环：制冷循环：制冷系数制冷系数制热循环：制热循环：供热系数供热系数