工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)2)基本概念概要

1、2022年年3月月17日星期四日星期四1第二章 基本概念內(nèi)容要求內(nèi)容要求v掌握熱力系統(tǒng)的基本概念和分類；掌握熱力系統(tǒng)的基本概念和分類；v掌握平衡狀態(tài)的基本概念和實(shí)現(xiàn)的充要條件；掌握平衡狀態(tài)的基本概念和實(shí)現(xiàn)的充要條件；v熟悉基本狀態(tài)參數(shù)：壓力，溫度和比體積；熟悉基本狀態(tài)參數(shù)：壓力，溫度和比體積；v掌握準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的基本概念和特征；掌握準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的基本概念和特征；v掌握過程功和過程熱量。掌握過程功和過程熱量。2022年年3月月17日星期四日星期四21-1 熱力系統(tǒng) 1-1-1 熱機(jī)中熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程 1. 熱力發(fā)動機(jī)（熱機(jī)） 凡是能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱為熱機(jī)。 2.

2、 工質(zhì) 實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。 3. 熱源 高溫?zé)嵩矗汗べ|(zhì)從中吸收熱能的物系。 低溫?zé)嵩矗航邮芄べ|(zhì)排出熱能的物系。 蒸汽機(jī)，蒸汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)燃機(jī)，噴氣發(fā)動機(jī)。舉例舉例空氣，燃?xì)猓魵獾取?022年年3月月17日星期四日星期四3 4. 舉例：蒸汽動力裝置中熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程 高溫?zé)嵩矗?低溫?zé)嵩矗?熱能動力裝置的工作過程 2022年年3月月17日星期四日星期四4 1-1-2 熱力系統(tǒng) 1. 熱力系統(tǒng) 熱力學(xué)中選取一定的工質(zhì)或空間作為研究對象。2022年年3月月17日星期四日星期四5 2. 熱力系統(tǒng)的分類（1）系統(tǒng)與外界是否進(jìn)行物質(zhì)交換 a：閉口系統(tǒng) b: 開口系統(tǒng) 系統(tǒng)與外

3、界之間沒有物質(zhì)交換，只有能量交換。（控制質(zhì)量系統(tǒng)） 系統(tǒng)與外界之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。 （控制容積系統(tǒng)）2022年年3月月17日星期四日星期四6 a: 簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng)（2）系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行能量交換情況系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行能量交換情況 b: 絕熱系統(tǒng)絕熱系統(tǒng) c: 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng) 系統(tǒng)與外界只交換熱量和一種形式的功。 系統(tǒng)與外界之間完全沒有熱量交換。 系統(tǒng)與外界之間既無物質(zhì)，又無能量交換。2022年年3月月17日星期四日星期四7 本課程討論的大部分系統(tǒng)為簡單可壓縮系統(tǒng) 分析2022年年3月月17日星期四日星期四8思考題分析下面的說法是否正確1. 閉口系統(tǒng)具有恒定的質(zhì)量，但具有恒定質(zhì)量

4、的系統(tǒng) 不一定就是閉口系統(tǒng)。2. 孤立系統(tǒng)一定是閉口的，反之則不然。3. 開口系統(tǒng)不可能是絕熱系統(tǒng)。4. 孤立系統(tǒng)一定是絕熱系統(tǒng)，但絕熱系統(tǒng)不一定都是孤立的。5. 孤立系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)不能發(fā)生變化。 答案:1對；2對；3對；4對；5錯2022年年3月月17日星期四日星期四91-2 平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) 1-2-1 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài) 1. 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài) 工質(zhì)在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現(xiàn)的 宏觀物理狀況。 2. 狀態(tài)參數(shù) 描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量。 狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。 狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值只取決于給定的狀態(tài)， 與如何達(dá)到這一狀態(tài)的途徑無關(guān)。 系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)說

5、明2022年年3月月17日星期四日星期四10 1-2-2 平衡狀態(tài) 1. 平衡狀態(tài) 一個熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的 狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化的狀態(tài)。a：工質(zhì)的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化的狀態(tài)； b：只有平衡狀態(tài)，才能用確定的狀態(tài)參數(shù)描述 系統(tǒng)所處的狀態(tài)； c: 工程熱力學(xué)只研究平衡狀態(tài)。說明2022年年3月月17日星期四日星期四11（2）力平衡： 組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有相對位移。 條件：是否存在壓力差是判斷系統(tǒng)處于力平衡的條件。（3）化學(xué)平衡： 化學(xué)反應(yīng)宏觀上停止。 條件：反應(yīng)物和生成物的化學(xué)位相等是實(shí)現(xiàn)化學(xué)平衡 的充要條件。（1）熱平衡： 組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量傳

6、遞。 條件：是否存在溫度差是判斷系統(tǒng)處于熱平衡的條件。 2. 充要條件（4）相平衡2022年年3月月17日星期四日星期四12 不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，在沒有外界條件的影響下，總會自發(fā) 地趨于平衡狀態(tài)。 只有在系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)與外界之間一切不平衡的勢差都 消失時，系統(tǒng)的一切宏觀變化才可停止，熱力系統(tǒng)所處的 狀態(tài)為平衡狀態(tài)。 3. 結(jié)論 思考兩個不同概念：“平衡”和“均勻”兩個不同概念：“平衡”和“穩(wěn)定”2022年年3月月17日星期四日星期四13 1-2-3 基本狀態(tài)參數(shù) 1. 溫度（1）溫度的含義（2）熱力學(xué)第零定律 如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于 熱平衡，則它們彼此也處于熱平衡。（3）溫

7、標(biāo) 溫度的數(shù)值表示法。第三個物體可用作溫度計 是標(biāo)志物體冷熱程度的參數(shù)。 微觀上，溫度標(biāo)志著物質(zhì)分子熱運(yùn)動的激烈程度。 是衡量系統(tǒng)是否處于熱平衡的狀態(tài)參數(shù)。2022年年3月月17日星期四日星期四14 熱力學(xué)溫標(biāo) 熱力學(xué)攝氏溫標(biāo) 定義： t = T 273.15 思考 攝氏溫度0 = 熱力學(xué)溫度273.15K 。 水的三相點(diǎn)溫度 t = 0.01。 K= 水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16 熱力學(xué)溫度：符號：T，單位：K。 基準(zhǔn)點(diǎn)：取水的三相點(diǎn)（純水固、液、氣三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)）為基準(zhǔn)點(diǎn)。 基準(zhǔn)點(diǎn)溫度：273.16 K。 最低的溫度值接近絕對 0K。2022年年3月月17日星期四日星期四15 2

8、. 壓力 （1）壓力 單位面積上所受的垂直作用力，用 p 表示。 分子運(yùn)動論：氣體的壓力是大量氣體分子與容器壁面 碰撞作用力的統(tǒng)計平均值。（2）單位 大氣壓的倍數(shù)表示，atm, at 液柱的高度表示，mH2O, mmHg 國際單位制單位面積上所受的力表示， Pa, kPa 例如一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：mmHgPapHOmHPapHgHgHOHOH76081. 9106 .1310013. 11081. 9100010013.年3月月17日星期四日星期四16（3）絕對壓力，表壓力和真空度 絕對壓力 是以絕對真空為基準(zhǔn)計量得到的壓力。 是工質(zhì)的真實(shí)壓力。 表壓力 是以大氣壓為基準(zhǔn)

9、測量得到的壓力，用 Pe 表示。 真空度 是以大氣壓為基準(zhǔn) 測量得到的壓力， 用 Pv 表示。2022年年3月月17日星期四日星期四17 當(dāng) p pb 時 p = pb + pe 當(dāng) p pb 時 p = pb - pv（4）常用壓力計 U 形管壓力計，彈簧管式壓力計，斜管微壓計等。2022年年3月月17日星期四日星期四18 3. 比體積及密度（1）比體積 單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積， 單位 m3/kg，用 v 表示。（2）密度 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。用 表示。1vkgmmVv/3 在熱力學(xué)中，常用比體積作為狀態(tài)參數(shù)。2022年年3月月17日星期四日星期四19 1-2-4 強(qiáng)度量和廣延量1. 強(qiáng)度

10、量 與系統(tǒng)的質(zhì)量無關(guān)的物理量。如：溫度，壓力。2. 廣延量 與系統(tǒng)的質(zhì)量呈正比，具有可加性的物理量。 如：體積，熱力學(xué)能，焓，熵。說明廣延量的比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)，不具有可加性。如：比體積，比熱力學(xué)能，比焓，比熵。2022年年3月月17日星期四日星期四20分析下面的說法是否正確1. 平衡狀態(tài)的系統(tǒng)不一定是均勻的，均勻系統(tǒng)則一定處于 平衡狀態(tài)。2. 攝氏溫度的零點(diǎn)相當(dāng)于熱力學(xué)溫度的273.15K。3. 考察熱力系統(tǒng)兩個狀態(tài)間的溫度差，不論采用熱力學(xué)溫標(biāo)， 還是采用攝氏溫標(biāo)，T=t。4. 只有絕對壓力才能表示工質(zhì)所處的狀態(tài)， 才是狀態(tài)參數(shù)。5. 若容器中氣體的壓力沒有改變，則安裝在該容器上壓力表

11、 的讀數(shù)也不會改變。2022年年3月月17日星期四日星期四211-3 狀態(tài)方程式與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 例如工質(zhì)處于某一平衡狀態(tài)時： p = f ( v, T )，v = f ( p, T )， T = f ( v, p ) 或 F ( p, v, T) = 0 1-3-1 狀態(tài)方程式 表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式。F ( p, v, T ) = 0對于簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，便可確定它的平衡狀態(tài)。狀態(tài)公理 例如理想氣體的狀態(tài)方程式： pV = m Rg T 2022年年3月月17日星期四日星期四22 1-3-2 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 由熱力系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖。pvp1v1v2p

12、2120 p - v 圖 常用坐標(biāo)圖： 壓容圖（p-v圖），溫熵圖（T-s圖），壓焓圖（p-h圖）2022年年3月月17日星期四日星期四23思考題分析下面的說法是否正確1. 狀態(tài)方程式中的壓力是絕對壓力，不能是表壓力。2. 只有平衡狀態(tài)，才能在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上用一個對應(yīng)點(diǎn) 來表示。3. 非平衡狀態(tài)，因為沒有確定的狀態(tài)參數(shù)，無法在狀態(tài)參數(shù) 坐標(biāo)圖中表示。2022年年3月月17日星期四日星期四241-4 準(zhǔn)平衡過程和可逆過程 熱力過程 系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達(dá)另一個狀態(tài)的變化過程。 平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)變化過程 熱力學(xué)中兩個理想化過程模型 準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程） 可逆過程 對實(shí)際過程 簡化的思想2022

13、年年3月月17日星期四日星期四25 1-4-1 準(zhǔn)平衡過程 1. 準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程） 假設(shè)過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限接近于 平衡狀態(tài)的過程。 2. 舉例分析 觀察由于力的不平衡而進(jìn)行的氣體膨脹過程。 假設(shè)：汽缸中有 1kg 的氣體， 其參數(shù)為 p1, v1. T1 選?。浩變?nèi)氣體為熱力系統(tǒng)2022年年3月月17日星期四日星期四26 力不平衡引起的 氣體膨脹過程 若 p1A = pext1 A + F 狀態(tài)：初始平衡狀態(tài)1 當(dāng) p2A = pext2 A + F 狀態(tài)：新的平衡狀態(tài)2若過程進(jìn)行的無限慢？ 突然減小 pext1 pext2 則 p1A pext 2 A + F 活塞

14、右行 中間狀態(tài)：不平衡狀態(tài) 中間過程：不平衡過程2022年年3月月17日星期四日星期四27 3. 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件 ： 推動過程進(jìn)行的勢差（溫差，壓差）無限小，保證系統(tǒng)在任意時刻皆無限接近于平衡狀態(tài)。 4. 特點(diǎn)： 是實(shí)際過程進(jìn)行的無限緩慢的極限情況， 是熱力學(xué)意義上的緩慢。 5. 好處： （1）可用確定的狀態(tài)參數(shù)描述過程。 （2）可在參數(shù)坐標(biāo)圖上用一條連續(xù)實(shí)線表示過程。 馳豫時間（relaxation time） 當(dāng)工質(zhì)在平衡被破壞后， 自動恢復(fù)到平衡所需時間。2022年年3月月17日星期四日星期四28 1-4-2 可逆過程 1. 可逆過程 當(dāng)熱力系統(tǒng)完成某一過程后，如果全過程沿相同的路

15、徑 逆行，能使過程中所涉及的一切（系統(tǒng)，環(huán)境）都恢復(fù)到 原來的狀態(tài)而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。 2. 實(shí)現(xiàn)條件 可逆過程是無耗散的準(zhǔn)平衡過程。F=0 耗散效應(yīng) 通過摩擦，粘性擾動，溫差傳熱， 混合，擴(kuò)散，燃燒等消耗功或潛在作 功能力的損失的效應(yīng)。2022年年3月月17日星期四日星期四29 3. 可逆過程與準(zhǔn)平衡過程的關(guān)系 準(zhǔn)平衡過程 只著眼于系統(tǒng)內(nèi)部的平衡。 過程中是否存在機(jī)械摩擦（耗散）對系統(tǒng)內(nèi)部的平衡 并無影響。 可逆過程 分析系統(tǒng)與外界作用所產(chǎn)生的總效果。 不僅強(qiáng)調(diào)工質(zhì)內(nèi)部的平衡，而且要求系統(tǒng)與外界的 作用可以無條件地逆復(fù)，過程進(jìn)行時不存在任何形 式的能量耗散。 可逆過程是

16、一切熱力設(shè)備工作過程力求接近的目標(biāo)。兩過程的著眼點(diǎn)不同。區(qū)別2022年年3月月17日星期四日星期四30思考題分析下面的說法是否正確1. 不平衡過程，一定是不可逆過程。2. 不可逆過程就是指工質(zhì)不能恢復(fù)到原來狀態(tài)的過程。3. 一個可逆過程必須同時也是一個準(zhǔn)平衡過程，但準(zhǔn)平衡 過程不一定是可逆過程。4. 實(shí)際熱力過程都是不可逆過程。2022年年3月月17日星期四日星期四31 1-5 過程功和過程熱量 1-5-1 功（1）力學(xué)中功的定義 力和沿力的方向位移的乘積。（2）熱力學(xué)中功的定義 在熱力過程中，如果系統(tǒng)與外界相互作用而傳遞 能量，若其全部效果可表現(xiàn)為使外界物體 改變宏觀 運(yùn)動狀態(tài)，則這種傳遞的能量為功。 1. 功的定義21dxFWdxFW2022年年3月月17日星期四日星期四32 分析汽缸中某一準(zhǔn)平衡過程，工質(zhì)膨脹對活塞作功為JpdVW21 比膨脹功 ：單位質(zhì)量工質(zhì)所作的膨脹功 。kgJp