工程熱力學：第二三次課-基本概念

1、Engineering Thermodynamics 工 程 熱 力 學 0.2 課程特點2考核方式考核方式平時成績10遲交作業(yè)一次扣5分期末考試 90 缺課一次扣5分 3問題1。 海洋蘊藏巨大能量，可否作為能源?4。熱機運行一般包括哪幾大部件？5。外燃機與內燃機的主要區(qū)別是什么 ？3。 從工程應用角度看，熱力學有幾大定律？2。工程熱力學研究方法屬宏觀法還是微觀法?Basic Conceptions第一章 基本概念5第一章 基本概念及定義1-2. 熱力系統(tǒng)1-3. 工質的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4. 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式和坐標圖1-5. 工質的狀態(tài)變化過程1-7. 熱力循環(huán)1-6. 熱量

2、和功1-1. 研究對象的模型化61-1. 研究對象的模型化模型： 根據(jù)需要，對研究的對象合理近似或抽象。模型化是科學研究的第一步也是最重要的一步7系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)，thermodynamic system, system ）外界（環(huán)境，surrounding ）邊界（ boundary ）系統(tǒng)與外界的分界域人為分離出來，作為研究對象的有限物質系統(tǒng)。系統(tǒng)之外的一切物質系統(tǒng)邊界外界1-2.熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）8外界實際指對系統(tǒng)有顯著影響的物質系統(tǒng)系統(tǒng)、外界、邊界的說明取氣體包括重力場為系統(tǒng) 系統(tǒng)為有限物質限制了將宏觀世界得到的結論隨意推廣到宇觀世界。取氣體不包括重力場為系統(tǒng)實體物質蒸汽：幾

3、何區(qū)域場取蒸汽通過的幾何區(qū)域為系統(tǒng)系統(tǒng) 9系統(tǒng)、外界、邊界的說明取氣體不包括重力場為系統(tǒng)的邊界 系統(tǒng)只能通過邊界與外界發(fā)生相互作用。取氣體包括重力場為系統(tǒng)的邊界幾何面幾何體邊界熱力學中系統(tǒng)與外界的相互作用包括交換質量和交換能量兩種形式10系統(tǒng)、外界、邊界的說明渦輪蒸汽：虛擬變形虛擬固定剛性移動剛性固定邊界可以剛性或變形固定或移動實際或虛擬 11閉口系（控制質量, closed system）1-2. 熱力系統(tǒng)開口系（控制體積, open system） 與外界無質量交換閉口系： 無質量交換可能量交換開口系： 與外界有質量交換（不是質量變化）12孤立系（isolated system）1-2.熱

4、力系統(tǒng) 與外界既質量交換也無能量交換 無質量、能量交換孤立系：孤立系：開口系：外界 無質量、能量交換系統(tǒng)與外界構成孤立系無熱量交換絕熱系絕熱系：可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)均勻系統(tǒng)非均勻系統(tǒng)單元系統(tǒng)多元系統(tǒng)單相系復相系熱力系統(tǒng)內部狀況的分類 1剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側設有電熱絲 紅線內閉口絕熱系黃線內不包含電熱絲閉口系黃線內包含電熱絲閉口絕熱系蘭線內孤立系熱力系示例開口系?剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)開口絕熱系?開口系統(tǒng)與外界有物質交換，而物質與能量又不可分割，所以開口系統(tǒng)一定不是絕熱系，這種觀點對否？16微觀態(tài)：系統(tǒng)由大量（N個）作不規(guī)則熱運動粒子構成，6 N個粒子的位置與速度坐標構

5、成系統(tǒng)的微觀狀態(tài)量。微觀狀態(tài)量確定的狀態(tài)稱系統(tǒng)的微觀態(tài)。狀態(tài)：由狀態(tài)量取確定值描述的系統(tǒng)宏觀狀況狀態(tài)量（狀態(tài)參數(shù)）：描述系統(tǒng)宏觀特征的可測（直接或間接）物理量（密度、壓力、溫度、體積、能量等）。狀態(tài)是狀態(tài)參數(shù)的單值函數(shù)，與達到狀態(tài)路徑無關1-3. 工質的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)17狀態(tài)與達到狀態(tài)路徑無關狀態(tài)1=狀態(tài)2=狀態(tài)3秋天夏天冬天溫度 T（Temperature）六個主要狀態(tài)參數(shù)焓 H（Enthalpy）比體積 v（Specific volum）壓力 p（Pressure）內能 U（Internal energy）熵 S（Entropy）基本狀態(tài)參數(shù)：可直接測量，使用最多強度量廣延量基

6、本狀態(tài)參數(shù)密度強度量與物質的量無關的參數(shù)強度量：均勻非均勻 無可加性點的強度量為宏觀無限小微觀無窮大體積內微觀粒子的統(tǒng)計平均量。宏觀上系統(tǒng)可視為無窮多點連續(xù)分布組成的連續(xù)介質。連續(xù)介質模型均勻系非均勻廣延量與物質的量有關的參數(shù)，有可加性定義比參數(shù)比參數(shù)是強度量溫度的衡量標準如何去測量溫度？經(jīng)驗溫標測溫物質 （水銀）水冰點測溫變量 （液柱高 z）測溫函數(shù) （線性）-273.15 0Celsius: 0100 水銀溫度計的標定：沸點測溫基準點沸點100冰點依賴測溫物質溫標溫度數(shù)值化的標準人為規(guī)定數(shù)值經(jīng)驗溫標的要素：測溫物質 （水銀，鉑電阻）測溫基準點（冰點、沸點、三相點）測溫變量 （液柱高，阻值）

7、測溫函數(shù) （線性、非線性）人為規(guī)定理想氣體溫標測溫物質 （氫氣或氦)水三相點測溫變量 （p）測溫函數(shù) （線性）273.16K定容溫度計的標定：測溫基準點溫泡三相點溫度的選擇p攝氏溫標理想氣體溫標水冰點沸點0K273.16K三相點取由取攝氏理想熱力學（絕對）溫標（ K ）R：可逆卡諾熱機；Q0、Q 為 R 工作過程中與 T熱、T0 交換的熱量；T熱、T0 ：兩個熱源溫度熱力學溫標不依賴測溫物質，恒大于零，但無法實施，可證明在理想氣體測溫范圍內兩者一致RR國際實用溫標（）絕對K攝氏 100373.150.01273.160273.15-273.15冰點沸點規(guī)定攝氏溫標 國際實用溫標規(guī)定用氣體溫計測

8、出一系列固定平衡點（如金凝固點），在這些點之間用規(guī)定的基準儀器和相應的內插和外推公式測溫使之盡可能接近熱力學溫標。華氏溫標和朗肯溫標（自學）三相點線性溫標的換算要點：測溫變量相同任意點與固定點測溫變量溫標1任意點與固定點讀數(shù)溫標2任意點與固定點讀數(shù)29華氏溫標和朗肯溫標華氏溫標和攝氏溫標T R=t +459.67t =5/9t -32t =9/5t +32各種溫標轉換熱力學溫標t =T-273.15壓力的測量與力平衡液體密度假定常量氣壓假定不隨高度變表壓力表壓力力平衡態(tài)絕對壓力環(huán)境壓力環(huán)境壓力壓力即為物理學的壓強壓力 (pressure)環(huán)境壓力（surround absolute press

9、ure)絕對壓力 (absolute pressure)表壓力 (gauge pressure)真空度（ vacuum pressure)表壓力 ,真空度為壓力計讀數(shù)均為正數(shù)環(huán)境壓力常為大氣壓（隨時間、地點變化。）壓力 的單位常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 kPa = 103 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 at =10 mH2o = 9.80665104 Pa 1psi = 6895Pa=0.06895bar物理中壓力單位: Pa , N/m2環(huán)境壓力不一定為大氣壓加壓壓力罐壓力室壓力表作業(yè)習題 p32 11

10、，15 ，16 ，19思考題 P30 11，12, 141-4. 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式和坐標圖平衡狀態(tài)（Equilibrium state）:不受外界影響系統(tǒng)狀態(tài)不隨時間變化的狀態(tài). 外界影響指作功、傳熱、傳質熱力學平衡力平衡熱平衡相平衡化學平衡平衡均勻平衡非均勻 沒有任何一種不平衡勢差 當外界影響停止系統(tǒng)最終將趨于平衡態(tài)弛豫時間:非平衡態(tài)到平衡態(tài)的時間弛豫時間隨壓力波速與溫度擴散速度增大而減小,與工質物性物性相關非平衡平衡弛豫時間狀態(tài)量不隨時間變化是否一定為平衡態(tài)? 穩(wěn)態(tài)(定常態(tài))熱力系各處狀態(tài)量不隨時間變化定常非平衡態(tài)透熱璧270C恒溫熱源絕熱璧環(huán)境溫度 有外界影響時熱力系各處狀態(tài)量仍可不

11、隨時間變化，但一般情況下狀態(tài)量分布不均勻非平衡態(tài)如何定義狀態(tài)量非平衡態(tài)強度狀態(tài)量假定 t 時刻將M點的微元邊界內物質與周圍隔離經(jīng)馳豫時間后微元處于平衡態(tài)，稱為局部平衡狀態(tài)，測得此狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)定義為系統(tǒng)在M點 t 時刻的強度狀態(tài)函數(shù)：t 時刻系統(tǒng)此模型要求宏觀分析的最小時段遠大于微元的馳豫時間tttt+t狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)，平衡狀態(tài)下狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)之間的關系如:理想氣體的狀態(tài)方程狀態(tài)方程的具體形式取決于工質的性質液-氣氣固-液固-氣固液三相線等壓線等溫線(臨界)狀態(tài)方程的圖形為什么引入平衡概念？如果系統(tǒng)平衡，狀態(tài)量與時間和空間無關(單相)熱力學定律的初終態(tài)為平衡態(tài)狀態(tài)參數(shù)在平衡態(tài)（

12、或局部平衡態(tài)）定義狀態(tài)方程在平衡態(tài)成立外界影響小時平衡態(tài)近似成立經(jīng)典熱力學主要研究平衡態(tài)下規(guī)律平衡態(tài)是一種模型過程：狀態(tài)的變化1-5. 工質的狀態(tài)變化過程T2V1初態(tài)終態(tài)路徑非平衡態(tài)必須打破平衡才能與外界作用平衡態(tài)1平衡態(tài)2路徑：過程中系統(tǒng)經(jīng)歷的一系列狀態(tài)T2V1初態(tài)終態(tài)路徑非平衡態(tài)必須打破平衡才能與外界作用平衡態(tài)1平衡態(tài)2準靜態(tài)模型的引入一般來說，路徑是非平衡的，不便分析，有必要引入準靜態(tài)過程模型(簡稱準靜態(tài)模型)p2V1準靜態(tài)過程:假定為過程中隨時無限接近于平衡態(tài)的過程準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程的特點過程進行非常慢，系統(tǒng)內部和系統(tǒng)內外的不平衡勢差無限小過程中任何時刻的狀態(tài)可看成時平衡態(tài),系統(tǒng)狀態(tài)

13、參數(shù)分布均勻。實際過程當溫度擴散速度和壓力傳播度很快使破壞平衡所需時間遠大于馳豫時間，可認為是準靜態(tài)過程（如內燃機氣缸）, 但很多情況只是一種研究模型。過程進行慢并非一定是準靜態(tài)過程（自由膨脹）不平衡勢差指引起不平衡的因素（溫差壓差等）絕熱自由膨脹過程初態(tài)若分多步完成是否為準靜態(tài)過程？真空氣體隔板終態(tài)p12V實際過程不可逆OKNO!溫差傳熱自由膨脹受控膨脹彈簧力改變原外界可恢復原態(tài)OK冷改變原外界也稱在外界留下變化（痕跡）要實現(xiàn)可逆，系統(tǒng)和外界在正向每一微小過程中輸出（輸入）的能量必須等于反向過程中輸入（輸出）的能量不可逆原因何在由于存在不平衡勢差，系統(tǒng)輸出的能量大于外界得到的能量，要復原必須

14、另加能量彈簧力摩擦力由于摩擦,反向時外界需要輸出更大能量無不平衡勢差正反可逆過程的能量交換可逆過程循環(huán):可逆過程的正反過程構成的循環(huán)正過程反過程功=熱=可逆模型的引入如果沒有不平衡勢差和摩擦,系統(tǒng)與外界能同時沿原路徑恢復到初始狀態(tài)，而不留下變化可逆過程可逆過程外界得到的功大于不可逆過程物理上無限小勢差理論上可逆過程是最優(yōu)過程不可逆可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程 + 無耗散效應= 可逆過程無不平衡勢差由摩擦,電阻，非彈性變性，磁阻等引起的功變熱效應耗散性耗散效應不可逆性不平衡性 如何實現(xiàn)無溫差傳熱引入可逆過程的意義 準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程不僅分析簡便，而且是最優(yōu)理想

15、化過程 實際過程是不可逆過程，但為了研究方 便，先按理想情況（可逆過程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。 熱量(heat) ：是熱力過程中由于溫差通過邊界傳遞的能量。絕熱方法：絕熱材料消除溫差過程量1-6. 熱量和功時段 t2- t1傳遞能動勢能、內能是儲存能（狀態(tài)量）食物含有100焦耳熱量吸熱為正功是什么功是熱力過程中不是由溫差,系統(tǒng)與外界通過邊界傳遞的能量功是力乘在力方向上的位移功的符號：系統(tǒng)對外作功為正。功是通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。熱力學定義 ： 力學定義： 理想能量轉換及機械傳動裝置熱不能完全轉換成機械功廣義力廣義位移 線 線 線功和熱量

16、的異同熱是溫差的驅動下物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量（無序）均為通過邊界傳遞的能量，為系統(tǒng)與外界共有的過程量功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量（有序）功全變熱熱不可全變功熱機57狀態(tài)公理n 容積變化功、表面張力功等平衡狀態(tài)下，在無化學變化時，質量一定的系統(tǒng)獨立強度狀態(tài)量數(shù)目N 等于各種可逆功(準靜態(tài)功)的方式數(shù)目n 加以1簡單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2簡單可壓縮系統(tǒng)（simple compressible system） 無化學反應、電、磁，重力，運動以及表面張力等效應的可壓縮物質。狀態(tài)量與過程量的數(shù)學特性點函數(shù)二元函數(shù) 態(tài)函數(shù)狀態(tài)量全微分yx12熱力學

17、坐標 要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構成循環(huán)定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化后，又回到原初始狀態(tài)的一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：循環(huán)可逆循環(huán)1-7. 熱力循環(huán)內部可逆循環(huán)全可逆循環(huán) 1(2)如何確定系統(tǒng)熱源？實際熱源邊界熱源T系統(tǒng)邊界熱源v對復合系統(tǒng)不可逆循環(huán)取實際熱源溫度 對復合系統(tǒng)可逆循環(huán)取邊界熱源溫度 邊界熱源(也稱多熱源)是與系統(tǒng)溫度相差無限小（計算取Tr=T）的假想變溫熱源.它與系統(tǒng)構成內部可逆系統(tǒng)。鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器1234過熱器4321Ts12 汽輪機 s 膨脹34 給水泵 s 壓縮正循環(huán)23 凝汽器 p 放熱41 鍋爐 p 吸熱熱機T1T2Q1W高溫熱源低溫熱源吸熱排熱作凈功熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)：凈效應（吸熱、對外作功）動力循環(huán)：熱效率T1T2Q1W逆循環(huán)Ts12344123蒸發(fā)器冷凝器壓縮機節(jié)流閥冷藏室環(huán)境制冷機與熱泵冷藏室房間環(huán)境環(huán)境制冷機Q1WQ2WQ1Q2排熱輸入功輸入功熱泵供