工程熱力學(xué)基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程1-2熱力系統(tǒng)1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4平衡狀態(tài)1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)1一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)

定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。分類共同本質(zhì)：由媒介物通過(guò)吸熱—膨脹作功—排熱

氣體動(dòng)力裝置(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(jī)(internalcombustiongasengine)

燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jetpowerplant)……

蒸氣動(dòng)力裝置(steampowerplant)1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程2熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過(guò)程熱能機(jī)械能(轉(zhuǎn)換裝置)熱機(jī)3蒸汽機(jī)示意圖汽缸活塞曲柄連桿鍋爐冷凝器曲軸箱泵4蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖5原子能蒸汽動(dòng)力裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖反應(yīng)堆(濃縮鈾)換熱器泵冷凝器發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)泵載熱質(zhì)(重水、堿性金屬蒸汽)冷卻水6

內(nèi)燃機(jī)的工作原理圖活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)氣缸7廢氣燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)空氣壓氣機(jī)燃料泵燃料燃?xì)廨啓C(jī)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖8壓縮制冷裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖冷藏室壓縮機(jī)膨脹機(jī)冷卻器高壓蒸氣冷卻介質(zhì)高壓液體低壓氣液混合物低壓蒸氣9各種熱工裝置的熱力學(xué)共性內(nèi)容歸納吸熱－膨脹（壓縮）作功—排熱

內(nèi)燃機(jī)裝置

燃?xì)廨啓C(jī)裝置

蒸汽動(dòng)力裝置

裝置名稱工作物質(zhì)熱源冷源功水蒸汽

高溫物體

冷卻水

對(duì)外輸出功燃?xì)?/p>

燃燒產(chǎn)物(自身)

大氣

對(duì)外輸出功燃?xì)?/p>

燃燒產(chǎn)物(自身)

大氣

對(duì)外輸出功壓縮制冷裝置

制冷劑被冷卻物體

大氣

消耗功10二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對(duì)工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動(dòng)性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對(duì)環(huán)境友善

6）價(jià)廉，易大量獲取11三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。?高溫?zé)嵩础獰嵩?/p>

（

heatsource）低溫?zé)嵩础湓矗╤eatsink）?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)變溫?zé)嵩?21-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）外界和邊界?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?外界(surrounding)：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義131）系統(tǒng)與外界的人為性2）外界與環(huán)境介質(zhì)3）邊界可以是：a）剛性的或可變形的或有彈性的b）固定的或可移動(dòng)的c）實(shí)際的或虛擬的注意：14系統(tǒng)邊界熱力系、界面、外界例Ⅳ?固定、剛性、實(shí)際邊界二、系統(tǒng)及邊界示例15系統(tǒng)邊界外界外界?虛擬邊界16系統(tǒng)邊界?虛擬、可變形邊界17系統(tǒng)系統(tǒng)邊界18系統(tǒng)系統(tǒng)邊界19系統(tǒng)系統(tǒng)邊界20邊界熱源外界外界熱力系統(tǒng)?可移動(dòng)邊界21邊界熱源外界外界熱力系統(tǒng)22邊界熱源外界外界熱力系統(tǒng)23邊界熱源外界外界熱力系統(tǒng)24邊界熱源外界外界熱力系統(tǒng)25三、熱力系統(tǒng)分類

按組元數(shù)

單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem)按相數(shù)單相系(homogeneoussystem)復(fù)相系(heterogeneoussystem)注意：1）不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；2）復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)。

1.按組元和相26

閉口系（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）—沒(méi)有質(zhì)量越過(guò)邊界

開(kāi)口系（opensystem）

（控制體積CV）—通過(guò)邊界與外界有質(zhì)量交換2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換27

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；2）開(kāi)口系與絕熱系的關(guān)系；3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：3.按能量交換281234mQW1開(kāi)口系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2閉口系1+2+3絕熱閉口系1+2+3+4孤立系29兩個(gè)小問(wèn)題？1)邊界就是將系統(tǒng)與外界分隔開(kāi)的固定界面。2)如果系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量保持恒定不變，則該系統(tǒng)必定是閉口系統(tǒng)。

30四、熱力系示例剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲

紅線內(nèi)——閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系藍(lán)線內(nèi)——孤立系31閉口系閉口熱力系舉例32開(kāi)口系開(kāi)口舉例熱力系（放氣）33管道開(kāi)口舉例熱力系（管道）34開(kāi)口系續(xù)1535開(kāi)口系（鍋爐示意圖）來(lái)自水泵過(guò)熱器爐墻蒸發(fā)管去汽輪機(jī)開(kāi)口舉例熱力系（鍋爐示意圖）36鍋爐的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)熱量（熱源）（高溫蒸汽）物質(zhì)鍋爐給水物質(zhì)37開(kāi)口系汽輪機(jī)去凝汽器調(diào)速器來(lái)自鍋爐噴管葉片汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)開(kāi)口熱力系汽輪機(jī)示意圖38軸功（水蒸汽）物質(zhì)汽輪機(jī)的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)（水蒸汽）物質(zhì)39來(lái)自汽輪機(jī)的水蒸汽去水泵的凝結(jié)水冷卻水冷卻水開(kāi)口系（冷凝器）40(凝結(jié)水）

物質(zhì)蒸汽放熱給冷卻水熱力系統(tǒng)（水蒸汽）物質(zhì)冷凝器的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型4142開(kāi)口熱力系（水泵示意圖）電動(dòng)機(jī)鍋爐給水來(lái)自冷凝器的水水泵開(kāi)口系（水泵示意圖）43（鍋爐給水）物質(zhì)水泵的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)（凝結(jié)水）物質(zhì)功44蒸汽動(dòng)力裝置流程簡(jiǎn)圖蒸汽動(dòng)力裝置流程簡(jiǎn)圖45冷卻水帶走熱量（工質(zhì)放熱量）向外輸出功（汽輪機(jī)）（水泵耗功）（工質(zhì)吸熱量）蒸汽動(dòng)力裝置的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)向系統(tǒng)輸入功熱源供熱蒸汽動(dòng)力裝置的簡(jiǎn)化熱力學(xué)分析模型461-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—工質(zhì)某一瞬間宏觀物理狀況的綜合

狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

1．狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類472．狀態(tài)的單值函數(shù)。物理上—與過(guò)程無(wú)關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分。3．狀態(tài)參數(shù)分類

廣延量（extensiveproperty）

強(qiáng)度量（intensiveproperty

）

又：廣延量的比參數(shù)具有強(qiáng)度量特性，如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫(xiě)字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。48三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件

系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀態(tài)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)相等簡(jiǎn)單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：

兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等49四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemperaturescale）

溫度的定義：測(cè)溫的基礎(chǔ)—熱力學(xué)零定律(zerothlawofthermodynamics)熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale)50熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler－1931）

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。51

根據(jù)熱力學(xué)第零，系統(tǒng)必定存在一個(gè)共同的，表征系統(tǒng)微觀熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及宏觀熱平衡性質(zhì)的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)就成為溫度。

溫度計(jì)測(cè)溫原理：根據(jù)熱平衡的概念，只要溫度計(jì)與被測(cè)溫度處于熱平衡，就可按溫度計(jì)中測(cè)溫物質(zhì)的平衡溫度來(lái)表示被測(cè)物體的溫度。52常用的溫標(biāo)：①攝氏溫標(biāo)t-℃基準(zhǔn)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下純水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)溫度為基準(zhǔn)點(diǎn)，規(guī)定冰點(diǎn)溫度為0℃。沸點(diǎn)溫度為100℃。分度方法：認(rèn)定測(cè)溫物質(zhì)的測(cè)溫屬性隨溫度的變化是線性的。0℃與100℃這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間分成100等分，每一等分為1度。②熱力學(xué)溫標(biāo)Ｔ-Ｋ基準(zhǔn)點(diǎn)：純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)(三相點(diǎn))為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定它的溫度為273.16K。熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之間的關(guān)系：t=T-273.1553華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+3254五、壓力(pressure)絕對(duì)壓力p(absolutepressure)表壓力pe(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)55常用壓力單位：例A400144156六、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量?jī)烧哧P(guān)系:571-4平衡狀態(tài)1．定義：無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)?熱平衡（thermalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡（mechanicalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）58討論：平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定59討論：平衡與均勻平衡：時(shí)間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的60*二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）n—系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)目；f—系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。簡(jiǎn)單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式61三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程（puresubstancestateequation）狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）Rg—?dú)怏w常數(shù)（gasconstant）R—通用氣體常數(shù)（universal(molargasconstant)摩爾質(zhì)量62２．實(shí)際氣體(realgas;imperfectgas)的狀態(tài)方程范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）R-K方程（a,b為物性常數(shù)）63BWR方程維里型方程64四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordinates）

一簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO651工質(zhì)狀態(tài)的連續(xù)變化稱為工質(zhì)經(jīng)歷了一個(gè)熱力過(guò)程簡(jiǎn)稱過(guò)程。12pv21-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程66一、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

定義：偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過(guò)程。進(jìn)行條件：

破壞平衡的勢(shì)—

過(guò)程進(jìn)行無(wú)限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無(wú)窮小67二、可逆過(guò)程(reversibleprocess)定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程后，如令過(guò)程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡，則此過(guò)程稱為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系:可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)平衡過(guò)程，而準(zhǔn)平衡過(guò)程未必是可逆過(guò)程。可逆過(guò)程特征：首先是準(zhǔn)平衡過(guò)程，同時(shí)在過(guò)程中沒(méi)有任何耗散效應(yīng)。68氣缸活塞飛輪熱源左止點(diǎn)1pv可逆過(guò)程示意圖可逆過(guò)程模擬69氣缸活塞飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)4170氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)4171氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)4172氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)4173氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)4174氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)4175氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)4176氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)4177氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4178氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4179氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4180氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4181氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4182氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4183氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4184氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4185氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4186氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4187氣缸活塞飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)4188非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(nonequilibriumprocess)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆●作功過(guò)程pFfpb891.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果3.一切實(shí)際過(guò)程不可逆4.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示

討論：90典型的不可逆過(guò)程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q自由膨脹真空?????????????????91典型的不可逆過(guò)程節(jié)流過(guò)程(閥門）p1p2p1>p2混合過(guò)程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★92小問(wèn)題？有人說(shuō)，不可逆過(guò)程是無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？不對(duì)。關(guān)鍵看是否引起外界變化。可逆過(guò)程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到初態(tài)。93思考題：容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過(guò)程性質(zhì)。逐個(gè)抽去隔板，又如何？94一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功

1．功的力學(xué)定義

2．功的熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的能量,其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過(guò)程功的計(jì)算▲功是過(guò)程量▲功可以用p-v圖上過(guò)程線與v軸包圍的面積表示1-6功和熱量95

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”

外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號(hào)約定：6．體積變化功：膨脹功和壓縮功都是通過(guò)工質(zhì)體積的變化而與外界交換的功。967．討論有用功(usefulwork)概念其中:W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wr＿排斥大氣功。pbf若則有97二、廣義功(generalizedwork)簡(jiǎn)介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等98三、熱量（heat）1．定義：僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。2．符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過(guò)程量（T-s圖上）表示99四、熱量與功的異同：

1.均為通過(guò)邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積