工程熱力學(xué)(王修彥)課件

§1-4平衡狀態(tài)thermodynamic

equilibrium

state

1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

溫差

—熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

化學(xué)反應(yīng)—化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢2.平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化穩(wěn)定未必平衡穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定3.平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和性質(zhì)都相同。非均勻系：熱力系各部分的成分，狀態(tài)和性質(zhì)各不相同。即使熱力系各部分的成分相同，若狀態(tài)性質(zhì)不同，也算做非均勻系平衡可不均勻平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述4.狀態(tài)公理閉口系：不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種不平衡勢差

達到某一方面平衡

消除一種能量傳遞方式而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等5.狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n

+1=2絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)

N=?狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）BWR方程維里型方程可見，實際工質(zhì)的狀態(tài)方程是很復(fù)雜的6.坐標圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任一平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）不平衡態(tài)無法在圖上用點表示常見p-v圖和T-s圖工程熱力學(xué)只研究平衡態(tài)思考題閉口系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，保持質(zhì)量恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)保持質(zhì)量恒定的熱力系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)嗎？開口系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，物質(zhì)又和能量不可分割，所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱系統(tǒng)，對否，為什么？思考題當(dāng)?shù)卮髿鈮号c環(huán)境大氣壓的關(guān)系倘使容器中其它的壓力沒有改變，試問安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)會改變嗎？§1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程一般過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..1.準靜態(tài)過程（quasi-static

process）p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復(fù)新平衡

準靜態(tài)過程壓差0溫差0無限緩慢準靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛蹦Σ翐p失的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。2.可逆過程（reversible

process）定義：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程?？赡孢^程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)：

耗散效應(yīng)典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q自由膨脹真空?????????????????典型的不可逆過程節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★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，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實際過程不是可逆過程，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。還可以考慮如何消除不可逆因素，來接近可逆過程。完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆

外部可逆，內(nèi)部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆思考題判斷下列過程是否可逆1、定量氣體在氣缸中緩緩?fù)苿踊钊鰺o摩擦的絕熱膨脹。2活塞－氣缸中貯有水，緩緩對水加熱使之蒸發(fā)而推動活塞。思考題有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？不對。關(guān)鍵看是否引起外界變化。可逆過程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時恢復(fù)到初態(tài)?？赡孢^程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過程?！?-6過程功和熱量1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義

a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，此即為熱力系對外作功。

b、功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)對外界做功?。?，

外界對系統(tǒng)做功取—功W的單位：焦耳“J”1J＝1N·m比功w＝W/m1kg工質(zhì)完成的功單位：J/kg功率：單位時間內(nèi)完成的功單位瓦“W”1W=1J/s準靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A+fA如果

p外微小可視為準靜態(tài)過程dl以汽缸中工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W

=pA

dl=pdV1kg工質(zhì)w

=pdvdl很小，近似認為

p

不變準靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW準靜態(tài)過程容積變化功的說明pV.12.1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)功，是過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負）5）適于準靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別例題：

1kg某種氣態(tài)工質(zhì)，在可逆膨脹過程中分別遵循：（1）

（2）從初態(tài)1到達終態(tài)2

求：兩過程中各作功多少？（a，b為常數(shù)）解：（1）（2）功的表達式功的一般表達式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等廣義功固體中彈性力所做的功液體表面張力所做的功電極化功磁化功1、熱量定義：

熱力系通過邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量--heat熱量--heat

定義：僅僅由于溫差而

通過邊界傳遞的能量。符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”；

放熱“-”

Qmkg工質(zhì)交換的熱量。單位：

q1kg工質(zhì)交換的熱量。單位：J/kgkJ/kg熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志

dV,dv

dS

,ds公式條件準靜態(tài)或可逆可逆熱量與T-s圖熵（Entropy）的定義reversible熵的簡單引入比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵”廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

Q>0dS

>0系統(tǒng)放熱時為負

Q<0dS

<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量熱量與功的異同：

1.通過邊界傳遞的能量；

2.都是過程量；3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志;熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；4.功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的

能量；

熱是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。

5.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菬o條件的；熱轉(zhuǎn)化為功是有條件、限度的。

示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-7熱力循環(huán)thermodynamic

cycle要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)正循環(huán)（directcycle

）pVTS凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時針方向2112逆循環(huán)(reversecycle)

pVTS凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)：逆時針方向2112熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)（動力循環(huán)）：對外作功，吸熱WT1Q1Q2T2熱效率thermal

efficiency<1制冷系數(shù)coefficient

of

performancefor

the

refrigeration

cycle逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T21）制冷循環(huán)：制冷系數(shù)WT1Q1Q2T02）制熱循環(huán)（熱泵循環(huán)）：制熱系數(shù)、熱泵系數(shù)、供暖系數(shù)>1第一章小結(jié)基本概念：熱力系平衡、穩(wěn)定、均勻準靜態(tài)、可逆過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)功、熱量、熵

p-V圖、T-S圖循環(huán)、工作系數(shù)第一章討論課

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、絕功系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。1234mQW1

開口系非孤立系＋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孤立系例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱量：氣體通過活塞從外界吸熱Q(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對放逸氣體作功W’W’Q’熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q’(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W+W’熱量：Q+Q’WQW’Q’(4)以容器為系統(tǒng)開口系功量：W’熱量：Q’W’Q’(5)以氣缸為系統(tǒng)開口系功量：W+W’’熱量：Q+Q’’W’’Q’’WQ強度量與廣延量速度動能高度位能內(nèi)能溫度摩爾數(shù)（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）思考題物質(zhì)的溫度愈高，所具有的熱量愈多，對否？用攝氏溫度計和華氏溫度計測量同一物體的溫度，讀數(shù)相同，求物體的溫度？可逆過程與準靜態(tài)過程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過程一定是準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程不一定是可逆過程可逆過程＝準靜態(tài)過程＋無耗散判斷是否準靜態(tài)與可逆（1）以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱外部溫差傳熱準靜態(tài)過程系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無耗散內(nèi)可逆外不可逆判斷是否準靜態(tài)與可逆（2）帶活塞的氣缸中，水被緩慢加熱緩慢加熱，每一時刻水有確定的溫度準靜態(tài)加熱火與水有溫差外不可逆以水為系統(tǒng)內(nèi)可逆以水