工程熱力學(xué) 基本概念

工程熱力學(xué)基本概念第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1-1熱力系統(tǒng)人為分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間的分界面熱力系統(tǒng)以外的部分熱力系統(tǒng)（熱力系）外界界面（邊界）系統(tǒng)與外界通過邊界進(jìn)行相互作用第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力系的選取主要決定于研究任務(wù)。選取熱力系時(shí)注意：邊界可以是實(shí)際存在的，也可以是假想的。邊界可以是固定的，也可以是變動(dòng)的。熱力系可以很大，但不能大到無限。熱力系可以很小，但不能小到只包含少量分子，以致不能遵守統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律。第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)與外界通過邊界進(jìn)行相互作用。物質(zhì)交換能量交換熱量交換功量交換根據(jù)熱力系與外界的相互作用，熱力系分為：閉口系——和外界無物質(zhì)交換（控制質(zhì)量）開口系——和外界有物質(zhì)交換（控制容積、控制體）絕熱系——和外界無熱量交換孤立系——和外界無任何相互作用第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1234質(zhì)量熱量功量1

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孤立系例第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月判斷題1、系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系。2、孤立系一定是絕熱閉口系。3、絕熱閉口系一定是孤立系。XX√第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：工質(zhì)某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量基本狀態(tài)參數(shù)

可直接測量溫度、壓力、比體積、熱力學(xué)能、焓、熵?zé)崃W(xué)中常用的6個(gè)狀態(tài)參數(shù)：第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月一、溫度宏觀上：物體冷熱程度的標(biāo)志微觀上：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的標(biāo)志溫度計(jì)：測量溫度的儀器溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法攝氏溫標(biāo)符號(hào)：t單位：℃常用熱力學(xué)溫標(biāo)（又稱：絕對溫標(biāo)、開爾文溫標(biāo)）符號(hào)：T單位：K(開爾文)規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16KT=t+273.15溫度間隔相等二者無實(shí)質(zhì)差異，僅零點(diǎn)取值不同其他溫標(biāo)，參見習(xí)題1-1、1-2第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、壓力壓力（壓強(qiáng)）：單位面積上所受的垂直作用力壓力計(jì)：測量工質(zhì)壓力的儀器。常見的有U型管壓力計(jì)和彈簧管壓力計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm,1atm=101325Pa）巴（bar,1bar=105Pa）工程大氣壓（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)工程單位：帕斯卡(帕)Pa1Pa=1N/m2國際單位：單位變換參見表1-11kPa=103Pa1MPa=106Pa第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力計(jì)測壓元件處于某種環(huán)境壓力作用下，因此測得的壓力是真實(shí)壓力與環(huán)境壓力之差。絕對壓力p

——工質(zhì)的真實(shí)壓力表壓力pe

——pe=p-pb(p>pb)真空度pv

——

pv=pb-p(p<

pb)pbpeppvp第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝有壓力計(jì)，如圖所示，設(shè)大氣壓力為97kPa。若壓力表B、C的讀數(shù)分別為75kPa、0.11MPa，確定表A的讀數(shù)及兩部分氣體的絕對壓力。解：例第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月思考判斷題1、如果容器中氣體的壓力保持不變，那么壓力表的讀數(shù)一定也保持不變。2、作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的應(yīng)是絕對壓力，還是表壓力（或真空度）？注意：

只有絕對壓力

才是狀態(tài)參數(shù)。X3、爐膛處于“負(fù)壓”或“正壓”，說明爐膛中的絕對壓力大于或小于零。X作業(yè)：1-9第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、比體積比體積（比容）：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積符號(hào)：v單位：m3/kg比體積v與密度ρ互成倒數(shù)，即：vρ＝1。二者不是相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。熱力學(xué)中通常用比體積作為獨(dú)立參數(shù)。密度：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量單位：kg/m3第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)參數(shù)確定，則工質(zhì)狀態(tài)隨之確定。反之亦然。狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)（數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為點(diǎn)函數(shù)）

，其值只取決于狀態(tài)，與達(dá)到此狀態(tài)的途徑無關(guān)。狀態(tài)參數(shù)都有以上特性。反之，有以上特性之一，即為狀態(tài)參數(shù)。1

2ab狀態(tài)參數(shù)的變化只與初終態(tài)相關(guān)，與路徑無關(guān)。狀態(tài)參數(shù)的循環(huán)積分等于零。第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1-3平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖一、平衡狀態(tài)相平衡熱平衡力平衡熱力系在沒有外界作用的情況下（重力場除外），宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)分平衡狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)：參數(shù)不隨時(shí)間變化平衡必穩(wěn)定，但穩(wěn)定未必平衡區(qū)分平衡狀態(tài)和均勻狀態(tài)：平衡未必均勻。單相系統(tǒng)，忽略重力場作用，則其平衡態(tài)是均勻態(tài)。工程熱力學(xué)研究的主要是均勻的平衡狀態(tài)（用一組參數(shù)即可表示其狀態(tài)）。第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、狀態(tài)方程式對簡單可壓縮熱力系，只要給出兩個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)即可確定一個(gè)平衡狀態(tài)。由可壓縮流體構(gòu)成與外界交換的能量只有熱量和準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功例如，以壓力和溫度為獨(dú)立變化的狀態(tài)參數(shù)時(shí)，狀態(tài)方程：三個(gè)可直接測量的基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系F（p,v,T）=0T、p、v、u、h、s兩兩相互獨(dú)立第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖不平衡態(tài)無法在坐標(biāo)圖上表示簡單可壓縮系統(tǒng)的平衡（均勻）狀態(tài)可用兩個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)來確定由任意兩個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成的平面坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)相應(yīng)于熱力系的某一平衡（均勻）狀態(tài)

熱力學(xué)中常用：

壓容圖（p-v圖）溫熵圖（T-s圖）坐標(biāo)圖上一點(diǎn)代表一平衡狀態(tài)第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1-4準(zhǔn)平衡過程和可逆過程熱力過程：工質(zhì)由一個(gè)狀態(tài)變化到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。例：平衡狀態(tài)宏觀靜止能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述實(shí)際過程由一系列非平衡狀態(tài)組成理想模型：準(zhǔn)平衡過程“平衡”意味著宏觀靜止，“過程”意味著變化，意味著平衡被破壞。二者如何統(tǒng)一？引入第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月一、準(zhǔn)平衡過程pv12..p0突然去掉重物p0pv12..每次只去掉無限薄一層熱力系從一個(gè)平衡態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間態(tài)過渡到另一個(gè)平衡態(tài)p0pv12...ppp第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月準(zhǔn)平衡過程又稱準(zhǔn)靜態(tài)過程、內(nèi)平衡過程。準(zhǔn)平衡過程在坐標(biāo)圖上可用連續(xù)曲線表示。pv12..非準(zhǔn)態(tài)過程在坐標(biāo)圖上可用一虛線來示意，但虛線上各點(diǎn)不表示系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件：熱力系與外界勢差（溫差、壓差等）無限小。第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月若活塞與氣缸之間存在摩擦力，氣體還能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程？能。準(zhǔn)平衡過程著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應(yīng)答：摩擦生熱問題：pp0Fp=p0+F+GG問題：理論上準(zhǔn)靜態(tài)過程應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>熱力系有足夠時(shí)間恢復(fù)被破壞的平衡例：2沖程活塞式內(nèi)燃機(jī)，活塞運(yùn)動(dòng)速度=10m/s，壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s。第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、可逆過程和不可逆過程準(zhǔn)平衡過程著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應(yīng)。引入一個(gè)更徹底的理想化過程可逆過程如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向運(yùn)行時(shí)，能使系統(tǒng)和外界都返回到原來的狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程，否則為不可逆過程?？赡孢^程的特征：第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)現(xiàn)可逆過程的條件：1）準(zhǔn)靜態(tài)過程2）無耗散效應(yīng)II.有摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程III.無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程不平衡勢差無限小實(shí)際過程都是不可逆過程I.非平衡過程第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月準(zhǔn)平衡過程只要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應(yīng)?？赡孢^程不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而且要求工質(zhì)和外界可以無條件地逆復(fù)，過程進(jìn)行時(shí)不存在任何能量耗散?？赡孢^程必是準(zhǔn)平衡過程。準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程的必要條件之一。無任何耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程，反之亦然。準(zhǔn)平衡過程與可逆過程的區(qū)別和聯(lián)系：問題：第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

實(shí)際過程非常復(fù)雜。熱力學(xué)中先按可逆過程處理，然后考慮不可逆因素加以修正，即可得到實(shí)際過程的結(jié)果?？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(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。易于揭示過程規(guī)律和本質(zhì)?？赡孢^程是實(shí)際過程的理想極限，可作為實(shí)際過程的比較標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際過程都是不可逆過程，那么研究可逆過程有何意義？問題：有人說，不可逆過程是熱力系無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？為什么？思考題X第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1-5過程功和熱量一、準(zhǔn)靜態(tài)過程功功：力和力方向上位移的乘積。pp外Aw=pdvmkg工質(zhì):W=pAdx=pdV1kg工質(zhì):體積變化功：通過工質(zhì)體積變化而和外界交換的功包括膨脹功和壓縮功第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月pV.12.WdV準(zhǔn)靜態(tài)過程功可用p-V圖中曲線下的面積表示。功為過程量，因其不僅與初終態(tài)相關(guān)，且與過程相關(guān)。過程量的微元用d表示，狀態(tài)量的微元用d表示。積分后結(jié)果不同。僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程（包括可逆過程），非準(zhǔn)靜態(tài)過程不可用，虛線下面積亦非功。pV.12.示功圖dW第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)定：熱力系對外做功為正，外界對熱力系做功為負(fù)。功的單位：J,

kJ

;比功的單位：J/kg,kJ/kg

閉口系工質(zhì)膨脹作出的功，一部分因摩擦而耗散，一部用以反抗大氣壓力作功，余下的才是可被利用的功，稱為有用功。其中排斥大氣功：對可逆過程，有用功：pp0第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月求兩過程中氣體的膨脹功。兩過程初、終態(tài)相同，但中間途徑不同，因而膨脹功不同。例解作業(yè)：1-16第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、過程熱量熱力系統(tǒng)與外界之間由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。規(guī)定：熱力系吸熱為正，放熱為負(fù)。對mkg工質(zhì)，單位：J，kJ。用Q

表示。對1kg工質(zhì)，單位：J/kg，kJ/kg。用q表示?？赡孢^程熱量計(jì)算：第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)分：過程量和狀態(tài)量。功和熱量是過程量。只有在能量傳遞或轉(zhuǎn)換過程中才有功和熱量。說物系在某狀態(tài)下有多少功或多少熱量是無意義的、錯(cuò)誤的。熱量為過程量，因其不僅與初終態(tài)相關(guān)，且與過程相關(guān)?？赡孢^程熱量可用T-s圖中曲線下面積表示。第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題1、溫度高的物體比溫度低的物體具有更多的熱量，這種說法對嗎？3、溫度、壓力、體積、膨脹功、熱量中，哪些是狀態(tài)量，哪些是過程量？X2、熱量是指儲(chǔ)存于物體內(nèi)部的熱能量。X第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月判斷對錯(cuò)1、某過程可在p-v圖中用實(shí)線表示，則必為準(zhǔn)靜態(tài)過程2、某過程可在p-v圖中用實(shí)線表示，則必為可逆過程。3、某過程如圖所示，則曲線下面積表示膨脹功。4、工質(zhì)經(jīng)歷一