哈工大工程熱力學課件.ppt

1、第一章 基本概念,本章重點,： 取熱力系統(tǒng)、對工質狀態(tài)的描述、狀態(tài)與狀態(tài)參數的關系、狀態(tài)參數、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程、可逆過程。,1-1 熱力系統(tǒng),熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：用界面分離出的研究對象。,外界：系統(tǒng)以外的所有物質,1、系統(tǒng)與邊界,邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面,系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界,熱力系統(tǒng)選取的人為性,鍋 爐,汽輪機,發(fā)電機,給水泵,凝汽器,過熱器,只交換功,只交換熱,既交換功 也交換熱,邊界特性,真實、虛構,固定、活動,熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關系劃分：,有 無 是否傳質 開口系 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕功系 絕功系,是否傳熱、功、質 非孤立系

2、孤立系,1 開口系,熱力系統(tǒng),非孤立系相關外界 孤立系,1+2 閉口系,1+2+3 絕熱閉口系,1+2+3+4 孤立系,熱力系統(tǒng)其它分類方式,其它分類方式,物理化學性質,均勻系 非均勻系,工質種類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,簡單可壓縮系統(tǒng),最重要的系統(tǒng) ,簡單可壓縮系統(tǒng),只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功,容積變化功,壓縮功膨脹功,1-2 狀態(tài)和狀態(tài)參數,狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況,狀態(tài)參數：描述熱力系狀態(tài)的物理量,狀態(tài)參數的特征：,1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數也確定，反之亦然,2、狀態(tài)參數的積分特征：狀態(tài)參數的變化量 與路徑無關，只與初終態(tài)有關,3、狀態(tài)參數的微分特征：全微分,

3、狀態(tài)參數的積分特征,狀態(tài)參數變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。,數學上：,點函數、態(tài)函數,1,2,a,b,例：溫度變化,山高度變化,狀態(tài)參數的微分特征,設 z =z (x , y),dz是全微分,充要條件：,可判斷是否是狀態(tài)參數,強度參數與廣延參數,強度參數：與物質的量無關的參數 如壓力 p、溫度T,廣延參數：與物質的量有關的參數可加性 如 質量m、容積 V、內能 U、焓 H、熵S,比參數：,比容,比內能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol 具有強度量的性質,1-3 基本狀態(tài)參數,壓力 p、溫度 T、比容 v （容易測量）,1、壓力 p 物理中壓強，單位: Pa , N/m2,常用單位： 1

4、 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,壓力p測量,示意圖,一般是工質絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值 相對壓力,注意：只有絕對壓力 p 才是狀態(tài)參數,絕對壓力與相對壓力,示意圖,當 p pb,表壓力 pe,當 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,環(huán)境壓力與大氣壓力,環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境,注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。 見習題17,大氣壓隨時間、地點變化。,物理大氣壓 1atm=760mmHg,當h

5、變化不大，常數,1mmHg= gh=133.322Pa,當h變化大， (h),其它壓力測量方法,高精度測量：活塞式壓力計,工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器,熱力學第零定律,溫度的熱力學定義,熱力學第零定律（R.W. Fowler） 如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測量的理論基礎 B 溫度計,熱力學第零定律,熱力學第零定律 1931年 T 熱力學第一定律 18401850年 E 熱力學第二定律 18541855年 S 熱力學第三定律 1906年 S基準,溫度的熱力學定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理

6、量 溫度。,溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,溫度的測量,溫度計,物質 （水銀，鉑電阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準點,刻度,溫標,比容v,m3/kg,工質聚集的疏密程度,物理上常用密度 ,kg/m3,1-4 平衡狀態(tài),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 化學反應 化學不平衡勢,平衡的本質：不存在不平衡勢,平衡與穩(wěn)定,穩(wěn)定：參數不隨時間變化,穩(wěn)定但存在不平衡勢差,去掉外界影響，則狀態(tài)變化,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,平衡與

7、均勻,平衡：時間上 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,為什么引入平衡概念？,如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數（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,1-5 狀態(tài)方程、坐標圖,平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數描述其狀態(tài),狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數個數 N=n+1,想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數？,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, 獨立參數數目N=不平衡勢差數 =能量轉換方式的數目 =各種功的方式+熱量=

8、 n+1,n 容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等,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（p,v,T)之間 的關系,狀態(tài)方程的具體形式,理想氣體的狀態(tài)方程,實際工質的狀態(tài)方程？,狀態(tài)方程的具體形式取決于工質的性質,坐標圖,簡單可壓縮系 N=2，平面坐標圖,p,v,1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示在坐標圖上,說明：,2）過程線中任意一點 為平衡態(tài),3）不平衡態(tài)無法在圖 上用實線表示,常見p-v圖和T-s圖,2,1,1-6 準靜態(tài)過程、可逆過程,平衡狀態(tài),狀態(tài)不變化,能量不能轉換,非平衡狀態(tài),無法簡單描述,熱力學引入準靜態(tài)（準平衡

9、）過程,一般過程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最終,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,準靜態(tài)過程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有無限多層,每次只去掉無限薄一層,p,v,1,2,.,.,.,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)參數描述，又可進行熱功轉換,疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，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）,恢復平衡所需時間 （馳豫時間）,有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程,示功圖,p,V,.,1,2,.,p,p外

10、,2,1,mkg工質：,W =pdV,1kg工質：,w =pdv,W,可逆過程的定義,系統(tǒng)經歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(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。,可逆過程的實現,準靜態(tài)過程 + 無耗散效應 = 可逆過程,無不平衡勢差,通過摩擦使功 變熱的效應(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,耗散效應,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。, 可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內工質 的狀態(tài)參數表達，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復雜關系

11、，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)參數加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。,完全可逆、內可逆與外可逆,完全可逆可逆 內部可逆，外部不可逆 外部可逆，內部不可逆,常見,90 ,0 ,例：,內可逆 外不可逆,1-7 功 量,1、力學定義: 力 在力方向上的位移,2、熱力學定義(外文參考書） a、當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結為取起重物，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。,例：火力發(fā)電裝置,鍋 爐,汽輪機,發(fā)電機,給水泵,凝汽器,過熱器,功的表

12、達式,功的一般表達式,熱力學最常見的功 容積變化功,其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等,1-8 熱 量 與 熵,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 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 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,熵（ Entropy）的定義,reversible,熵

13、的簡單引入,比參數 kJ/kg.K,ds: 可逆過程 qrev除以傳熱時的T所得的商,清華大學劉仙洲教授命名為“熵”,廣延量 kJ/K,熵的說明,1、熵是狀態(tài)參數,3、熵的物理意義：熵體現了可逆過程 傳熱的大小與方向,2、符號規(guī)定,系統(tǒng)吸熱時為正 Q 0 dS 0 系統(tǒng)放熱時為負 Q 0 dS 0,4、用途：判斷熱量方向 計算可逆過程的傳熱量,示功圖與示熱圖,p,V,W,T,S,Q,示功圖,溫熵(示熱)圖,1-9 熱力循環(huán),要實現連續(xù)作功，必須構成循環(huán),定義： 熱力系統(tǒng)經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),p,V,T,S,凈效應：對外作功,凈效應：吸熱,正循環(huán)：順時針方向,