工程热力学课件：第1章 基本概念

第一章基本概念§1-1热力系统§1-2状态和状态参数§1-3平衡状态§1-4工质的状态变化过程§1-5过程功和热量§1-6热力循环 §1-1热力系统热力系统(热力系、系统):人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。外界：系统以外的所有物质1、系统与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界 系统、边界和外界（surrounding） 边界特性真实、虚构固定、活动 *热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系(控制体积)闭口系(控制质量)是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系 热力系统其他分类方式其他分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相 简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功 2.工质定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:1）膨胀性;2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取物质三态中气态最适宜。 3.热源定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。高温热源（热源--heat source）低温热源（冷源—heat sink）恒温热源(constant heat reservoir)变温热源 §1-2状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量一、状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分 状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化 状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数 强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S一般用大写字母表示 比参数具有强度量的性质比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol一般用小写字母表示 二、基本状态参数压力p、温度T、比容v（容易测量）**1、压力p物理中压强，单位:Pa,N/m2绝对压力p—absolute pressure表压力pe（pg）-- gauge pressure;真空度pv—vacuum; vacuum pressure当地大气压pb—localatmosphericpressure 绝对压力与相对压力当p>pb表压力pe当p>有足够时间恢复新平衡准静态过程准静态过程的条件压差、温差等不平衡势差为无限小 准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢” 准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA=p外A+fA如果p外微小可视为准静态过程dl以汽缸中工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdl=pdV1kg工质w=pdvdl很小，近似认为p不变 *准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1注意：上式仅适用于准静态过程 *示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW *准静态容积变化功的说明pV.12.1）单位为[kJ]或[kJ/kg]2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关功，是过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）dV<0，压缩外内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别 *例题：1kg某种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵循：（1）（2）从初态1到达终态2求：两过程中各作功多少？（a，b为常数） 解：（1）（2） 摩擦损失的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。 摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’T2Q自由膨胀真空••••••••••••••••• 典型的不可逆过程节流过程(阀门）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★ 引入可逆过程的意义准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。 §1-6过程功和热量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义a、功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可归结为举起重物。b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量(外文参考书）。 功的表达式功的一般表达式＊热力学最常见的功容积变化功(准静态过程)其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等 热量--heat定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。Qq符号约定：系统吸热“+”；放热“-”单位： ＊热量与T-s图 ＊热量与功的异同：1.通过边界传递的能量；2.都是过程量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志;热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。5。功转变为热是无条件的；热转化为功是有条件、限度的。 §1-7热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆过程不可逆循环可逆循环经济性指标=得到的收获/付出的代价 ＊正循环（directcycle）pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112 逆循环(reversecycle)pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112 热力循环的评价指标＊正循环（热动力循环）：对外作功，吸热WT1Q1Q2T2热效率适用于各类热动力循环（可逆、不可逆） 制冷系数逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T21）制冷循环：制冷系数适用于各类制冷循环（可逆、不可逆） WT1Q1Q2T02）制热循环（热泵循环）：制热系数、热泵系数、供暖系数适用于各类制热循环（可逆、不可逆） 第一章小结基本概念：热力系平衡、稳定、均匀准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功、热量、熵p-V图、T-S图循环、经济性指标 第一章讨论课热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、绝功系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。 例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。 (1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q (2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’ (3)以放逸气体为系统闭口系功量：W+W’热量：Q+Q’WQW’Q’ (4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’ (5)以气缸为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ 强度量与广延量速度动能高度位能内能温度摩尔数（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广） 思考题7有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。 可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。 判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆 判断是否准静态与可逆（2）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水＋活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆 判断是否准静态与可逆（4）电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热耗散是否准静态，看加热快慢但不可逆 可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA1）以B中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态无摩擦可逆B中气体（理想气体，可逆，绝热）B得到的功遵循 可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA2）以A中气体为系统绝热，无摩擦缓慢加热准静态无摩擦内可逆3）以A腔为系统4）以A＋B为系统电功耗散为热不可逆电功耗散为热不可逆 自由膨胀过程刚性，绝热真空•••••••••••••••••ABB中没有气体，不能取做系统以A中原有气体为系统A中气体非准静态A中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的气体作功了吗？ 气体混合过程刚性，绝热，pA>>pB•••••••••••••••••AB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取A＋B气体为系统，无功 灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功外部参数法非准静态过程热力学第一定律 有用功气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp