工程热力学第1章基本概念及定义.ppt

工程热力学 Engineering Thermodynamics,大连理工大学 能源与动力学院,因个人原因，第二周（9月14日和16日)的课程暂停，并顺延至第九周(11月2日和4日）完成。 请各位同学相互转达。,第一章 基本概念及定义,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能） 定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。,分类,第一章 基本概念及定义,燃气动力装置,蒸汽动力装置,内燃机 燃气轮机 喷气动力装置,燃煤发电机组,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能）,第一章 基本概念及定义,四冲程汽油机,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能）,第一章 基本概念及定义,四冲程柴油机,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能）,第一章 基本概念及定义,蒸汽动力装置,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能）,第一章 基本概念及定义,简化的蒸汽动力装置 朗肯循环（Rankine Cycle）,热力学原理图,1.1 热能和机械能相互转换的过程,一、热能动力装置（热能机械能） 共同本质： 都是通过媒介物的 吸热膨胀作功排热 来完成从燃料燃烧产生的热能 向机械能的转化。,第一章 基本概念及定义,1.1 热能和机械能相互转换的过程,二、工质 定义：实现热能和机械能互相转化的媒介物质。 如何选取一种合适的工质作为媒介？,特点,第一章 基本概念及定义,1、膨胀性 2、流动性 3、热容量 4、稳定性、安全性 5、对环境友好 6、价廉、易大量获取,物质三态中， 气态是最合适的。 如：水蒸汽 内燃机中的燃气 制冷剂 常用气态物质等,1.1 热能和机械能相互转换的过程,三、热源 定义：与工质进行热交换的物质系统。,第一章 基本概念及定义,分类,按温度高低,按温度变化,高温热源（热源）,低温热源（冷源）,恒温热源,变温热源,第一章 基本概念及定义,1.2 热力系统（热力系、系统）,一、热力系统（热力系、系统、system） 定义：人为分割出来的，作为热力学研究对象的有限 物质系统。 外界（环境，surrounding） 定义：与系统发生质量、能量交换的物体 边界（boundary） 定义：系统与外界的分界 线（面）,第一章 基本概念及定义,System,Boundary,Surroundings,1.2 热力系统（热力系、系统）,一、热力系统选择的意义 热力系的确定是正确解决热力学问题的前提 没有明确热力系而讨论能量转换无意义 热力系选择的不同，能量转换情况也不同 如何判断一个热力系统？,第一章 基本概念及定义,是否有热量交换 Q 是否有功量交换 W 是否有质量交换 qm,1.2 热力系统（热力系、系统）,一、热力系统（热力系、系统、system） 分类按系统与外界有无质量交换。 开口系（控制体积） 特点：通过边界与外界有质量交换 闭口系（控制质量） 特点：没有质量交换,第一章 基本概念及定义,1.2 热力系统（热力系、系统）,一、热力系统（热力系、系统、system） 还有常见的热力系统： 绝热系 特点：与外界无热量交换 孤立系（控制质量） 特点：与外界既无能量交换 也无质量交换 简单可压缩系统 特点：与外界可逆功交换只有体积变化功,第一章 基本概念及定义,1.2 热力系统（热力系、系统）,二、热力系边界的特点边界是可以人为的,第一章 基本概念及定义,汽缸-活塞装置,1.2 热力系统（热力系、系统）,二、热力系边界的特点边界是可以人为的 真实的假想的 固定的运动的 封闭的开口的,第一章 基本概念及定义,边界,外界,1.2 热力系统（热力系、系统）,二、热力系边界的特点边界是可以人为的 真实的假想的 固定的运动的 封闭的开口的,第一章 基本概念及定义,1.2 热力系统（热力系、系统）,三、热力系示例 刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝,第一章 基本概念及定义,红线内 闭口绝热系 黄线内（不含电热丝） 闭口系 黄线内（含电热丝） 闭口绝热系 蓝线内 孤立系,1.2 热力系统（热力系、系统）,四、总结,第一章 基本概念及定义,1.2 热力系统（热力系、系统）,思考： 1、闭口系与质量不变系的区别； 2、孤立系与绝热系的关系；,第一章 基本概念及定义,A开口系 A+B闭口系 A+B+C闭口绝热系 A+B+C+D孤立系,1.2 热力系统（热力系、系统）,思考： 开口系与绝热系的关系。 分析： “绝热系”指的是与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。 例如，一个绝热容器中有一个隔板将容器分为相等体积的两半，左右充以温度相同但压强不同的同种气体（左侧压强略高），将隔板抽去，左侧气体将流入右侧（同时也有少量反向扩散），以左侧（容器体积的一半）为系统,右侧为环境，那么二者间不存在热交换，却存在因物质流动产生的内能交换。很明显，这是一个开口系，但同时是一个绝热系. 所以：不论系统是开口系还是闭口系，只要没有热能越过边界，就是绝热系。,第一章 基本概念及定义,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,一、热力学状态（热力状态、状态、state） 定义：工质在热力学变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况。 平衡状态（equilibrium state）：系统内部各处的宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为平衡状态。 状态参数（state properties）：用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量。它们反映了大量分子运动的宏观平均效果这也是工程热力学的研究方法宏观热力学、经典热力学。,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,一、热力学状态（热力状态、状态、state） 对于状态参数 1、只有平衡状态才有统一的状态参数 常用的状参有：p，T，V，U，H，S等，其中，p，T，V称为基本状态参数。 强度量： p、T 广延量： V、U 、H 、S 2、状态参数的特性：状态的单值函数 只与状态有关状态一旦确定、状态参数也就确定，反之亦然。,第一章 基本概念及定义,v、u 、h 、s,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,一、热力学状态（热力状态、状态、state） 对于状态参数 物理上与过程无关 数学书状态参数是点函数 微分是全微分,第一章 基本概念及定义,y,x,1,a,b,2,c,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,二、状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件： 所有的状态参数对应相等。 简单可压缩系统两个状态相同的充要条件： 两个独立的状态参数对应相等。,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 1、比容（比体积） 比容（比体积） m3/kg 密度 kg/m3 二者的关系 二者相关，不互相独立,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 2、温度 定义：物体冷热程度的标志。 微观上，标志物质分子热运动的激烈程度 。 热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡。 所以温度是热平衡的判据。 热力学第零定律（the zeroth law of thermodynamic) 若两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平衡，那么它们彼此也处于热平衡。,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 2、温度 温标温度的数值表示方法。 温标三要素 常见的温标,第一章 基本概念及定义,选定一种测温物质的性质 选取基准点 确定分度法,经验温标 依赖于测温物质的性质,热力学温标（K） 摄氏温标（C） 华氏温标（F）,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 2、温度 热力学温标（K） 摄氏温标（C） 华氏温标（F）,第一章 基本概念及定义,基准点：水的三相点规定为273.16K （单一基准点） 分度法：基准点温度的1/273.16,基准点：1atm 水冰点 规定为0 C 1atm 水汽点 规定为100 C 分度法：基准点间 1/100,基准点：1atm 水冰点 规定为 32 F 1atm 水汽点 规定为212 F 分度法：基准点间 1/180,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 2、温度 热力学温标与摄氏温标 摄氏温度由热力学温度移动零点获得 摄氏温标与华氏温标,第一章 基本概念及定义,C F,100C 212F,0C 32F,tC tF,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 3、压力 定义：单位面积上所受的垂直作用力。 微观上，大量气体分子撞击器壁的评价结果。 单位换算：见教材page 15 table1-1。,第一章 基本概念及定义,Pa （N/m2）,n0单位体积分子数,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 3、几个常见压力 绝对压力（真实压力）：p absolute pressure 表压力：pe（ pg ） gage pressure 真空度： pv vacuum pressure 大气压力： pb barometric pressure,第一章 基本概念及定义,1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数,三、基本状态参数 3、压力,第一章 基本概念及定义,当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量压力，测得的结果叫表压力，其值是系统压力与外界压力的差。 当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量，测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力之差。 大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝对压力。,第一章 基本概念及定义,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,一、平衡状态 1、定义：如果在系统不受外界影响的条件下，系统的状态 能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。 2、系统处于平衡状态的条件 热平衡 thermal equilibrium 力平衡 mechanical equilibrium 相平衡 phase equilibrium 化学平衡chemical equilibrium 3、经典热力学只研究平衡态,第一章 基本概念及定义,实现平衡状态的必要条件： 内外一切势差0,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,一、平衡状态 思考：,第一章 基本概念及定义,系统平衡与均匀,平衡与稳定,平衡可不均匀,稳定未必平衡,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,二、状态方程式 1、状态公理（state postulate）： 对于组成一定的物质系统，若存在着n个可逆功的作用，则决定该系统平衡态的独立内参数为n+1个。 即决定平衡态的独立变量数目等于系统与外界交换能量的各种方式的总和数。,第一章 基本概念及定义,f系统独立的状态参数数； n系统与外界交换功形式数。,功量：n 热量：1,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,二、状态方程式 1、状态公理（state postulate ）： 对于简单可压缩系统？ 与外界可逆功交换只有体积变化功。 对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v，p、T 或v、T）便可确定它的平衡状态。,第一章 基本概念及定义,1：1种可逆功的功量交换 1：基于温差的热量交换,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,二、状态方程式 2、状态方程式（ state postulate ）： 基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程式。,第一章 基本概念及定义,1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图,三、状态参数坐标图 简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如： 坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。 非平衡态不能用点在坐标图上表示，因无确定的状态参数。,第一章 基本概念及定义,第一章 基本概念及定义,1.5 工质的状态变化过程,一、准平衡过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process）,第一章 基本概念及定义,外在载荷为无数个质量极小的物体组成。 全部加载：系统平衡。 撤去外在载荷： a）一次全部撤走。 b）逐个撤走载荷。,1.5 工质的状态变化过程,一、准平衡过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process）,第一章 基本概念及定义,阀门,阀门关闭时：系统平衡 阀门打开时： a）开度大，系统内部不均匀，无统一状态参数。 b）开度极小，过程极缓慢，不均匀几乎不存在，短时间内可以看作平衡状态。,W=pdV,1.5 工质的状态变化过程,一、准平衡过程（ quasi-equilibrium or quasis-tatic process） 定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫准平衡过程。 实现条件：不平衡势p，T ，无穷小（趋近于0）；过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。 准静态过程可以在状态图上 用连续实线表示。,第一章 基本概念及定义,某一平衡状态p1，v1，T1,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes） 1、耗散效应 机械能 电 能 磁 能,第一章 基本概念及定义,摩 擦,电 阻,磁 阻,热 能,热 能,热 能,有 序 能,通过摩擦、电阻、磁阻 转变为无序能现象,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes） 2、可逆过程 定义：过程使工质沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦恢复到原来状态，而不留下任何改变。 实现条件： 特点：系统与外界恒处于平衡状态，无限缓慢无任何的不可逆耗散。,第一章 基本概念及定义,可逆过程=准平衡过程+无耗散效应,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes）,第一章 基本概念及定义,p,F,f,pb,非准静态过程 (nonequilibrium process),准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes） 2、可逆过程 好处：可逆过程不必考虑外界参数，使问题简化。 可逆过程不会产生能量损失，可作为实际过程中比较的标准和极限。 实际过程不可逆，可先按可逆分析计算，再进行修正。,第一章 基本概念及定义,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes） 3、不可逆过程（irreversible processes）,第一章 基本概念及定义,摩擦使过程不可逆。 温差使过程不可逆。 压力差使过程不可逆。 势差使过程不可逆。,1.5 工质的状态变化过程,二、可逆过程（reversible processes） 思考： 1、无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程 可逆过程 = 准平衡状态 + 无耗散效应 如何判定是否可逆？ 准平衡状态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果。 2、一切实际过程均不可逆 3、内部可逆过程；外部可逆过程 4、可逆过程可用状态参数图上的实线表示,第一章 基本概念及定义,准平衡状态：p、T、 耗散效应：摩擦、电阻、磁阻,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,一、功的热力学定义 1、在力学中，微元功 W微小功量 当物体在力F作用下由空间某点1移动到点2，则力F所作的总功为： 2、在热力学中， 功是热力系统通过边界而传递的能量。,第一章 基本概念及定义,如何理解？可逆过程的功,1.6 过程功和热量,二、可逆过程的功 功是热力系统通过边界而 传递的能量。 研究对象：热力系统（工质） 过程可逆时：,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,二、可逆过程的功 可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来进行计算。 可逆过程功在示功图上为过程线1-2与横坐标v所围的面积,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,二、可逆过程的功 功是过程量： 某一状态时没有功的概念，因为无dV。 p-V图特点： 点：表示状态，平衡状态； 线：表示过程曲线，实线表示的是准平衡 状态， 可逆过程； 面积：表示功，曲线与V坐标所围面积表示体积功； 方向：,第一章 基本概念及定义,dV,dV0 dV=0 dV0,膨胀W0 定容W=0 压缩W0,系统对外界作功，12 系统不作功，1V1 外界对系统作功，21,1.6 过程功和热量,二、可逆过程的功 Discuss： 有用功（useful work） 其中，W膨胀功(compression/expansion)； Wl摩擦耗功； Wr排斥大气功； Wu有用功。,第一章 基本概念及定义,若过程可逆： Wl =0； 取pb为定值：Wr=pb(V2-V1)=pbV；,1.6 过程功和热量,例题：1 kg 某种气态工质，从初态1可逆膨胀到达终态2的过程中分别遵循：（1）p=av+c；（2）p=c/v（a、b、c为常数） 求：两过程中热力系统对外界作功多少？ 解： （1） 可用面积1A2MN1表示。 （2） 可用面积1A2MN1表示。,第一章 基本概念及定义,功的数值不仅决定于工质的初态和终态、还与过程的中间途径有关！,1.6 过程功和热量,三、广义功（ not required） 四、过程热量 定义：热力系统与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的热量 热量是热力系统和环境之间在温度的推动下，以微观无序运动方式通过边界传递的能量。 单位：J（焦耳）、kJ（千焦） 规定：系统吸热为“正”，系统放热为“负” 热量：过程量,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,四、过程热量 （1）熵的认知 熵是热力系吸热、放热的标志，是状 态的函数。 （2）热量与Ts图 类比功的分析及pv图，热量可以由 Ts图表示：,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,四、过程热量 在T-s图上： 点：表示状态，平衡状态； 线：表示过程曲线，准平衡状态， 可逆过程； 面积：表示热量，曲线与s坐标所围面积表示热量； 方向：过程的熵增大ds0，表示吸热； 熵减少ds0，表示放热。,第一章 基本概念及定义,1.6 过程功和热量,五、进一步理解功与热量的本质含义 二者均为过程量，是传递的能量； 只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量； 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，比熵的变化是传热标志； 功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形