化工热力学教学课件01基本概念多学时2(高教版)

1、第一章 基本概念Basic Concepts and Definition第一节 热能和机械能转换第二节 热力系统与工质第三节 基本状态参数第四节 平衡状态第五节 准静态过程、可逆过程第六节 过程功和热量第七节 热力循环1-1 1-1 热能和机械能转换热能和机械能转换热能动力装置热能动力装置定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得 到动力的整套设备。到动力的整套设备。共同本质：共同本质：由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热 膨胀作功膨胀作功 排热排热1. 蒸汽动力装置蒸汽动力装置 (steam power plant)2. 气体动力装置气体动力装置(combus

2、tion gas power plant) 内燃机内燃机 (internal combustion gas engine) 燃气轮机装置燃气轮机装置 (gas turbine power plant) 喷气发动机喷气发动机 (jet power plant) 1 1、蒸汽蒸汽动力装置动力装置热能动力装置热能动力装置核电站蒸汽动力装置2. 气体动力装置 内燃机2. 气体动力装置 燃气轮机装置示意图2. 气体动力装置 喷气发动机喷气发动机喷气发动机涡扇喷气发动机涡扇喷气发动机总 结 规 律1、热机结构相同，热变工方式不同，但本质相同。2、无论哪一种动力装置都必须有工质、热源3、工质的性质不同，燃烧

3、处所不同，工质吸热方式不同，热变功方式也不同，但热能与机械能转化的经历是相同的。 工质吸热膨胀做功排热热能转换装置三要素 高温热源（库）：heat reservoir of high temperature 低温热源（库）：heat reservoir of high temperature 工质: working fluid 热源热源 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。高温热源高温热源低温热源低温热源恒温热源恒温热源变温热源变温热源 工质工质(working substance; working medium)定义：实现热能和机械能相互转

4、化的媒介物质。定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求对工质的要求:物质三态中物质三态中气态气态最适宜最适宜。 1）膨胀性）膨胀性2）流动性）流动性3）热容量）热容量4）稳定性，安全性）稳定性，安全性5）对环境友善）对环境友善 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取1-2 热力系统，外界，边界热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为人为分割出来，作为热分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。力学研究对象的有限物质系统。（人为地）（人为地） 外界外界：与体系发生质、能交换与体系发生质、能交换的物系。的物系。一、一、定义定义边界边界(界面界面)：系统与外界的分系统与外界

5、的分界面（线）。界面（线）。系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热边界特性真实、虚构固定、活动固定、活动边界可以是假想的，也可以是实际存在的，边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。通常用虚线标出。 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质）外界与环境介质 3）边界可以是：）边界可以是： a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或

6、有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的注意：注意： 按组元数按组元数 单元系单元系 (one component system;pure substance system) 多元系多元系 (multicomponent system) 按相数按相数 单相系单相系 (homogeneous system) 复相系复相系 (heterogeneous system)注意：注意：1）不计恒外力场影响（）不计恒外力场影响（eg：电磁场，重力场）；：电磁场，重力场）；2）复相系未必不均匀）复相系未必不均匀湿蒸汽；湿蒸汽； 单元系未必均匀单元系未必均匀气液平衡分离

7、状态。气液平衡分离状态。 1. 按组元和相按组元和相系统与外界有三种相互作用形式：系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热质、功、热1 1）闭口系统（闭口系统（closed systemclosed system）：）：没有质量越过边界，没有质量越过边界，控制质量控制质量CM 闭口系统具有恒定质量，闭口系统具有恒定质量， 但具有恒定质量的系统不但具有恒定质量的系统不 一定都是闭口系统一定都是闭口系统2 2）Hot Fluid Control Volume Control Surface Cold Fluid Warm Fluid Concepts & DefinitionsClosed

8、 systemquantity of matter under study Control mass Only heat and work can cross boundary of closed systemOpen systemregion in space on which attention is focused Control volume Heat and work may cross control surface Mass may also cross control surface Fluid Control Mass Control Surface 绝热系（绝热系（adia

9、batic system） 与外界无热量交换与外界无热量交换;3. 按能量交换按能量交换（isolated system）与外界无任何形式的质能交换。孤立系统内两物孤立系统内两物体间的热传递体间的热传递边界边界系统系统T2T1QBA自然界中不存在，但又是很容易找到的。自然界中不存在，但又是很容易找到的。 热力系统分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）闭口系与系统内质量不变的区别；

10、2）开口系与绝热系的关系；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：1234mQW1 开口系开口系 热力系统非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系三、热力系示例三、热力系示例 1刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内 闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝 闭口系闭口系兰线内兰线内 孤立系孤立系闭口系闭口系2刚性绝热喷管刚性绝热喷管取红线为系统取红线为系统 取喷管为系统取喷管为系统 开口系开口系 绝

11、热系绝热系? 3A、B两部落两部落“鸡、犬之声相闻，鸡、犬之声相闻， 民至老死不相往来民至老死不相往来”ABA部落为系统部落为系统A+B部落为系统部落为系统 闭口系闭口系 孤立系孤立系简单可压缩系统最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功膨压缩功膨胀功胀功由由可压缩可压缩物质组成，物质组成，无化学反应无化学反应、与外界有交、与外界有交 换换容积变化功容积变化功的有限物质系统。的有限物质系统。1-3 状态和状态参数热力学状态（状态）：热力学状态（状态）：某一瞬间热力系所呈现的某一瞬间热力系

12、所呈现的宏观物宏观物理状况理状况状态参数：状态参数：描述物系所处状态的描述物系所处状态的宏观物理量宏观物理量二、状态参数的二、状态参数的特征特征：一、热力学状态和状态参数一、热力学状态和状态参数 1状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，是大量粒子的统计平均效应，只有只有平衡态平衡态才有状态参数，系统有才有状态参数，系统有多多个状态参数，个状态参数，如如SHUTVp,2、状态的单值函数状态的单值函数：状态确定，则状态参数也确：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。定，反之亦然。3、状态参数的积分特征状态参数的积分特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量与路与路径无关径无关，

13、只与初终态有关。，只与初终态有关。1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化4、状态参数的微分特征：全微分设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判断是否是状态参数是状态参数 状态参数是系统对应的某种微观特性的统计平均结果状态参数是系统对应的某种微观特性的统计平均结果 BTwm22l 状态参数在数学上的组合也是状态参数状态参数在数学上的组合也是状态参数 例如，热力学温度只不过是气体分子运动强度在宏例如，热力学温度只不过是气体分子运动

14、强度在宏观上的反映观上的反映 例如状态参数例如状态参数焓焓的定义式为的定义式为h = u + Pv，式中，式中u、P、v均为状态参数，均为状态参数，h是它们数学上的一种的组合，因此是它们数学上的一种的组合，因此也是系统的一个状态参数也是系统的一个状态参数三、状态参数的分类强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如压力如压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比容比容VvmUum比内能比内能Hhm比焓比焓Ssm比熵比熵单位：单位：/kg /km

15、ol 具有强度量的性质具有强度量的性质四、四、系统状态相同的充分必要条件系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件：系统两个状态相同的充要条件： 所有所有状态参数一一对应相等状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件：简单可压缩系两状态相同的充要条件： 两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等1-3 (Cont.)基本状态参数1 1、温度温度 T2 2、压力压力 p3 3、比容比容 v1、温度传统：传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：微观：衡量分子平均动能的量度衡量分子平均动能的量度 T 0.50.5 m w 2测

16、温的基础测温的基础 热力学零定律热力学零定律如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热热平衡平衡，则两个系统彼此必然处于，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡。温度测量的理温度测量的理论基础论基础B 温度计温度计 温度的热力学定义处于同一处于同一热平衡热平衡状态的各个热力系，状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量此宏观特征的物理量 温度温度。 温度温度是确定一个系统是否与其它系是确定一个系统是否与其它系统处于统处于热平衡热平衡的物理量的物理量温度的测量温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻水银，铂电阻）特

17、性特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点 刻度刻度温标温标常用温标绝对绝对K K摄氏摄氏 华氏华氏F F朗肯朗肯R R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点559.67温标的换算O 273.15T KtCO5( 32)9tCt F 459.67t Ft R2、压力 p 常用单位： 1 bar = 105 Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 mm

18、Hg =133.3 Pa1 at = 735.6 mmHg = 9.80665104 Pa物理中物理中压强压强，单位，单位: Pa , N/m2绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 pg当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用例例1-1：活塞式内燃机转速：活塞式内燃机转速 2000转转/分，分，活塞活塞2冲程冲程/转，行程转，行程0.15米。米。活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用

19、时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”活塞式内燃机活塞式内燃机1-7可逆过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系系统统与与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不留恢复到初始状态，而不留下任何变化，则此过程为下任何变化，则此过程为可逆过程可逆过程。注意：注意：可逆过程只是指可逆过程只是指可能性可能性，并不，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗

20、散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程不平衡势差无限小不平衡势差无限小通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩摩阻，电阻，非阻，电阻，非弹性变性，磁弹性变性，磁阻等）阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应耗散效应耗散效应可逆过程例可逆过程例1：气体无摩擦、准静态压缩。气体无摩擦、准静态压缩。绝热壁绝热壁 无摩擦无摩擦pp+dp压强差保压强差保持无限小持无限小可逆过程例可逆过程例2：系统系统T1T1+dTT1+2dTT1+3dTT2温差无限小温差无限小“等温等温”传热传热准静态传热准静态传热非准静态过程非准静态过程准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程

21、，可逆准静态过程，可逆bcospAFfp AbcospAFfp Abcos(0)pAFp Af 例例3：作功过程：作功过程pFfpb引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程

22、）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。 准静态着眼于准静态着眼于系统内部系统内部平衡，可逆着眼于平衡，可逆着眼于 系统内部及系统与外界作用系统内部及系统与外界作用的总效果。的总效果。一、功一、功(work)的定义和可逆过程的功的定义和可逆过程的功 1功的力学定义功的力学定义 2功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。表现为举起重物。3可逆过程功的计算可逆过程功的计算212211ddWWpA xp V功是过程量功是过程量功可以用功可以用p- -v图上过

23、程线图上过程线与与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示1-8 过程功和热量过程功和热量 系统对外界作功为系统对外界作功为“+ +” 外界对系统作功为外界对系统作功为“- -”5. 功和功率的单位：功和功率的单位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ4功的符号约定：功的符号约定：6讨论讨论有用功有用功(useful work)概念概念pluWWWW其中其中:W 膨胀功膨胀功 (compression/expansion work)；Wl 摩擦耗功；摩擦耗功；Wp 排斥大气功。排斥大气功。pbf用外部参数计算不可逆过程的功用外部参数计算不可逆过程的功21dWpVVpAH

24、pW00?二、广义功二、广义功(generalized work)简介简介弹性力功弹性力功表面张力功表面张力功 电极化功及磁化功等电极化功及磁化功等三、热量（三、热量（heat）1定义：定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而 通过边界传递的能量通过边界传递的能量。2符号约定：符号约定： 系统吸热系统吸热“+”； 放热放热“-”3单位：单位： JkJ4计算式及状态参数图计算式及状态参数图21d(dQT SQT S可逆过程）热量是过程量热量是过程量（T-s图上）表示图上）表示四、四、热量与功的异同：热量与功的异同：1.均为通过边界传递的能量；均为通过边界传递的能量；3.功传递由功传递由压力差压力差推动

25、，推动，比体积比体积变化是作功标志；变化是作功标志； 热量传递由热量传递由温差温差推动，推动，比熵比熵变化是传热的标志；变化是传热的标志；4.功是物系间通过功是物系间通过宏观运动宏观运动发生相互作用传递的能量；发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过热是物系间通过紊乱的微粒运动紊乱的微粒运动发生相互作用而传递发生相互作用而传递的能量。的能量。功功2.均为均为过程量过程量；热是无条件的；热是无条件的；热热功是有条件、限度的。功是有条件、限度的。示功图与示热图pVWTSQ 示功图示功图温熵温熵(示热示热)图图pdVWTdSQ 一气缸活塞内的气体由初态一气缸活塞内的气体由初态p1=0.5MPa,V1

26、=0.1m3,缓缓慢膨胀到慢膨胀到V20.4m3,若过程中压力与体积的关系为若过程中压力与体积的关系为pV=常数，试求气体所做的膨胀功。常数，试求气体所做的膨胀功。解：由解：由PV=常数得常数得常数11VppVVVpp1131.691 . 04 . 0ln1 . 0105 . 0ln312112111212111VVVpVdVVpdVVVppdVWkJ例例1 某种气体在气缸中进行一缓慢膨胀过程，某种气体在气缸中进行一缓慢膨胀过程，其其体积体积由由0.1m3增加到增加到0.25m3，过程中气体，过程中气体压力循压力循P=0.24 0.4V（PMPa，Vm3）变化。若过程中气缸与活塞的变化。若过程

27、中气缸与活塞的摩擦摩擦保持为保持为1200 N，当地，当地大气压力为大气压力为0.1 MPa，气缸截气缸截面面积为面面积为0.1 m2，试求，试求:(1)气体所作的气体所作的膨胀膨胀功功W；(2)系统输出的系统输出的有用功有用功Wu；(3)若活塞若活塞与气缸与气缸无摩擦无摩擦，系统输出的，系统输出的有用功有用功Wu,re。 例例2wuFrPb 解：解：按题意，认为该气体膨胀为内部可逆过程。按题意，认为该气体膨胀为内部可逆过程。 MJ 0255. 0)1 . 025. 0(214 . 0) 1 . 025. 0(24. 0d4 . 0d24. 0d)4 . 024. 0(d2225. 01 .

28、025. 01 . 02121VVVVVVPWVV 活塞移动的距离：活塞移动的距离： m 5 . 11 . 01 . 025. 012AVVL 气体为克服摩擦所作的功：气体为克服摩擦所作的功： L F = 1.5 1200 = 1800 J=0.0018 MJ 气体的过程功（膨胀功）气体的过程功（膨胀功） 2022-6-2483气体膨胀时克服大气压力所作的功：气体膨胀时克服大气压力所作的功： Pb AL = 0.1 0.1 1.5 = 0.015 MJ 因此，气体膨胀过程中系统输出的有用功：因此，气体膨胀过程中系统输出的有用功： Wu = 膨胀功膨胀功 克服摩擦的功克服摩擦的功 克服大气压力的

29、功克服大气压力的功 = 0.0255 0.0018 0.015 = 0.0087 MJ 若活塞与气缸无摩擦（过程可逆），则系统输出的有若活塞与气缸无摩擦（过程可逆），则系统输出的有用功为用功为 Wu,re = 0.0255 0.015 = 0.0105 MJ 例例 3 3气缸（如图示），内充以气缸（如图示），内充以空气空气，气缸的截，气缸的截面积面积F = 100 cm2，活塞距底面高度，活塞距底面高度L=10 cm，活塞及其上负载的总重量是，活塞及其上负载的总重量是195 kg 。当地的大气压力当地的大气压力Pb = 771 mmHg，环境温度环境温度t0 = 27，气缸内气体恰与外界处于热

30、力，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。倘使把活塞上的负载平衡。倘使把活塞上的负载取去取去100 kg，活塞将上，活塞将上升，最后与外界重新达到热力平衡。升，最后与外界重新达到热力平衡。设气体可以通过气缸壁设气体可以通过气缸壁充分和外界换热充分和外界换热，所以达到，所以达到热力平衡以后，气缸内气体的温度等于环境介质的热力平衡以后，气缸内气体的温度等于环境介质的温度。温度。求活塞上升的距离、气缸内气体总共所作的功，以求活塞上升的距离、气缸内气体总共所作的功，以及气体与环境的换热量。及气体与环境的换热量。 2022-6-2485 解：解：按题述，气体在外界与系统存在有限压差情况下按题述，气体在外界与系

31、统存在有限压差情况下进行膨胀，过程是进行膨胀，过程是非准静非准静的，的，不可逆不可逆的的 视空气为理想气体。按题给，气体所受外力为视空气为理想气体。按题给，气体所受外力为 Pa 3 .2940691001081. 91954 .13377141b1FGPPPa 3 .1959691001081. 9)100195(4 .13377142b2FGPP由理想气体状态方程由理想气体状态方程222111TVPTVP因因T1= T2，有，有 12121221LLLFLFVVPP a) 活塞上升的距离活塞上升的距离 b) 气体克服外力膨胀时总共作功为气体克服外力膨胀时总共作功为 c) 因气体温度不变，因气体温度不变，U=0，由热力学第一定律，气，由热力学第一定律，气体与环境介质的换热量为体与环境介质的换热量为12121221LLLFLFVVPPcm 5) 13 .1959693 .294069(10) 1(211112112PPLLLPPLLLJ 00.981053.195969101002