工程热力学课件.ppt

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1、工程热力学课件,华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年5月,第一章 基本概念,Basic Concepts and Definition,1-1 热力系统thermodynamic system,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(system)与边界(boundary),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 闭口系,是否传

2、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 simple compressible system,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working substance; working medium,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

3、 气态最适宜。,3.热源(heat source; heat reservoir),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,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

4、。,数学上：,点函数、态函数,1,2,a,b,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intensive property extensive property,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,比参数具有强度量的性质,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol,1-3 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

5、压力 pabsolute pressure 表压力 pe（pg）- gauge pressure; 真空度 pvvacuum; vacuum pressure 当地大气压pblocal atmospheric pressure,绝对压力与相对压力,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,环境压力与大气压力,环境压力指压力表所处环境,注意：环境压力一般为大气压，但不一定。,大气压随时间、地点变化。,物理大气压 1atm=760mmHg,当h变化不大常数,1mmHg= gh=133.3Pa,当h变化大， (h),常用单位：,1kPa=103Pa 1 bar

6、 = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1mmH2O=9.81Pa 1 at=1kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,例题： 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数pgA,解：,2.温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,热力学第零定律,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler） 如果两

7、个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础 B 温度计,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量,温度的测量,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,温标,常用温标（temperature scale）,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,4

8、59.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水沸点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,3.比体积v (specific volume),m3/kg,工质聚集的疏密程度,定义：单位质量工质的体积。又称为比容。,比体积与密度(density),密度：单位体积工质的质量,1-4 平衡状态thermodynamic equilibrium state,1、定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,2.平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不

9、平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,稳定未必平衡,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,3.平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡可不均匀,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,4.状态公理,闭口系：,不平衡势差 状态变化 能量传递,消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 消除一种能量传递方式,而不平衡势差彼此独立, 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1,n 容

10、积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,5.状态方程,简单可压缩系统：N = n + 1 = 2,绝热简单可压缩系统 N = ?,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系,状态方程的具体形式,理想气体的状态方程,实际工质的状态方程？,状态方程的具体形式取决于工质的性质,范德瓦尔方程,（a,b为物性常数）,BWR方程,维里型方程,可见，实际工质的状态方程是很复杂的,6.坐标图,简单可压缩系 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,说明：,2）过程线中任意一点 为平衡态,3）不平衡态无法在图 上用实线表示,常见p-v图和T-s图,1-5 工质的状态变化过程,平衡状态

11、,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,一般过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,1.准静态过程（quasi-static process）,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,准静态过程的工程条件,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）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000

12、转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/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,p,p外,f,初始：pA = p外A +f,A,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 = pA dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W =

13、pdV,1kg工质：,w =pdv,1,注意： 上式仅适用于准静态过程,示功图,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W =pdV,1kg工质：,w =pdv,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,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：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，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）,

14、（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,若有f 存在，就存在损失,p,p外,2,1,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，系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失的影响,若 f 0,p,p外,2,1,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。,2.可逆过程（reversible process）,定义：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。,注意：可逆过

15、程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应：,耗散效应,典型的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,自由膨胀,真空,典型的不可逆过程,节流过程 (阀门）,p1,p2,p1p2,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

16、 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(外文参考书） a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,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。,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,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。,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

17、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thermodynamic cycle,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,正循环（direct cycle ）,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时

18、针方向,2,1,1,2,逆循环(reverse cycle),p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,热力循环的评价指标,正循环（动力循环）：对外作功，吸热,W,T1,Q1,Q2,T2,热效率thermal efficiency,制冷系数coefficient of performance for the refrigeration cycle,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q1,Q2,T2,1）制冷循环：制冷系数,W,T1,Q1,Q2,T0,2）制热循环（热泵循环）：制热系数、热泵系数、供暖系数,第一章 小 结,基本概念： 热力系 平

19、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、工作系数,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W,W,Q,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

20、,(3)以放逸气体为系统,闭口系,功量：,W + W,热量：,Q + Q,W,Q,W,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,W,Q,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

21、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

22、快慢,但不可逆,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,pb,p,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,B,A,1）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,B,A,2）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AB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,A,B,B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， pApB,A,B,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AB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pbV=气体作功,再见,