動(dòng)力熱力學(xué)第01章 基本概念

1、返回,繼續(xù),下一頁(yè),返回,繼續(xù),下一頁(yè),返回,繼續(xù),下一頁(yè),,返回,下一頁(yè),,繼續(xù),蒸汽動(dòng)力裝置（流程圖）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐,過(guò)熱器,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),冷凝器,泵,返回,繼續(xù),下一頁(yè),共同本質(zhì)：,都是通過(guò)媒介物的：,§1-2 工質(zhì)、熱源及熱力系統(tǒng),定義:實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。,對(duì)工質(zhì)的要求：,① 膨脹性,② 流動(dòng)性,③ 熱容量,④ 穩(wěn)定性、安全性,⑤ 環(huán)保性能,⑥

2、 價(jià)格,},物質(zhì)三態(tài)中氣體最合適,1. 工質(zhì)（working substance; working medium ）,吸熱,膨脹做功,排熱,來(lái)完成從燃料燃燒產(chǎn)生的熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。,,,2.熱源（heat source；heat reservoir）,定義：工質(zhì)從中吸取或向之排放熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。,熱源,{,溫度高低,溫度變化,{,{,高溫?zé)嵩矗嵩?— heat source）,低溫?zé)嵩矗ɡ湓础猦eat sink）,恒溫?zé)嵩矗╟on

3、stant heat reservoir）,變溫?zé)嵩矗╲ariational heat reservoir）,3.1 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）和 外界及邊界,系統(tǒng)（thermodynamic system or system）,人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)；,外界（surrounding ）與體系發(fā)生能量和物質(zhì)交換的物質(zhì)；,,,,邊界（boundary）系統(tǒng)與外界的分界線（面）；,,,System,,Boundar

4、y,Surroundings,三者之間的關(guān)系：,汽缸-活塞裝置（閉口系例）,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)（開(kāi)口系示例）,注意：,① 系統(tǒng)與外界設(shè)定的人為性；② 外界與環(huán)境介質(zhì)；③ 邊界可以是： ⅰ 剛性的或可變形的； ⅱ 固定的或可移動(dòng)的； ⅲ 真實(shí)存在的或虛擬的。,3.2 邊界示意圖,3.3 熱力系統(tǒng)

5、分類(lèi)（1）,? 按組元數(shù)： 單元系—one component system; pure system 多元系—multicomponent system? 按相數(shù)： 單相系—homogeneous system 多相系—heterogeneous system注意：1) 不計(jì)恒外力場(chǎng)的影響; 2) 多相系未必不均勻（濕蒸汽）； 3

6、) 單元系未必均勻（汽液平衡分離）。,3.4熱力系統(tǒng)分類(lèi)（2）,按系統(tǒng)與外界有無(wú)質(zhì)量交換分為： 開(kāi)口系（open system）控制體積（CV） 通過(guò)邊界與外界有物質(zhì)交換； 閉口系（close system）控制質(zhì)量（CM） 沒(méi)有物質(zhì)交換。,常見(jiàn)的熱力常系統(tǒng),? 絕熱系—adiabatic system

7、 與外界無(wú)熱量交換；? 孤立系—isolated system 與外界既無(wú)能量交換也無(wú)物質(zhì)交換；? 簡(jiǎn)單可壓縮系—simple compressible system 由可壓縮流體組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界可 逆功的交換只有體積變化功一種形式的系統(tǒng)。注意：1) 閉口系與質(zhì)量不變系的區(qū)別； 2)

8、開(kāi)口系與絕熱系的關(guān)系； 3) 孤立系與絕熱系的關(guān)系。,3.5熱力系統(tǒng)示例圖,剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)有電熱絲加熱,紅線內(nèi),—閉口絕熱系,黃線內(nèi)不包含電熱絲,—閉口系,黃線內(nèi)包含電熱絲,—閉口絕熱系,藍(lán)線內(nèi)—孤立系,3.6 熱力系示例圖,剛性絕熱噴管,取紅線為系統(tǒng)—閉口系,取噴管為系統(tǒng)—開(kāi)口系絕熱系？,§1-3 工質(zhì)的熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)數(shù),? 熱力學(xué)狀態(tài)— state of thermodyn

9、amic system — 某一瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況? 狀態(tài)參數(shù)— state of properties — 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量 a) .狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，反映了大量粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀平均效果，　　　只有平衡態(tài)才有統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)?！　　〕Ｓ玫臓顓⒂校簆, T，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等，　　　其中ｐ，Ｔ，Ｖ稱(chēng)為

10、基本狀態(tài)參數(shù)?！。猓顟B(tài)參數(shù)的特性：狀態(tài)的單值函數(shù)　　　　　物理上：與過(guò)程無(wú)關(guān)　　　　　數(shù)學(xué)上：其微分是全微分,,c)狀態(tài)參數(shù)的分類(lèi)： 廣延量—與系統(tǒng)質(zhì)量多少有關(guān)　　　　　extensive properties 強(qiáng)度量—與系統(tǒng)質(zhì)量多少無(wú)關(guān)　　　　　　intensive properties 注：廣延量的比參數(shù)又具有強(qiáng)度量的性質(zhì)。比如： 任意兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)相

11、同的充要條件是：　　　　　所有狀參一一對(duì)相等。 兩個(gè)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是：　　　　　兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)相等。,一、溫度（temperature）　　溫度：物體的冷熱程度　　熱平衡：冷熱程度相同時(shí)，兩物體達(dá)到熱平衡熱力學(xué)第零定律——熱平衡定律（the zeroth law of thermodynamics） 　如果A 與 B，A與C熱平衡，則B與C熱平衡　　　　　　　　　　　　　

12、—測(cè)量溫度的依據(jù),,溫標(biāo)（temperature scale）－溫度的表示方法 溫標(biāo)的組成：1.基準(zhǔn)點(diǎn)，2.刻度,華氏溫標(biāo)　基準(zhǔn)點(diǎn)：1atm　水　冰點(diǎn)　規(guī)定為 32 °F 　　　　　　　　　1atm　水　汽點(diǎn)　規(guī)定為 212 °F 　　　　　刻　度：基準(zhǔn)點(diǎn)間　1/180,熱力學(xué)溫標(biāo)　基準(zhǔn)點(diǎn)：水的三相點(diǎn)　規(guī)定為273.16K 刻　度：基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的1

13、/273.16,攝氏溫標(biāo)：基準(zhǔn)點(diǎn)：1atm　水　冰點(diǎn)　規(guī)定為　0　℃　　　　　　　　　1atm　水　汽點(diǎn)　規(guī)定為 100 ℃　　　　　刻　度：基準(zhǔn)點(diǎn)間　1/100,熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)（thermodynamics scale; Klvin absolute temperature scale and Celsius temperature scale ） 　　　　　　T=t+273.15 K華氏溫標(biāo)與攝

14、氏溫標(biāo)的關(guān)系華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)的關(guān)系,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：與測(cè)溫物質(zhì)的特性有關(guān)。,二、壓力（pressure）,壓力：即物理上的壓強(qiáng)。單位 單位換算，一定要注意：見(jiàn)表1-1（P11） 壓力的測(cè)量： 1.當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)壓力高于外界壓力時(shí)，使用壓力表測(cè)量　　　　壓力，側(cè)得的結(jié)果叫表壓力，其值是系統(tǒng)壓力與外　　　　界壓力的差。 2.當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)壓力低于外界壓力時(shí)，使用真空計(jì)測(cè)量，　　　

15、　測(cè)得的結(jié)果叫真空度，其值是外界壓力與系統(tǒng)壓力　　　　之差。 3.大氣壓力的測(cè)量用大氣壓力計(jì)，測(cè)出的是大氣的絕　　　　對(duì)壓力。,絕對(duì)壓力 —absolute pressure表壓力 —gauge pressure; manometer pressure 真空度 —vacuum pressure當(dāng)?shù)卮髿鈮?—local atmospheric

16、 pressure,示例圖,三、比容（specific volume）,比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)所占的體積,密度(density)；單位體積物質(zhì)的質(zhì)量,兩者的關(guān)系：,可見(jiàn)，二者相關(guān)，不互相獨(dú)立。,注：獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，彼此不相關(guān)(可獨(dú)立變化),如p，T。,作業(yè)：1-3，8,§1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖,討論：平衡與穩(wěn)定、平衡與均勻的關(guān)系,定義：如果在外界對(duì)其影響不變的條件下，系統(tǒng)的 狀態(tài)能夠始終保持不變

17、，則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,一、平衡狀態(tài)(thermodynamic equilibrium state),處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間改變。,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件：,系統(tǒng)與外界之間，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間同時(shí)達(dá)到熱和力的平衡(相平衡、化學(xué)平衡等)。,熱平衡(thermal equilibrium) — 溫差為零力平衡(mechanical equilibrium) — 和力均為零。,穩(wěn)定未必平衡,平衡未必均勻,反之如何？請(qǐng)思考

18、！,非平衡狀態(tài)：有不平衡勢(shì)存在！,穩(wěn)定與平衡,均勻與平衡,平衡狀態(tài)可用狀態(tài)參數(shù)描述，非平衡狀態(tài)不能。,二、狀態(tài)方程式,狀態(tài)公理：,例. 1)單組分氣體系統(tǒng)： 2=1-1+2 如p和T，當(dāng)p一定時(shí)， T不同則狀態(tài)不同。 2) 液或汽態(tài)的水：　 2=1-1+2?！　　★柡退惋柡退羝?=1-2+2 ; 　　3)水的三相點(diǎn)　0＝1－3＋2,狀態(tài)方程：基本狀態(tài)參數(shù)p，v，T之間的

19、關(guān)系式稱(chēng)為狀態(tài)方程。,T=T (p, v), p=p (T, v), v=v (p, T)隱含數(shù)的形式：F=F (p, v, T),這種關(guān)系是否一定存在呢？狀態(tài)公理能回答此問(wèn)題。,三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖,簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，故可以在平面上以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)軸畫(huà)坐標(biāo)圖，如：,p,v,p,T,T,s,h,,,,,,,,,,,,T,p,h,坐標(biāo)圖上的點(diǎn)與系統(tǒng)的平衡狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。非平衡態(tài)不能用點(diǎn)在坐標(biāo)圖上表示。因無(wú)確定的狀態(tài)參

20、數(shù)。,§1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程,熱力過(guò)程：工質(zhì)狀態(tài)變化,一、準(zhǔn)平衡過(guò)程(quasi-static process; quasi-equilibrium),例. 放氣：,,,,,,對(duì)比右側(cè)：,,,,,,,,水,,波向左傳播,,打開(kāi),關(guān)閥時(shí)：平衡,打開(kāi)閥：a)平衡破壞，狀態(tài)變化，壓力波如水波向左傳播　　　　　(假定界面內(nèi)外有壓差)，過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)部不　　　　　均勻，無(wú)統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)。 b)如果

21、閥開(kāi)度極小，比如幾個(gè)分子地向外放，過(guò)　　　　　程極緩慢，系統(tǒng)內(nèi)部不均勻幾乎不存在，短時(shí)　　　　　間內(nèi)可以看作平衡狀態(tài)。,準(zhǔn)平衡過(guò)程,定義：若過(guò)程進(jìn)行得相對(duì)緩慢，工質(zhì)有足夠的時(shí)間來(lái)恢復(fù)　　　平衡，隨時(shí)都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，則這樣的過(guò)　　　程叫準(zhǔn)平衡過(guò)程。,特點(diǎn)：相對(duì)弛豫時(shí)間來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)平衡過(guò)程是進(jìn)行得無(wú)限緩慢的　　　過(guò)程，偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)都能恢復(fù)到平衡狀態(tài)　　　，準(zhǔn)平衡過(guò)程又叫準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。,進(jìn)行條件：不平衡勢(shì)⊿p，⊿T無(wú)窮

22、??；　　　　　過(guò)程進(jìn)行得無(wú)限緩慢；工　　　　　質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力。,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以在狀態(tài)圖上用連續(xù)實(shí)線表示。,二、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程,可逆過(guò)程(reversible process),定義：過(guò)程能經(jīng)原路徑逆行，使　　　系統(tǒng)回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；相　　　關(guān)的外界也回復(fù)到原來(lái)的　　　狀態(tài)而不留下任何改變。,例：氣缸活塞系統(tǒng),,,,,,,,,,正,逆,正,逆,摩擦的影響：,a)無(wú)摩擦,正過(guò)程,逆過(guò)程,{,b)有摩擦,{,正過(guò)程,逆過(guò)程,

23、逆過(guò)程使系統(tǒng)復(fù)原，但外界多耗功。,結(jié)論：摩擦使過(guò)程不可逆。,溫差的影響：,a)無(wú)溫差,b)有溫差(假設(shè) ),結(jié)論：溫差使過(guò)程不可逆。,進(jìn)一步分析，為使Q能傳回 ，需加熱泵，但要消耗一定的功 ，也不可逆(比較水泵)。,但 ，Q不能傳回 。,壓力差的影響：壓力差使過(guò)程不可逆。,{,正,逆,{,正,逆,P,F,α,,,f,,非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程—nonequilibri

24、um process,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆,準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程的關(guān)系(自己研究，鍛煉一下邏輯思維),可逆過(guò)程,準(zhǔn)平衡過(guò)程；,,反之，準(zhǔn)平衡過(guò)程,可逆過(guò)程。,,？,不平衡過(guò)程,不可逆過(guò)程；,不平衡過(guò)程。,不可逆過(guò)程,,,？,原命題成立，逆命題不一定成立，逆否命題一定成立,無(wú)耗散效應(yīng)(如摩擦、電阻等)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程?！〖纯赡孢^(guò)程=準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散過(guò)程；,2. 準(zhǔn)平衡過(guò)程只從系統(tǒng)內(nèi)部平衡的角度考慮問(wèn)題；可逆　過(guò)

25、程除考慮平衡外，還考慮了耗散效應(yīng)的問(wèn)題(更全面)；,討論：,3. 一切實(shí)際過(guò)程均不可逆；,4. 內(nèi)部可逆過(guò)程；外部可逆過(guò)程,5. 可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的實(shí)線表示。,§1-6 過(guò)程功和熱量,一、功的熱力學(xué)定義,,,,,,,,,,p,,,功的定義：對(duì)微元過(guò)程(狀態(tài)發(fā)生微小變化),式中：,叫微元功；,叫折合壓力，是考慮外界得到的效果。,當(dāng)狀態(tài)有限變化時(shí)，過(guò)程功為：,這里：1— 初始狀態(tài)，2—終了狀態(tài),功的單位：焦(J);

26、 功率的單位：瓦(W)。,工程中常用的單位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。,二、可逆功,當(dāng)過(guò)程為可逆過(guò)程時(shí)，,，故,可見(jiàn)：可逆過(guò)程的功，可由　　　過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)　　　的變化來(lái)進(jìn)行計(jì)算。,示功圖如右：則有，,可逆過(guò)程功可用示功圖上過(guò)程線下的面積表示。,功是過(guò)程量?！　∧骋粻顟B(tài)時(shí)沒(méi)有功的概念。(無(wú) ),功的“正”與“負(fù)”的意義：,膨脹，,壓縮，,定容，,系統(tǒng)對(duì)外界作功，如1-2；,系統(tǒng)不作功，如1-4；,外界對(duì)系統(tǒng)作

27、功，如1-3。,幾點(diǎn)討論：,a) 有用功(useful work),,,,,pb,f,其中W—膨脹功(compression/expansion)； Wl—摩擦耗功； Wr—排斥大氣功； Wu—有用功。,例題,b)用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功：,,,?,,作業(yè)：1-9，13。,三、廣義功 (不要求) 未言明“不要求”的，一律自學(xué),四、過(guò)程熱量,熱量(heat)：

28、,系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過(guò)邊界傳遞的能量。,單位：焦耳(J)。正負(fù)：系統(tǒng)吸熱為“正”，放熱為“負(fù)”。,計(jì)算式及其在T-S圖上的表示：,所以，熱是過(guò)程量。,功與熱量的相同與區(qū)別：,1. 二者均為過(guò)程量，是傳遞的能量；,2. 只有在能量傳遞過(guò)程中才有所謂的功和熱量；,3. 功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志； 熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵的變化是傳熱標(biāo)志；,4. 功的傳遞改變宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，往往伴隨著能量形式的變化；

29、 熱量傳遞改變微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化。,5. 功,熱量,,,無(wú)條件,有條件和限度,§1-7熱力循環(huán),一、循環(huán) (thermodynamic cycle),定義：系統(tǒng)經(jīng)一定的過(guò)程之后，又回到原來(lái)的狀態(tài)。,特性：系統(tǒng)一切狀態(tài)參數(shù)復(fù)原。,可逆循環(huán)(reversible cycle)：全部由可逆過(guò)程組成的循環(huán)；不可逆循環(huán)(irreversible cycle)：其中有部分過(guò)程或全部過(guò)　　　　　　　　　　

30、　　　　程是不可逆的循環(huán)。,二、正向循環(huán)和逆向循環(huán),正向循環(huán)(direct cycle) 　　— 熱動(dòng)力循環(huán)(power cycle),在p-v圖上和T-s圖上為順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行,正向循環(huán)：系統(tǒng)凈吸熱，對(duì)外作凈功?！　∨蛎浘€在壓縮線之上　　吸熱線在放熱線之上,逆向循環(huán)(reverse cycle) (圖中紅箭頭方向) 　　— 制冷循環(huán)(refrigeration cycle) 熱泵循環(huán)(heat-pu