基本概念2013_2

为什么引入平衡概念？
① 状态参数在平衡态（或局部平衡态）定义 ② 如果系统平衡，状态量与时间和空间无关(单相) ③ ④
热力学定律的初终态为平衡态 状态方程在平衡态成立 外界影响小时平衡态近似成立
平衡态是 一种模型
⑤
经典热力学主要研究平衡态下规律
§1-5. 工质的状态变化过程
非平衡态
过程：状态的变化 路径：过程中系统 经历的一系列状态
pv RgT
状源自文库方程的图形
固-液
p p v,T
等压线 气 等温线(临界)
p
液 固 液-气 固-气
T
三相线
v
坐标图
状态函数
i = f i ( p, v)
p
1 2
i = p, v, T , u, h, s,...
热力学坐标
p, v,T , u, h, s,...
v
p = p 0v v = 0p v
A B
Q Q Q Q Q 0
A B A A
A B
可逆模型的引入
物理上无限小势差
如果没有不平衡势差和摩擦,系 统与外界能同时沿原路径恢复 到初始状态，而不留下变化 可逆过程 可逆过程外界 得到的功大于 不可逆过程
不 可 逆
理论上可逆过程是最优过程
2
W Q I 2 R
功全变热
T2
准静态过程中的容积变化功（膨胀或压缩）
p
d
dA
W pdA d p dAd pdV
A A
系统
V
准静态 p
W12 pdV
1
2
1
A
W W 12
2
示功图
V
比功
2 1
路径
w12 W12 / m pd v
在平衡态下简单可压缩系统的状态 完全有两个独立的强度状态量确定
i = f i ( p, v)
状态函数
i T , u , h, s,...
状态方程
状态方程 基本状态参数之间的关系 简单可压缩系统，平衡状态下
v f ( p, T )
f ( p, v, T ) 0
状态方程的具体形式取决于工质的性质 如:理想气体的状态方程
T2
T T1 dT , T1 2dT , ...，T2
准静态过程的特点
① 过程进行非常慢，系统内
部和系统内外的不平衡势 差无限小
过程中任何时刻的状态可 ② 看成时平衡态,系统状态参 数分布均匀。
不平衡势差指 引起不平衡的 因素（温差压 差等）
实际过程当温度扩散速度和压力传播度很快 ③ 使破坏平衡所需时间远大于驰豫时间，可认 为是准静态过程（如内燃机气缸）, 但很多 情况只是一种研究模型。
25 C
25 C
60 C
必须打破平衡才 能与外界作用

平衡态1
准静态过程
p p1 , p1 dp , p1 2dp, ...，p2
p 1
2
TH 1
p1 T1
pE1
TH 1 dT
p dp
T1 dT p2
pE
V
准静态过程:假定 为过程中随时无 限接近于平衡态 的过程
pE 2
TH 2
T2
热泵的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
T1
Q1 W
制热循环：制热系数
T0
作业
• 思考题 1－11，1－12, 1－14 • 习题 1－12，1－16 ，1－17
热能转换的特点及研究问题
① 工质连续周期性（循环）改变状态，经历升压、膨
W
W V I
广义力 广义 位移
② 功是通过边界传递的能量其全部
效果可表现为举起重物。 功的符号：系统 对外作功为正。
W
理想能量转 换及机械 传动装置
mg
h
W mgh
热不能完全转换成机械功
功和热量的异同
均为通过边界传递的能量，为系统与外界共有的过程量 线 线 功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量 （有序） 线 热是温差的驱动下物系间通过紊乱的微粒运动 发生相互作用而传递的能量（无序） 热机 T1 热不可 Q1 Q W 全变功 W W Q1 Q2 Q
T
2
终态 路径
1 初态
40 C 40 C
平衡态2
V
25 C
25 C

25 C

60 C
必须打破平衡才 能与外界作用

平衡态1
准静态模型的引入
非平衡态
一般来说，路径是非平 衡的，不便分析，有必 要引入准静态过程模型 (简称准静态模型)


T
2
终态 路径
1 初态
25 C 25 C
平衡态2
V
25 C
由于摩擦,反向时外界需要输出更大能量
可逆过程的能量交换
正过程 反过程 功= W
A
热= Q
A
W W
B A
Q Q
B A
可逆过程循环: 可逆过程的正反过程构成的循环
A B
W W W W W 0
A B A A
W

2
1
pdV
?
W p 0 AH p 0 V
准静态功与非准静态功
可能不可逆
准静态功（亦称可能的可逆功）：在准静态过 程或可逆过程所作的功，且满足： W F dX
特点：① F 系统强度状态量 X 系统广延状态量 广义
位移
广义力
p dV
② dX 变号时，F 不变号 ③ dX 趋于零时，F 有限
稳态(定常态) 热力系各处状态 量不随时间变化 非平衡态 如何定义 状态量 定常非 平衡态 270C恒温热源 有外界影响时热力系各处状态量仍可不随 时间变化，但一般情况下状态量分布不均匀 透热璧
25 C 25 C
Air
H 2o
绝热璧
25 C
环境温度
非平衡态强度状态量 假定 t 时刻将M点的微元边 界内物质与周围隔离经驰豫 时间后微元处于平衡态，称 为局部平衡状态，测得此状 态的状态参数定义为系统在M 点 t 时刻的强度状态函数：
正循环：净效应（吸热、对外作功）
T1
Q1 W
动力循环：热效率
T2
逆循环
环境
3
T
冷凝器 压缩机 蒸发器
1 2 3
2
节流阀
4
4
1
冷藏室
s
制冷机与热泵
环境
输入功
Q1
W
房间
输入功 Q1
排热 Q2
冷藏室
供暖 Q2
环境
W
制冷机
热泵
制冷机的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
T0
Q1 W Q2
制冷循环：制冷系数
工程热力学
Engineering Thermodynamics
能源与动力工程学院 Shool of Jet Propulsion
尹幸愉 2011.10.26
§1-4. 平衡状态、状态方程式和坐标图
. 平衡状态（Equilibrium state）: 不受外界影响系统状态不随时间变化的状态
外界影响指作功、传热、传质
35 oC
20 oC
30 oC
26 oC
冷
1.0 MPa
0.0 MPa
0.5 MPa
0.0 MPa
W
不可逆原因何在
由于存在不平衡势差，系统输 出的能量大于外界得到的能量， 要复原必须另加能量
弹簧力
正 摩擦力
无不 平衡 势差
反
要实现可逆，系统和外 界在正向每一微小过程 中输出（输入）的能量 必须等于反向过程中输 入（输出）的能量
40 C 40 C
平衡 均匀
平衡 非均匀
热力学平衡
力平衡 热平衡 相平衡 化学平衡 …
弛豫时间
当外界影响停止系统最终将趋于平衡态
25 C 60 C
非平衡
40 C 40 C
平衡
弛豫时间:非平衡态到平衡态的时间 弛豫时间随压力波速与温度扩散速度 增大而减小,与工质物性物性相关
状态量不随时间变化是否一定为平衡态?
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应= 可逆过程
由摩擦,电阻，非 弹性变性，磁阻 等引起的功变热 效应
无不平衡势差
耗散效应
不平衡性
不可逆性 耗散性
如何实现无 温差传热
热源 (heat source; heat reservoir)
定义： 工质从中吸取或向之排出热量 的物质系统 假定： 热源吸放热量时，温度不变。 ①
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
简单可压缩系统（simple compressible system）—— 无化学反应、电、磁，重力， 运动以及表面张力等效应的可压缩物质。
32
状态量与过程量的数学特性
二元函数 z f x, y 点函数 态函数 全微分
y
1
热力学坐标
z z2 z1 dz
§1-6. 热量和功
热量 (heat) ：是热力过程中由 绝热方法： ①绝热材料 ②消除温差
25 C Qout
于温差通过边界传递的能量。
传递能
动势能、内能是储存能（状态量）
120 C Qin
食物含有100焦耳热量
Q
吸热为正
时段 t2- t1
200

C
过程量
功是什么
功是力乘在力方向上的位移 力学定义： 热力学定义 ： 功是热力过程中不是由温差,系 ① 统与外界通过边界传递的能量
Tr 1
Q
Tr 2 Q
实际热源 边界热源
T
w
T
边界热源
系统
v
正循环
12 汽轮机 s 膨胀
汽轮机
过热器
1
发电机
34 给水泵 s 压缩 T
锅 炉
1
4
2
凝汽器
4
3 2 s
给水泵
3 p 吸热
41 锅炉
23 凝汽器 p 放热
热机
高温热源 吸热 作净功 W 排热 低温热源
T1
Q1
T2
热力循环的评价指标
dV
M
系统
t 时刻 t
. x, y, z, t p, T，..
此模型要求宏观分析的最小 时段远大于微元的驰豫时间
t

t+Δt
t
简单可压缩系统状态公理
简单可压缩系统（simple compressible system）—— 无化学反应、电、磁，重力， 运动以及表面张力等效应的可压缩物质。
WS
非准静态功（亦称不可逆功）：在不可逆过程 所作的功,不满足准静态功特点，如 摩擦功
f dx
可能准静态
电阻功 V d I
叶轮功 WS
状态公理
平衡状态下，在无化学变化时，质量一 定的系统独立强度状态量数目N 等于各 种可逆功(准静态功)的方式数目n 加以1
n 容积变化功、表面张力功等
T1 T2 T2
变温热源
绝热璧
T
热源
2
T T1 T , T1 2T , ...，T2
1 系统 S
当△T无限小系统与热源 可视为无温差传热
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，可逆过程不仅分析简便， 而且是最优理想化过程 实际过程是不可逆过程，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。
④ 过程进行慢并非一定是准静态过程（自由膨胀）
绝热自由膨胀过程
气体 隔板 真空
初态 若分多步完成是否 为准静态过程？
p
终态
1
2 V
实际过程不可逆
温差 传热
35 oC
20 oC
25 oC 25 oC
自由 膨胀
1.0 MPa
0.0 MPa
0.1 MPa
受控 膨胀 弹簧力
改变原外界可恢复原态
改变原 外界也 称在外 界留下 变化 （痕迹）
O
V1
V2
容积功与有用功
W Ws Wl
Ws Wu Wp
其中: W —容积功
f
pb
Wl —摩擦耗功；Wp＿排斥大气功。
Ws ---外界机械能功 Wu ---有用功
准静态过程 可逆过程
p
1
W W 12
pdV W pdV W
s
2
O
s
V1
V2
V
用外部参数计算非平衡过程的功
1
2
b
a
2
x
dz dz
1a 2 1b 2
状态量
曲线积分 (路径函数,泛函,过程量) F P( x, y) i Q ( x, y ) j W P dx Q dy F ds 令 12 12 ds dx i dy j W M 1 , M 2 , y f12 ( x), F x, y W P dx Q dy W12 W 33 不恰当微分
12
dz 0
§1-7. 热力循环 要实现连续能量转换，必须构成循环 定义：热力系统经过一系列变化后，又 回到原初始状态的一系列变化过程称为 热力循环。 全可逆循环 分类： 可逆循环 1 (2) 内部可逆循环 循环 b 不可逆循环 a
如何确定系统热源？
对复合系统不可逆循 环取实际热源温度 对复合系统可逆循环 取边界热源温度 边界热源(也称多 热源)是与系统温 度相差无限小（计 算取Tr=T）的假想 120 C 变温热源.它与系 130 C 统构成内部可逆系 统。 200 C
② 不存在不可逆性 Q = C T C=
如何实 现无温 差传热
22
• 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
变温热源模型
系统
T1
T1
热源温度变化时绝热，吸放热时不变
T T