工程热力学 第一章 基本概念.ppt

各压力单位之间的换算关系：
Pa bar
Pa
bar atm at
mmHg mmH2O
1 1×105
1×10-5 1
0.98692 0.10197 7.5006 0.101971 ×10-5 ×10-4 ×10-2 2
0.98692 1.01972 750.062 10197.2
atm 101325 1.01325 1
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
平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，
则状态变化 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
破坏平衡所需时间
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >> （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）
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
工质种类
单元系 多元系
单相 相态
多相
简单可压缩系统
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
§1－3 工质的热力学状态及其基本状态参数
状态 热力系统在某一个瞬间所呈现的宏观
物理状况称为系统的状态。
平衡状态
定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除
§1－1 热能在热机中转变成机械能的过程
热能动力装置：
从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动 力的设备。
化学能
热能
机械能
热能动力装置分为两大类： 燃气动力装置（内燃机、燃气轮机） 蒸汽动力装置（蒸汽轮机）
内燃机（汽油机）
工作过程：
吸气
排气
压缩
燃烧、膨胀
能量转换：
燃料 化学能
燃气 热能
机械能
大气
平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
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
状态参数
描述系统所处平衡状态的宏观物理量称为状态 参数。如温度、压力等。
基本状态参数： 压力、温度、比体积 不可测参数： 热力学能、焓、熵等 复合参数： 吉布斯函数、亥姆霍兹函数
华氏温标与摄氏温标的换算关系为：
t(℃)= 5 [tF(o F ) 32] 9
0℃ = 32 °F 100 ℃ = 212°F
二、压力
定义： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)
分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器 壁的平均结果。
压力计 测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表
存在能提供热能的能量源； 余下的热能排向环境介质。
结论：
各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过 程：吸热、膨胀作功和排热。
名词定义：
工质： 实现热能和机械能相互转化的媒介物质。
热源（高温热源）： 工质从中吸取热能的物系。
冷源（低温热源） ： 接受工质排出热能的物系。
热能动力装置的工作过程可概括成：
状态参数的特性：
(1) 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。
数学上： 点函数、态函数
2
2
2
1
a
2
dz dz dz z2 z1
1 1,a 1,b
b
dz 0
例：温度变化 山高度变化
(2) 状态参数的微分特征
设 z =z (x , y)
1
735.559 ×10-4
13.5951 1
比体积（比容）v
vV m
［m3/kg]
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度 ［kg/m3]
v 1

§1-4 状态方程、坐标图
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
想确切描述某个热力系，是 否需要所有状态参数？
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
T2 = T0
p
1.
.
2
p，T
v
准静态过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0
假如重物有无限多层 每次只去掉无限薄一层 系统随时接近于平衡态
p
1.
p，T
. .
2
v
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
准静态过程的工程条件
有
是否传质
开口系
是否传热
非绝热系
是否传功
非绝功系
是否传热、功、质 非孤立系
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
1
m
Q W
4
1 开口系 1+2 闭口系
2 1+2+3 绝热闭口系
1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界
＝孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
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
v f ( p,T) f ( p,v,T) 0
状态方程的具体形式
状态方程的具体形式取决于工质的性质 理想气体的状态方程
pv RT pV mRT
实际工质的状态方程？？？
座标图
简单可压缩系 N=2，平面坐标图
p 1
说明：
1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上
2
v 常见p-v图和T-s图
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
§1-6 热力过程
平衡状态
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 T1 = T0
p0
突然去掉重物 最终 p2 = p0
蒸汽动力装置
1－炉子 2－炉墙 3－沸水管 4－汽锅 5－过热器
6－汽轮机 7－喷嘴 8－叶片 9－叶轮 10－轴 11－发电机 12－冷凝器 13、14、16－泵 15－蓄水池
比较上述两种热机
不同点：构造和工作特性不同。
相同点：
存在某一种媒介物质以获得能量；（如内 燃机中混合气，蒸汽机中的水）
温标
定义：温标是指温度的数值表示法
温标三要素： 测温物质及其测温属性 基准点 分度方法
任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定 所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物 质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖 于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。
常用温标
绝对K 摄氏℃
dz是全微分
dz


z x

y
dx


z y
x
dy
充要条件：
2z 2z xy yx
可判断是否 是状态参数
(3）常用的状态参数有:
压力P、温度T、体积V、热力学能U、 焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直 接用仪器测量，称为基本状态参数。其 余状态参数可根据基本状态参数间接算 得。
第一章 基本概念
本章基本要求：
掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、 平衡态、准平衡过程、可逆过程等。
掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的
定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特 征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、 功量进行计算。
了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。
工质从高温热源吸热，将其中一部分转 化为机械能而作功，并把余下部分传给低温 热源。
热源
吸热
热机
作功
放热
冷源
§1－2 热力系统
系统:选取一定的工质或空间作为研究对象 外界:与系统发生质、能交换的物体统称外界 边界:系统和外界之间的分界面
边界特性
固定、活动 真实、虚构
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV
2
W pdV
1
1kg工质：w =pdv
2
w 1 pdv
p
p外
注意： 上式仅适用于
1
2
准静态过程
p
1.
p 1
示功图
W
mkg工质：
0℃＝273.15K，t(℃)=T(K)-273.15
华氏温标：
1724年由德国人华氏（cabridl D Fahrenheit） 提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获 得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度 作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使 用12进位法。符号tF ，单位 °F。