高等工程热力学课件

常见
90 ℃
0 ℃
例：
内可逆 外不可逆
§1-7 功 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。
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
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
示功图与示热图
p
V
W
T
S
Q
示功图
温熵(示热)图
§1-9 热力循环
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
p
V
T
S
净效应：对外作功
净效应：吸热
正循环：顺时针方向
2
1
1
2
逆循环
T0
制热循环：制热系数
本章基本要求
4掌握混合气体分压力、分容积的概念
1 掌握理想气体状态方程的各种表述形式， 并应用理想气体状态方程及理想气体定值 比热进行各种热力计算
2掌握理想气体平均比热的概念和计算方法
3理解混合气体性质
第二章 理想气体的性质
本章重点
1 理想气体的热力性质
标志 dV , dv dS , ds
公式
条件 准静态或可逆 可逆
熵（ Entropy）的定义
reversible
熵的简单引入
比参数 [kJ/kg.K]
ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商
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：净效应（对外作功，吸热）
W
T1
Q1
Q2
T2
动力循环：热效率
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T0
Q1
Q2
T2
制冷循环：制冷系数
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T1
Q1
Q2
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
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
强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T
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 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
状态方程
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
容积变化功
压缩功膨胀功
§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
本章重点
取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。 §1-1 热力系统 1、系统与边界 热力系统(热力系、系统)：用界面分离出的研究对象。 外界：系统以外的所有物质 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
第一章 基本概念
热力系统选取的人为性
锅 炉
汽轮机
发电机
给水泵
凝汽器
过热器
只交换功
只交换热
既交换功 也交换热
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
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
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
大气压随时间、地点变化。
物理大气压 1atm=760mmHg
当h变化不大，ρ常数
1mmHg= ρgh=133.322Pa
当h变化大，ρ ρ(h)
其它压力测量方法
高精度测量：活塞式压力计
工业或一般科研测量：压力传感器
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。
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
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。
温度测量的理论基础 B 温度计
热力学第零定律
热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准
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
示功图
p
V
.
1
2
.
p
p外
2
1
mkg工质：
W =pdV
1kg工质：
w =pdv
W
可逆过程的定义
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：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa
清华大学刘仙洲教授命名为“熵”
广延量 [kJ/K]
熵的说明
1、熵是状态参数
3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向
2、符号规定
系统吸热时为正 Q > 0 dS > 0 系统放热时为负 Q < 0 dS < 0
4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量
3）不平衡态无法在图 上用实线表示
常见p-v图和T-s图
2
1
§1-6 准静态过程、可逆过程
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
p，T
p0
T1 = T0
突然去掉重物
最终
p2 = p0
T2 = T0
p
v
1
2
.
.
准静态过程
例：火力发电装置
锅 炉
汽轮机
发电机
给水泵
凝汽器
过热器
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
§1-8 热 量 与 熵
1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。
另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。
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。
完全可逆、内可逆与外可逆
完全可逆 可逆 内部可逆，外部不可逆 外部可逆，内部不可逆
［kg/m3]
§1-4 平衡状态
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
平衡与稳定
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
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
是否传热 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
m
Q
W
1 开口系
热力系统
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
1+2 闭口系
2 理想气体状态参数间的关系
3 理想气体比热
§2-1 理想气体状态方程
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：
比容
比内能
比焓
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质
§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
压力p测量
示意图
一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
绝对压力与相对压力
示意图
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。 见习题1－7
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
比容v
［m3/kg]
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度
热 量 如 何 表 达 ？
热量是否可以用类似于功的式子表示？
？
引入“熵”
热量与容积变化功
能量传递方式 容积变化功 传热量
性质 过程量 过程量
推动力 压力 p 温度 T
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
§1-5 状态方程、坐标图
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1
想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？
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
1+2+3 绝热闭口系
1+2+3+4 孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
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
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