热工基础 第4章 工程热力学绪论和基本概念

四、为什么引入平衡概念？
如果系统平衡，可用一组确定的参数（压力、温 度）描述。
但平衡状态是静态，没有能量交换。
能量交换
状态变化
如何描述
破坏平衡
1.3 平衡状态、参数坐标图
五、参数坐标图
p
1
——常见p-v图和T-s图
说明：
2
1）系统任何平衡态可表示在坐标图上
v
2）过程线中任意一点为平衡态
T 1
3）不平衡态无法在图上用实线表示 2
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
1.2 状态和状态参数
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
环境压力（压力表所处环境）和大气压力 注意： 环境压力一般为大气压，但不一定。
1.2 状态和状态参数
例4.1：已知当地大气压力pb，压力表1、 2的读数分别为pg1，pg2。求pg3？
热力系统(热力系、系统)：人为地把研究对象从周围物体中分 割出来，这种人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统。 外界：热力系以外、与系统发生质量、能量交换的周围物质系 统统称外界。 边界：热力系与外界的分界面（线）。
á 边界可以是实在的，也可以是假想 的；可以是固定的，也可以是移动的。
1.1 热力系统
态有关。
2
2
2
∫dz = ∫ dz = ∫dz = z2 − z1
1 1,a 1,b
∴ ∫ dz = 0
例：温度变化、山的高度变化
1
a
2 b
状态参数的微分特征：设 z =z (x , y)，dz是全微分。 可判断是否 是状态参数
dz
=
⎛ ⎜⎝
∂z ∂x
⎞ ⎟⎠
y
dx
+
⎛ ⎜ ⎝
∂z ∂y
⎞ ⎟ ⎠x
耗散效应
通过摩擦使功 变热的效应(摩阻， 电阻，非弹性变性， 磁阻等）
1.4 准静态过程、可逆过程
3、典型的不可逆过程
不等温传热
自由膨胀
T1
Q
T1>T2
T2
•• ••
• ••
•• •
•• ••
•••
真空
1.4 准静态过程、可逆过程
节流过程 (阀门）
混合过程
p1 p1>p2
••
•
★ ★★
•
★
••
★
p2
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本章重点和难点
本章重点：
热力系统的分类和特点；平衡状态；状态参数的特点和 分类；广延量和强度量；常见的参数坐标图；热力学第 零定律；可逆过程、热力过程和热力循环；过程量功与 热量的特点。
本章难点：
平衡状态；可逆过程；广延量、强度量、功和热量。
1.1 热力系统
一、系统的定义（system）
T[K] =t[OC]+273.15 t[OC] = 5(t[F]−32)
9 t[F] =t[R]−459.67
1.2 状态和状态参数
物质 （水银，铂电阻）
温度的测量
温度计
特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 刻度
温标
温度的测量方法
日常：水银温度计，酒精温度计，水温度计 工业：热电偶，热电阻，辐射温度计 计量：铂电阻温度计
dy
充要条件
∂2z = ∂2z ∂x∂y ∂y∂x
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1.2 状态和状态参数
二、状态参数的分类
按与所含 工质的量 是否有关
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： v = V m
一、状态和状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况。 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
1.2 状态和状态参数
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
的效益。
主要章节
1 绪论 2 能量转换的基本概念 3 热力学第一定律 4 理想气体的性质和热力过程
主要章节
5 热力学第二定律 6 实际气体、水蒸汽的性质 7 理想气体和实际气体的流动 8 热力学应用
第4章 能量转换的基本概念
1
目录
1.1 热力系统 1.2 状态和状态参数 1.3 平衡状态、参数坐标图 1.4 准静态过程、可逆过程 1.5 功与热量 1.6 热力循环
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1.1 热力系统
á以空间为系统，进、出 口边界均为假想边界，系 统与外界有物质交换
á 以气缸内气体为系统， 活塞表面上的边界是移动 边界，系统与外界没有物 质交换
1.1 热力系统
热力系统其它分类方式 物理化学性质
均匀系 非均匀系
其它分类方式
单元系
工质种类
多元系
单相
相态
多相
1.1 热力系统
【解】⑴压力表1测得的是A室的相对压力，
故
pg1 = pA − pb ⇒ pA = pg1 + pb
⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故 pg2 = pA − pB ⇒ pB = pA − pg2
⑶压力表3测得的是B室的相对压力，故 pg3 = pB − pb
1.2 状态和状态参数
1.2 状态和状态参数
绝对K 373.15
摄氏℃
华氏F
100 水沸点
212
常
用
温
273.16 273.15
标
37.8
发烧
100
0.01 水三相点
0
冰熔点
32
-17.8 盐水熔点
0
朗肯R 671.67 559.67 491.67 459.67
0
-273.15
-459.67
0
1.2 状态和状态参数
温标的换算
平衡势。
1.3 平衡状态、参数坐标图
二、平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。 稳定但存在不平衡势差（温差） 去掉外界影响，则状态变化
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
1.3 平衡状态、参数坐标图
三、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。
1.3 平衡状态、参数坐标图
常用单位： 1 kPa = 103 Pa
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013×105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665×104 Pa
1.2 状态和状态参数
压力p测量、相对压力、绝对压力
2、温度 T
温度T 的一般定义
传统：冷热程度的度量。感觉，导热
微观：衡量分子平均动能的量度。 T ∝ 0.5 m c 2
T=0 ⇒ 0.5mc 2=0 ⇒ 分子一切运动停止，零点能
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1.2 状态和状态参数
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 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。
3、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？
1.4 准静态过程、可逆过程
4、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
1.4 准静态过程、可逆过程
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。
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1.4 准静态过程、可逆过程
2、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
耗散效应
不可逆根源
不平衡势差
工程热力学 绪论
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研究对象、内容和方法
研究对象：热能有效利用及热能与其它形式能量（机械 能）相互转换规律和方法。
基本内容：1）基本概念和能量转换基本定律； 2）工质的基本性质和热力过程； 3）工程应用；
方法：
1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学) 2）微观方法；(微观热力学或统计热力学)
5、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=2000×2 ×0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s
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。
1.4 准静态过程、可逆过程
二、可逆过程
1、定义
1.2 状态和状态参数
3、比容 v
v = V [m3/kg] m
v= 1 ρ
物理上常用密度 ρ [kg/m3]
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1.3 平衡状态、参数坐标图
一、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 相变——相不平衡势 平衡的充要条件（本质）：系统内部及系统与外界之间不存在不
热力系统选取的人为性
过热器
锅 炉
汽轮机 发电机
凝 汽 器
给水泵
只交换功
既交换功 也交换热
只交换热
边界特性
1.1 热力系统
固定、活动
真实、虚构
1.1 热力系统
二、热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有
是否传质
开口系
是否传热 是否传功
非绝热系 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
部及系统与外界作用的总效果； z 准平衡过程是可逆过程的必要条件，但不充分；不平衡过
程一定是不可逆过程； z 可逆过程的充分必要条件:准平衡过程、无摩擦、过程无限
工程热力学与人生心态
望子成龙—对于不同的热力循环，我们都希望实现能量转换与利用。 万事如意—可逆循环，实际上虽然不能实现，却是最求的目标。 完美无缺—尽量减少不可逆因素的影响，使热力过程无限接近
可逆过程。 白马王子，孔雀公主—卡诺循环热效率，最高的理想标准。 获得成功—研发不同的热力循环，实现能量的转换与利用。 最小付出，最大回报—逆向卡诺循环，以最小的能耗，获得最大
1.4 准静态过程、可逆过程
5、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 √常见
外部可逆，内部不可逆
例：以冰水混合物为热力系
缓慢加热
准静态过程
0℃ 90 ℃
系统内部等温传热，无耗散
内可逆
外部温差传热
外不可逆
1.4 准静态过程、可逆过程
6、可逆过程与准静态过程
z 可逆过程=准平衡过程+过程中没有耗散效应； z 准平衡过程着眼于系统内部平衡，可逆过程着眼于系统内
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
1.1 热力系统
三、工质
定义：用来实现能量相互转换的媒介物质。
原则上：气、液、固三态 物质都可作为工质。
热力学中的工质：气（汽） 态物质及涉及气态物质 相变的液体。
气体
理想气体 实际气体 蒸气
1.2 状态和状态参数
比容
u=U m
比内能
h= H m
比焓
s= S m
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质
1.2 状态和状态参数
基本状态参数：压力 p、温度T、比容v。 按是否直接或
容易测量分
非基本状态参数：内能 U、焓 H、熵S。
三、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
温度测量的理论基础
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。
1.2 状态和状态参数
温标：温度的数值表示。
基准点 温标三要素 测温物质的性质
分度方法 绝对温标：符号T，单位K 新摄氏温标：符号t，单位℃ t(℃)=T(K)-273.15
• •
• •★
★ ★
★
•
•
••
★
★
•
•
★
•
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
★
★
1.4 准静态过程、可逆过程
4、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，先按理想情 况（可逆过程）处理，用系统状态参数加以分析，然后考虑不 可逆因素加以修正。
p0
突然去掉重物
最终
p2 = p0
p
1.
T2 = T0
p，T
.
2
v
1.4 准静态过程、可逆过程
2、准静态过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0
p，T
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 .. 2
v 准静态过程的实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差无限小。
1.4 准静态过程、可逆过程
s
1.4 准静态过程、可逆过程
热力过程：热力系统从一个状态向另一状态变化时所经历的全 部状态的总和。
一、准平衡过程
平衡状态是静态，没有能量交换。
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
热力学引入准平衡（准静态）过程。
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1.4 准静态过程、可逆过程
1、一般过程
p1 = p0+重物 T1 = T0