工程热力学2—基本概念

2
1
dx x2 x1
dx 0
2013-7-4
第一章—基本概念
中国 南京
一个完整的状态参数由数值和单 位两部分组成。
第一章—基本概念
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2-2 状态参数的分类
(1) 基本状态参数
中国 南京
按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分
能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。
-259.34
-256.108
平衡氢的气—液平衡（平衡氢的沸点）
氖的气—液平衡（氖的沸点） 氧的固—液—气平衡（氧的三相点） 氧的气—液平衡（氧的沸点） 水的气—液—固相平衡（水的三相点） 水的气—液平衡（水的沸点）（b）（c） 锌的固—液平衡（锌的凝固点） 银的固—液平衡（银的凝固点） 金的固—液平衡（金的凝固点）
（6）多相热力系—由多相（如气液两相、气固两相和气-液-
固三相）等等。
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2、热力系的状态 和状态参数
第一章—基本概念
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2-1 状态和状态参数的概念
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状态：热力系在某一瞬间所呈现 的全部宏观物理状况。
状态参数：描述热力系宏观特性 的物理量。
外界
系
统
外界
界面是虚拟的、固定不动的
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1-2 热力系的分类
1)按系统与外界之间的相互联系划分 (1)闭口热力系—与外界无物质交换的热力系。 (2)开口热力系—与外界有物质交换的热力系。
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(3)绝热热力系—与外界无热量交换的热力系。
(4)孤立热力系—与外界无任何联系的热力系。
物质 热
闭口热力系
功
物质
开口热力系
功 热
功 物质
绝热热力系
物质
孤立热力系
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闭口热力系
中国 南京
第一章—基本概念
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开口热力系
中国 南京
第一章—基本概念
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中国 南京
管
道
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中国 南京
开口热力系
第一章—基本概念
第一章—基本概念
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台风桑美
中国 南京
第一章—基本概念
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怪异台风
中国 南京
第一章—基本概念
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怪异台风
中国 南京
第一章—基本概念
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怪异台风
中国 南京
第一章—基本概念
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CPU散热
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华硕P6T-Deluxe的北桥散热器暗藏玄机
表达式 (3)重度
m V
kg/m3
单位容积内所含有物质的重量，称为重度。
表达式
G mg V V
N /m3
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第一章—基本概念
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２)压力
热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。
表达式
F p A
状态参数压力
N /m 2 或 Pa
常用压力单位间的关系
1kPa 103 Pa
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弹簧管压力表
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第一章—基本概念
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弹簧管压力表
中国 南京
第一章—基本概念
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U形压力计
中国 南京
第一章—基本概念
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斜管压力计
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第一章—基本概念
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温度计
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第一章—基本概念
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中国 南京
第一章
基本概念
主 讲：段伦博 东南大学 能源与环境学院
第一章—基本概念
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1、热力系
第一章—基本概念
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1-1 热力系的概念
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通常根据所研究问题的需要，人为地划定一 个或多个任意几何面所围成的空间作为热力 学的研究对象。这种空间内的物质的总和称 为热力学系统简称为系统或热力系。系统以 外与热力系有联系的一切物质统称为外界。 系统与外界之间的界面称为边界。系统与外 界之间，通过边界进行能量的传递与物质的 迁移。
20.28
27.102 54.361 90.188 273.16 373.15 692.73 1235.08 1337.58
-252.87
-246.048 -218.789 -182.962 0.01（严格） 100. 419.58 961.93 1064.43 2013-7-4
第一章—基本概念
要
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比焓
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(3)熵
dU+pdV S S0 T
S Q T
注意：大小写的区分，单位！
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2-4 平衡状态和准平衡过程
1）.平衡状态的描述
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在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如 果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处 的状态称为平衡状态。 实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。
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界面的特征
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可以是真实的， 也可以是虚拟(假想)的； 可以是固定的， 也可以是运动的。
第一章—基本概念
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中国 南京
热力系、界面、外界
刚性容器？
系
统
界面
界面是真实的、固定不动的
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中国 南京
热力系、界面、外界例Ⅰ
第一章—基本概念
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CPU散热
中国 南京
微星P45-Platinum带有六根热管的“蝴蝶”散热系统
第一章—基本概念
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CPU散热
中国 南京
第一章—基本概念
酷似显卡的技嘉EX58-Extreme可拆卸式散热风排
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CPU散热
中国 南京
EX58-Extreme主板所配套的散热模块工作方式
温度计
中国 南京
第一章—基本概念
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中国 南京
温 度 计 第一章—基本概念
2013-7-4
源自文库
温度基准点
国际实用温度规定值 平衡态 T68（K）
中国 南京
t68（℃）
平衡氢的固—液—气平衡（平衡氢的三相点）
平衡氢在压力为25/27标准大气压下气—液平衡
13.81
17.042
p
p1
1
状态参数坐标图
v1
第一章—基本概念
v
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中国 南京
p
1
2
2
v 系统状态的连续变化称为系统经
1
历了一个热力过程简称过程。
第一章—基本概念
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1.内平衡过程(准静态过程)
中国 南京
1
第一章—基本概念
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1.内平衡过程(准静态过程)
中国 南京
p
1bar 105 Pa
1MPa=106 Pa
上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。
由气压计测量出来的压力称为大气压力 pb。
由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。
表压力pg、大气压力pb和绝对压力p之间的关系如下：
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强调
中国 哪些设备内的工作流体处于负压状态? 各压力中只有绝对压力p是状态参数！ 南京 U形管式压力计示意图
界面 外界
外界
热 源
热力系统
界面是真实的、运动的
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中国 南京
热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
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中国 南京
热力系、界面、外界例Ⅱ
界面
系
统
系
统
界面是虚拟的、运动的
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热力系、界面、外界例Ⅲ
界面
1
2 1 2 2
v 第一章—基本概念
要求外界对系统的作用要无限缓慢
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注意：
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（1）只有平衡状态才有状态参数，才能在 状态图上表示；
（2）准平衡过程的中间点非常接近平衡状 态，可在图上表示；
（3)不平衡过程无法在状态图上表示！！
第一章—基本概念
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2-6 功和热量
第一章—基本概念
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3)导出状态参数
(1)热力学能(内能、内热能)
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热力学能(U)

分子的动能(Uk)
分子力所形成的位能(Up)

U 比热力学能 u m
单位为J/kg
各种能量单位换算关系见P337附表13。 (2)焓
H U pV h u pv
焓的单位与热力学能相同
求
中国 南京
1、理解热力系(闭口、开口、绝热、孤立 系）、平衡状态、状态参数、状态方程、 热力过程的概念。 2、熟练掌握绝对压力、表压力、大气压力、
真空度间的换算关系。
强调:只有绝对压力是状态参数； 注意：单位、大小写 第一章—基本概念
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如 ：温度、压力、比体积。
(2) 导出状态参数
不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。
如：热力学能（内能）、焓、熵。
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2-3 常用状态参数
１)比体积、密度和重度
中国 南京
(1)比体积
表达式
单位质量物质所占有的体积，称为比体积。
V v m
m3 /kg
(2)密度
单位容积的物质所具有的质量，称为密度。
中国 南京
功：热力系和外界机械能的交换量，W。 对外做功，W>0;外界对系统做功， W<0。 热量：热力系和外界热能的交换量，Q。 Q>0，放热;Q <0，吸热。
单位：J，kJ，kcal.
第一章—基本概念
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典型台风
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第一章—基本概念
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台风韦帕
中国 南京
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2）按照系统内部的情况可划分
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(1)均匀热力系—系统内各部分化学成分和物理性质都均匀一 致的热力系。 (2)非均匀热力系—各部分性质不均匀的热力系。 (3)单元热力系—由一种化学成分组成的热力系。 (4)多元热力系—由两种或两种以上物质组成的热力系。
（5）单相热力系—由单一的相（如气相和液相）组成
第一章—基本概念
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中国 南京
2）.热力过程和热力循环 从一个平衡状态到另一个平衡状态，叫热力过 程；一个封闭的热力过程称为热力循环。 3）.准平衡过程的描述 过程中间的每一个点都非常接近平衡状态。
第一章—基本概念
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2-5 状态方程和状态参数的坐标图
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状态方程：反映工质处于平衡状态时基 本状态参数之间的关系式。
pb
U形管式压力计示意图
pb
p
p
pg 表压力
p pb
p pb pg
压 力 表
pv 真空度
p pb
p pb pv
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真 空 表
pb 应是环境压力 第一章—基本概念
1.2
状态和状态参数
中国 南京
3)温度
(1)热力学第零定律
与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。 (2)温度
第一章—基本概念
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CPU散热
中国 南京
第一章—基本概念
华硕Rampage Extreme采用组件式散热模块
2013-7-4
CPU散热
中国 南京
“斯特林发动机”式北桥芯片散热装置
第一章—基本概念
2013-7-4
CPU散热
中国 南京
微星过山热管芯片散热装置
第一章—基本概念
将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。
(3)温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温
度的标尺称为温标。
建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特
性、规定温标的基准点及分度方法。
第一章—基本概念
2013-7-4
常用的温标 ①摄氏温标 t ℃
中国 南京
基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准
点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为100℃。 分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性
的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,
每一等分为1度。 ②热力学温标ＴＫ
基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相
点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。
热力学温标与摄氏温标之间的关系： T = t + 273.15