工程热力学ppt课件

• 按相数：
单相系—homogeneous system 多相系—heterogeneous system
注意：1) 不计恒外力场的影响;
2) 多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）； 3) 单元系未必均匀（汽液平衡分离）。
3.4热力系统分类（2）
• 按系统与外界有无质量交换分为： 开口系（open system）控制体积（CV）
W =W +W 内 外正 摩
W = W外逆 − W摩 内
b)有摩擦
{
逆过程使系统复原， 但外界多耗功。
W外逆 − W外正 = 2W摩
结论：摩擦使过程不可逆。
温差的影响： a)无温差
{
正 逆
W内 = W 外
W内 = W 外
W = W外 T0 > T ) 正 内 b)有温差(假设 逆 W内 = W 外
二、可逆过程和不可逆过程
可逆过程(reversible process)
定义：过程能经原路径逆行，使 系统回复到原来状态；相 关的外界也回复到原来的 状态而不留下任何改变。
例：气缸活塞系统
正 正 逆
T0
逆
T
摩擦的影响： a)无摩擦
{
正过程 W内 = W 外正 逆过程 W内 = W外逆 正过程 逆过程
§1-2 工质、热源及热力系统 1. 工质（working substance; working medium ）
定义:实现热能和机械能互相转化的媒介物质。 对工质的要求： ① 膨胀性 ② 流动性 ③ ④ ⑤ ⑥ 热容量 稳定性、安全性 环保性能 价格 物质三态中 气体最合适
2.热源（heat source；heat reservoir）
pA = F cos α ( f = 0)
准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维)
可逆过程
准平衡过程； 可逆过程。
反之，准平衡过程
？
原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立
不平衡过程 不可逆过程 不可逆过程；
？
不平衡过程。
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燃气轮机装置示意图
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四冲程汽油机
四冲程柴油机
二冲程汽油机
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蒸汽动力装置（流程图）
汽轮机
过热器
发电机
冷凝器 锅炉
泵
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共同本质：
膨胀做功 排热 都是通过媒介物的：吸热 来完成从燃料燃烧产生的热能向机械能的转化。
通过边界与外界有物质交换；
闭口系（close system）控制质量（CM）
没有物质交换。
常见的热力常系统
• 绝热系—adiabatic system 与外界无热量交换； • 孤立系—isolated system
与外界既无能量交换也无物质交换；
• 简单可压缩系—simple compressible system
定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。
热源
{
温度高低
温度变化
Baidu Nhomakorabea
{ {
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（variational heat reservoir）
3.1 热力系统（热力系、系统、体系）和 外界及边界 系统（thermodynamic system or system）
绝对压力 p —absolute pressure 表压力 p e ( p g ) —gauge pressure; manometer pressure 真空度 p v —vacuum pressure 当地大气压 p b —local atmospheric pressure
p = pe + p b ( p > p b )
3.6 热力系示例图
刚性绝热喷管
取红线为系统—闭口系 取喷管为系统—开口系绝热系？
§1-3 工质的热力状态及基本状态数
• 热力学状态— state of thermodynamic system
— 某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况
• 状态参数— state of properties
— 描述系统所处状态的宏观物理量 a) .状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果， 只有平衡态才有统一的状态参数。 常用的状参有：p, T，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等， 其中ｐ，Ｔ，Ｖ称为基本状态参数。 ｂ）状态参数的特性：状态的单值函数 物理上：与过程无关 dx ∫ dx = 0, ∫abc dx = ∫adc 数学上：其微分是全微分
φ − −系统的相数；
2 − −考虑力平衡和热平衡；
例. 1)单组分气体系统： 2=1-1+2 如p和T，当p一定时， T不同则状态不同。 2) 液或汽态的水： 2=1-1+2。
饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2 ; 3)水的三相点： 0＝1－3＋2
状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。
= V m
一、温度（temperature）
温度：物体的冷热程度 热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡 热力学第零定律——热平衡定律 —— （the zeroth law of thermodynamics） 如果A 与 B，A与C热平衡，则B与C热平衡 —测量温度的依据
温标（temperature scale）－温度的表示方法
h
h
非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。
§1-5 工质的状态变化过程
一、准平衡过程(quasi-static process; quasi-equilibrium)
热力过程：工质状态变化 例. 放气： 对比右侧：
波向左传播 打开
水
关阀时：平衡 打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播 (假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不 均匀，无统一状态参数。 b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过 程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时 间内可以看作平衡状态。
T(。 ) = t(。 ) + 459.67 R F
华氏温标和朗肯温标的关系
经验温标：与测温物质的特性有关。
二、压力（pressure）
压力：即物理上的压强。单位
Pa(N/m 2 )
单位换算，一定要注意：见表1-1（P15） 压力的测量：
1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量 压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外 界压力的差。 2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量， 测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力 之差。 3.大气压力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝 对压力。
人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；
外界（surrounding ）与体系发生能量和物质交换的物质； 边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；
三者之间的关系：
System
Boundary
Surroundings
汽缸-活塞装置（闭口系例） 汽缸 活塞装置（闭口系例） 活塞装置
汽车发动机（开口系示例） 汽车发动机（开口系示例）
{
但 T < T0 ，Q不能传回 T 0 。
结论：温差使过程不可逆。
进一步分析，为使Q能传回 T 0 ，需加热泵，但要消耗一 定的功 W泵 ，也不可逆(比较水泵)。
压力差的影响：压力差使过程不可逆。
F α P f
pA > F cos α + f pA = F cos α + f
非准静态过程—nonequilibrium process 非准静态过程 准静态过程， 准静态过程，不可逆 准静态过程， 准静态过程，可逆
注意：
① 系统与外界设定的人为性； ② 外界与环境介质； ③ 边界可以是： ⅰ 刚性的或可变形的； ⅱ 固定的或可移动的； ⅲ 真实存在的或虚拟的。
3.2 边界示意图
3.3 热力系统分类（1）
• 按组元数：
单元系—one component system; pure system 多元系—multicomponent system
作业：四版1-3，9 三版1-3，8；
§1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态(thermodynamic equilibrium state) 定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的
状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。 处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。 系统处于平衡状态的条件： 系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达 到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。 热平衡(thermal equilibrium) — 温差为零 力平衡(mechanical equilibrium) — 和力均为零。
热力学温标
热力学温标和国际摄氏温标
（thermodynamics scale; Klvin absolute temperature scale and Celsius temperature scale ）
T=t+273.15 K
华氏温标与摄氏温标的关系
t(。 ) = 9 [t(。 ) − 32]， c 5 F t(。 ) = 9 t(。 ) + 32 F 5 c
准平衡过程
定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复 平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过 程叫准平衡过程。 特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的 过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态 ，准平衡过程又叫准静态过程。 进行条件：不平衡势⊿p，⊿T无穷小； 过程进行得无限缓慢；工 质有恢复平衡的能力。 准静态过程可以在状态图上用连 续实线表示。
T=T (p, v), p=p (T, v), v=v (p, T) 隐含数的形式：F=F (p, v, T)
这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。
三、状态参数坐标图
简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上 以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如： T p T p
p
v s T 坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。
由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可 逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。
注意：1) 闭口系与质量不变系的区别；
2) 开口系与绝热系的关系； 3) 孤立系与绝热系的关系。
3.5热力系统示例图
刚性绝热气缸-活 塞系统，B侧有电 热丝加热 红线内 —闭口绝热系 黄线内不包含电热丝 —闭口系 黄线内包含电热丝 —闭口绝热系 蓝线内—孤立系
第一章 基本概念
基本概念（Basic concepts and definitions）
§1-1 热能动力装置（Thermal Power Plant）
定义： 从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力
的整套设备。 燃 动力装置 combustion gas power plant 分 类 动力装置 steam power plant 燃 燃 internal combustion engine gas turbine 动力装置 jet power plant
温标的组成：1.基准点，2.刻度
摄氏温标：基准点：1atm 水 冰点 规定为 0 ℃ 1atm 水 汽点 规定为 100 ℃ 刻 度：基准点间 1/100 华氏温标 基准点：1atm 水 冰点 规定为 32 °F 1atm 水 汽点 规定为 212 °F 刻 度：基准点间 1/180 基准点：水的三相点 规定为273.16K 刻 度：基准点温度的1/273.16
p = p b − p v (p < p b )
示例图
三、比容（specific volume）
比容：单位质量物质所占的体积 ν
= V m
V
密度(density)；单位体积物质的质量 ρ = m 两者的关系：
v = 1ρ
可见，二者相关，不互相独立。 注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。
c)状态参数的分类： 广延量—与系统质量多少有关 extensive properties 强度量—与系统质量多少无关 intensive properties 注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如：ν 任意两个系统状态相同的充要条件是： 所有状参一一对应相等。 两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是： 两个独立的状态参数分别对应相等。
讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系
稳定与平衡
均匀与平衡
稳定未必平衡
平衡未必均匀
反之如何？请思考！
非平衡状态：有不平衡势存在！ 平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。
二、状态方程式
状态公理：
π = n − φ＋2
式中：π − −独立状态参数的数目（唯一确定系统平衡状态）； n − −系统的组分；