热工基础PPT 第一章 基本概念

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1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量

热力学状态(状态) 系统中工质在某瞬间所呈现的宏观物理状态。
状态参数 用来描述工质状态的物理量,比如p, v, T, u, h, s等。

工质 实现热、功转换的工作物质,如空气、水蒸气、 制冷剂等。
根据理想气体状态方程式,可得出CO的比体积
������ =
������������ ������ ������ 296.8×300 3 3 = 100×1.01325×10 ������ /������������ = 0.008787565������ /������������ 5 1 ������ = ������ = 113.8 ������������/������3
参数,两者互不独立,常以比体积作为状态参数。
表压力或真空度能否作为状态参数
进行热力计算?
不能,因为这两者都并非物质的绝对压力,只有 绝对压力可以作为状态参数进行热力计算
真空度越大,被测对象的实际压力
是越大还是越小?
越小,因为实际压力等于当地大气压减去真空度。


1.1 热力系统
ห้องสมุดไป่ตู้

温标
温度的数值表示方法,常用的温标有:
(1) 热力学温标,T (K)(水的三相点为基准点,273.16K) (2) 摄氏温标,t (oC) (3) 华氏温标,tf (oF)
������ = ������ + 273.15 ������ ������������] ������ = 5 (������ − 32) [ 9 ������
������������ = ������������ − ������ ������������ ������ = ������������ − ������������
pg pb p>pb p pv p pb
p=0
p<pb

温度
表示物体冷热程度的物理量。相互接触的物体,当 他们的温度相同时,则表示他们处于热平衡

比体积和密度(v,ρ) ������ = ������ =
������ ������ ������ ������
������������/������3 ������3 /������������
密度单位体积内物质的质量
比体积指的是单位质量的物质所占的体积
比体积是一个状态参数,则密度肯定也是工质的一个状态
有 系 统
限 外 界
孤立系统
合理选择系统是进 行热力系统正确分 析求解的前提
一方面将一个对象抽象 成什么系统
第二方面,系统的边界 在哪
绝热系统可否与外界交换功?
可以,系统与外界没有热量交换,就是绝热系统
开口系统可不可以是绝热系统?
可以,工质在越过边界时,其热力学能也越过了 边界,但热能不是热量,只要外界与系统没有热 量交换,就是绝热系统
绝热 pm
pout
分析:(1)该系统满足弛豫时间短的条件; (2)设过程进行时 a. 无摩擦(无耗散效应); b. 没有压差(无势差损失)。
3.可逆条件
(1) 系统内外要随时处于力平衡和热平衡;
(2) 弛豫时间短; (3) 没有耗散效应 。
结论:可逆过程=没有耗散效应的准静态过程
p 3 1
4
2 v
则CO的密度为
结论:CO的密度为113.8kg/m3。


1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
1.定义

过程:工质从一个状态变化到另一个状态的全部历程。 准静态过程:由一系列平衡状态所构成的过程。
p
1
一系列平衡状态是无限接近平衡的状态

系统:是被人为分离出来,作为研究对象
的物质的总称。

外界:系统以外的其他物质(物体)。 边界:系统与外界的分界面。
气缸活塞 外界 Ⅰ (环境) 系统

管道

流动介质
系统
系统
外界
边界
外界
边界

边界
边界可以是真实存在的,也可以是虚拟的,可 以是固定的,也可以是运动的

系统分为闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立

压力也就是在物理学中的压强(点击),按照分子 动力学的观点,气体压力是大量分子与容器避免 之间碰撞产生的宏观现象
������ ������ = [������/������2 ] ������
可以用绝对压力、表压力和真空度三种形式表示。
(1) 绝对压力 p
工质的真实压力,为状态参数。
(2) 表压力 pg
式中
R=8314.3 J/(kmol· K)
������ ������������ = ������ = 8314.3 ������ [������/(������������∙������)] 3 /������������������������] ������ = 22.4 [������ ������ = ������ ∙ ������ 理想气体处于平衡状态。 ������0 ������
������������ = ������������������ ������ (m kg) ������������ ������ = ������������ (1 kmol)
������������ = ������������������ (n kmol)
������������ = ������������ ������
2 v
2.实现准静态过程的条件

(1) 破坏平衡状态的力差、温差无穷小。? 即系统处于连续动平衡状态。 (2) 弛豫时间短(非平衡到平衡时间)

当外界发生变化的时候,系统才有时间建立 起一个新的平衡状态。
3.实用意义
将许多实际过程近似为准静态过程,便于分析计算
1.定义

可逆过程:能逆向进行,且系统与外界同 时返回原态,而不留下任何变化的过程。
系统、简单可压缩系统等。
绝热系统指的是系统与外界不存在热交换
W
闭口系统指的是系统与外界没有物质交换(控制质量系统)
W
Q Q
开口系统指的是系统与外界有物质交换,但是一个划定的 空间范围(控制容积系统)
孤立系统:与外界没有功、热、物质交换的系统
严格来讲,自然界是不可 能存在完全绝热和孤立的 系统,但工程上存在无限 接近绝热或孤立的系统, 那么绝热系统与孤立系统 的概念具有指导的意义。
������������������

使用条件
长期放在室内的一个氧气瓶,体积为25L,压力表指示的瓶内氧 气的表压力为5bar,室温为20oC,大气压力为1bar,试求瓶内所存 氧气的质量(1bar=105pa,氧气的摩尔质量为32×10 -3kg/mol)。 分析:取瓶内气体为系统,系统工质的压力、温度及体积已知,可 根据mkg理想气体状态方程式求得质量。 解题:根据绝对压力和表压力之间的关系,可求得氧气的绝对压力 ������ = ������������ + ������������ = 5 + 1 ������������������ = 6 × 105 ������������ 根据热力学温标和摄氏温标的关系,可得氧气的绝对温度 ������ = ������ + 273.15 ������ = 293.15 ������ 根据气体常数和通用气体常数之间的关系,求氧气气体常数 ������ 8.3143 ������������ = ������ = 32×10 −3 ������/ ������������∙������ = 259.8������/ ������������ ∙ ������ 根据理想气体状态方程式,可得出氧气质量为 ������ =
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
系统中各处压力、温度均匀一致的状态,称为平衡状态。
当系统处于平衡状态的时候,系统中所有的状态参数都有
确定的数值,并且是一个定值。只有处于平衡状态的系统,
它的所有状态参数才会有确定的数值。

如果没有外界影响,平衡状态不会发生破坏,状
1.定义

功:在力的作用下,通过宏观有序运动的方式传 递的能量。
常见的形式有:机械功、电磁功、化学功等。
容积功是机械功的一种形式,包括膨胀功和压缩功。
2. 可逆过程的容积功
������������ = ������ ∙ ������������ = ������������ ∙ ������������ = ������������������


状态参数是状态的单值函数,值取决于工质所处 状态,与过程无关
设x为任意状态参数,则
������2 ������1
������������ = ������2 − ������1 ,
������������ = 0
若x = f(y, z),则可得 ������������ ������������ ������������ = ������������ + ������������ ������������ ������������ 状态参数的积分与路径,状态参数 的微量是一个全微分
绝对压力高出当地大气压的数值。
������������ = ������ − ������������ ������������ ������ = ������������ + ������������
测量仪表
压力表 U型管测量计
常用单位
Mpa Pa 或 mmH20
(3) 真空度 pv
绝对压力低于当地大气压的数值。
注意:可逆过程是一个理想过程,真正要实现可逆过程是不 可能的,现实中的系统只能无限接近可逆过程。为了了解可 逆过程实现的条件,我们先引入两个概念。
2.耗散效应与势差损失


耗散效应:通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应。
势差损失:由于压差或温差等势差存在而造成的能量损 失。
3.可逆条件
例:气体在气缸中绝热膨胀
pV ������������ ������
=
6×105 ×(25/1000) ������������ 259.8×293.15
= 0.197������������
结论:瓶内所存氧气质量为0.197kg。
试用理想气体状态方程式计算CO在压力为100atm、温度为300K 时的密度ρ 。 (1atm=1.01325×105pa,CO的摩尔质量为28.01×10 -3kg/mol)。 分析:工质的压力、温度已知,可根据理想气体状态方程式求得其 比体积,再求密度。 解题:根据气体常数和通用气体常数之间的关系,求CO气体常数 ������ 8.3143 ������������ = ������ = 28.01×10 −3 ������/ ������������∙������ = 296.8������/ ������������ ∙ ������
p dx p 1 b a p
2
对1kg工质
������dV ������������ = ������������ = ������ ������ = ������������������
工质由状态1变化到状态2的时候
2 2
������ =
1
������������������ ,������ =
1

准静态着眼于系统内部平衡,可逆着眼于
系统内部及系统与外界作用的总效果。


可逆过程=准静态过程+没有耗散效应。
一切实际过程不可逆。 准静态过程及可逆过程可用状态参数图上 实线表示 。


1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
态参数也不会随时间改变。

当系统与外界有功、热交换时,保持平衡状态的
条件是系统内外处于力的平衡和热的平衡。

反映p、v、T三个状态参数之间关系的表达式。
������ ������, ������, ������ = 0
p p1 1 2
p2
p-v图
v1 v2 v

分子不占体积 分子间无作用力
p就是压力,单位为pa, v为比体积,单位为 m3/kg,T为温度,单位 是K,计算时候采用国标

理解热力学的有关基本概念,了解引出这 些基本概念的意义和作用。
掌握热力学系统、热力学状态与状态参数、 理想气体状态方程式、平衡状态、热力学 过程与循环、比熵、准静态过程和可逆过 程、状态参数坐标图等概念。 熟练应用功和热量的计算式。




1.1 热力系统
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
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