動力熱力學第01章 基本概念

1、返回,繼續(xù),下一頁,返回,繼續(xù),下一頁,返回,繼續(xù),下一頁,,返回,下一頁,,繼續(xù),蒸汽動力裝置（流程圖）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐,過熱器,汽輪機,發(fā)電機,冷凝器,泵,返回,繼續(xù),下一頁,共同本質：,都是通過媒介物的：,§1-2 工質、熱源及熱力系統(tǒng),定義:實現(xiàn)熱能和機械能互相轉化的媒介物質。,對工質的要求：,① 膨脹性,② 流動性,③ 熱容量,④ 穩(wěn)定性、安全性,⑤ 環(huán)保性能,⑥

2、 價格,},物質三態(tài)中氣體最合適,1. 工質（working substance; working medium ）,吸熱,膨脹做功,排熱,來完成從燃料燃燒產(chǎn)生的熱能向機械能的轉化。,,,2.熱源（heat source；heat reservoir）,定義：工質從中吸取或向之排放熱能的物質系統(tǒng)。,熱源,{,溫度高低,溫度變化,{,{,高溫熱源（熱源 — heat source）,低溫熱源（冷源—heat sink）,恒溫熱源（con

3、stant heat reservoir）,變溫熱源（variational heat reservoir）,3.1 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）和 外界及邊界,系統(tǒng)（thermodynamic system or system）,人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質；,外界（surrounding ）與體系發(fā)生能量和物質交換的物質；,,,,邊界（boundary）系統(tǒng)與外界的分界線（面）；,,,System,,Boundar

4、y,Surroundings,三者之間的關系：,汽缸-活塞裝置（閉口系例）,汽車發(fā)動機（開口系示例）,注意：,① 系統(tǒng)與外界設定的人為性；② 外界與環(huán)境介質；③ 邊界可以是： ⅰ 剛性的或可變形的； ⅱ 固定的或可移動的； ⅲ 真實存在的或虛擬的。,3.2 邊界示意圖,3.3 熱力系統(tǒng)

5、分類（1）,? 按組元數(shù)： 單元系—one component system; pure system 多元系—multicomponent system? 按相數(shù)： 單相系—homogeneous system 多相系—heterogeneous system注意：1) 不計恒外力場的影響; 2) 多相系未必不均勻（濕蒸汽）； 3

6、) 單元系未必均勻（汽液平衡分離）。,3.4熱力系統(tǒng)分類（2）,按系統(tǒng)與外界有無質量交換分為： 開口系（open system）控制體積（CV） 通過邊界與外界有物質交換； 閉口系（close system）控制質量（CM） 沒有物質交換。,常見的熱力常系統(tǒng),? 絕熱系—adiabatic system

7、 與外界無熱量交換；? 孤立系—isolated system 與外界既無能量交換也無物質交換；? 簡單可壓縮系—simple compressible system 由可壓縮流體組成，無化學反應、與外界可 逆功的交換只有體積變化功一種形式的系統(tǒng)。注意：1) 閉口系與質量不變系的區(qū)別； 2)

8、開口系與絕熱系的關系； 3) 孤立系與絕熱系的關系。,3.5熱力系統(tǒng)示例圖,剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側有電熱絲加熱,紅線內(nèi),—閉口絕熱系,黃線內(nèi)不包含電熱絲,—閉口系,黃線內(nèi)包含電熱絲,—閉口絕熱系,藍線內(nèi)—孤立系,3.6 熱力系示例圖,剛性絕熱噴管,取紅線為系統(tǒng)—閉口系,取噴管為系統(tǒng)—開口系絕熱系？,§1-3 工質的熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)數(shù),? 熱力學狀態(tài)— state of thermodyn

9、amic system — 某一瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況? 狀態(tài)參數(shù)— state of properties — 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量 a) .狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，反映了大量粒子運動的宏觀平均效果，　　　只有平衡態(tài)才有統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)。　　　常用的狀參有：p, T，Ｖ，Ｕ，Ｈ，Ｓ等，　　　其中ｐ，Ｔ，Ｖ稱為

10、基本狀態(tài)參數(shù)?！。猓顟B(tài)參數(shù)的特性：狀態(tài)的單值函數(shù)　　　　　物理上：與過程無關　　　　　數(shù)學上：其微分是全微分,,c)狀態(tài)參數(shù)的分類： 廣延量—與系統(tǒng)質量多少有關　　　　　extensive properties 強度量—與系統(tǒng)質量多少無關　　　　　　intensive properties 注：廣延量的比參數(shù)又具有強度量的性質。比如： 任意兩個系統(tǒng)狀態(tài)相

11、同的充要條件是：　　　　　所有狀參一一對相等。 兩個簡單可壓縮系統(tǒng)狀態(tài)相同的充要條件是：　　　　　兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)分別對應相等。,一、溫度（temperature）　　溫度：物體的冷熱程度　　熱平衡：冷熱程度相同時，兩物體達到熱平衡熱力學第零定律——熱平衡定律（the zeroth law of thermodynamics） 　如果A 與 B，A與C熱平衡，則B與C熱平衡　　　　　　　　　　　　　

12、—測量溫度的依據(jù),,溫標（temperature scale）－溫度的表示方法 溫標的組成：1.基準點，2.刻度,華氏溫標　基準點：1atm　水　冰點　規(guī)定為 32 °F 　　　　　　　　　1atm　水　汽點　規(guī)定為 212 °F 　　　　　刻　度：基準點間　1/180,熱力學溫標　基準點：水的三相點　規(guī)定為273.16K 刻　度：基準點溫度的1

13、/273.16,攝氏溫標：基準點：1atm　水　冰點　規(guī)定為　0　℃　　　　　　　　　1atm　水　汽點　規(guī)定為 100 ℃　　　　　刻　度：基準點間　1/100,熱力學溫標和國際攝氏溫標（thermodynamics scale; Klvin absolute temperature scale and Celsius temperature scale ） 　　　　　　T=t+273.15 K華氏溫標與攝

14、氏溫標的關系華氏溫標和朗肯溫標的關系,經(jīng)驗溫標：與測溫物質的特性有關。,二、壓力（pressure）,壓力：即物理上的壓強。單位 單位換算，一定要注意：見表1-1（P11） 壓力的測量： 1.當被測系統(tǒng)壓力高于外界壓力時，使用壓力表測量　　　　壓力，側得的結果叫表壓力，其值是系統(tǒng)壓力與外　　　　界壓力的差。 2.當被測系統(tǒng)壓力低于外界壓力時，使用真空計測量，　　　

15、　測得的結果叫真空度，其值是外界壓力與系統(tǒng)壓力　　　　之差。 3.大氣壓力的測量用大氣壓力計，測出的是大氣的絕　　　　對壓力。,絕對壓力 —absolute pressure表壓力 —gauge pressure; manometer pressure 真空度 —vacuum pressure當?shù)卮髿鈮?—local atmospheric

16、 pressure,示例圖,三、比容（specific volume）,比容：單位質量物質所占的體積,密度(density)；單位體積物質的質量,兩者的關系：,可見，二者相關，不互相獨立。,注：獨立的狀態(tài)參數(shù)，彼此不相關(可獨立變化),如p，T。,作業(yè)：1-3，8,§1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖,討論：平衡與穩(wěn)定、平衡與均勻的關系,定義：如果在外界對其影響不變的條件下，系統(tǒng)的 狀態(tài)能夠始終保持不變

17、，則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,一、平衡狀態(tài)(thermodynamic equilibrium state),處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變。,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件：,系統(tǒng)與外界之間，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間同時達到熱和力的平衡(相平衡、化學平衡等)。,熱平衡(thermal equilibrium) — 溫差為零力平衡(mechanical equilibrium) — 和力均為零。,穩(wěn)定未必平衡,平衡未必均勻,反之如何？請思考

18、！,非平衡狀態(tài)：有不平衡勢存在！,穩(wěn)定與平衡,均勻與平衡,平衡狀態(tài)可用狀態(tài)參數(shù)描述，非平衡狀態(tài)不能。,二、狀態(tài)方程式,狀態(tài)公理：,例. 1)單組分氣體系統(tǒng)： 2=1-1+2 如p和T，當p一定時， T不同則狀態(tài)不同。 2) 液或汽態(tài)的水：　 2=1-1+2?！　　★柡退惋柡退羝?=1-2+2 ; 　　3)水的三相點　0＝1－3＋2,狀態(tài)方程：基本狀態(tài)參數(shù)p，v，T之間的

19、關系式稱為狀態(tài)方程。,T=T (p, v), p=p (T, v), v=v (p, T)隱含數(shù)的形式：F=F (p, v, T),這種關系是否一定存在呢？狀態(tài)公理能回答此問題。,三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖,簡單可壓縮系只有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，故可以在平面上以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標軸畫坐標圖，如：,p,v,p,T,T,s,h,,,,,,,,,,,,T,p,h,坐標圖上的點與系統(tǒng)的平衡狀態(tài)一一對應。非平衡態(tài)不能用點在坐標圖上表示。因無確定的狀態(tài)參

20、數(shù)。,§1-5 工質的狀態(tài)變化過程,熱力過程：工質狀態(tài)變化,一、準平衡過程(quasi-static process; quasi-equilibrium),例. 放氣：,,,,,,對比右側：,,,,,,,,水,,波向左傳播,,打開,關閥時：平衡,打開閥：a)平衡破壞，狀態(tài)變化，壓力波如水波向左傳播　　　　　(假定界面內(nèi)外有壓差)，過程中，系統(tǒng)內(nèi)部不　　　　　均勻，無統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)。 b)如果

21、閥開度極小，比如幾個分子地向外放，過　　　　　程極緩慢，系統(tǒng)內(nèi)部不均勻幾乎不存在，短時　　　　　間內(nèi)可以看作平衡狀態(tài)。,準平衡過程,定義：若過程進行得相對緩慢，工質有足夠的時間來恢復　　　平衡，隨時都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，則這樣的過　　　程叫準平衡過程。,特點：相對弛豫時間來說，準平衡過程是進行得無限緩慢的　　　過程，偏離平衡態(tài)無窮小，隨時都能恢復到平衡狀態(tài)　　　，準平衡過程又叫準靜態(tài)過程。,進行條件：不平衡勢⊿p，⊿T無窮

22、小；　　　　　過程進行得無限緩慢；工　　　　　質有恢復平衡的能力。,準靜態(tài)過程可以在狀態(tài)圖上用連續(xù)實線表示。,二、可逆過程和不可逆過程,可逆過程(reversible process),定義：過程能經(jīng)原路徑逆行，使　　　系統(tǒng)回復到原來狀態(tài)；相　　　關的外界也回復到原來的　　　狀態(tài)而不留下任何改變。,例：氣缸活塞系統(tǒng),,,,,,,,,,正,逆,正,逆,摩擦的影響：,a)無摩擦,正過程,逆過程,{,b)有摩擦,{,正過程,逆過程,

23、逆過程使系統(tǒng)復原，但外界多耗功。,結論：摩擦使過程不可逆。,溫差的影響：,a)無溫差,b)有溫差(假設 ),結論：溫差使過程不可逆。,進一步分析，為使Q能傳回 ，需加熱泵，但要消耗一定的功 ，也不可逆(比較水泵)。,但 ，Q不能傳回 。,壓力差的影響：壓力差使過程不可逆。,{,正,逆,{,正,逆,P,F,α,,,f,,非準靜態(tài)過程—nonequilibri

24、um process,準靜態(tài)過程，不可逆,準靜態(tài)過程，可逆,準平衡過程與可逆過程的關系(自己研究，鍛煉一下邏輯思維),可逆過程,準平衡過程；,,反之，準平衡過程,可逆過程。,,？,不平衡過程,不可逆過程；,不平衡過程。,不可逆過程,,,？,原命題成立，逆命題不一定成立，逆否命題一定成立,無耗散效應(如摩擦、電阻等)的準靜態(tài)過程是可逆過程。　即可逆過程=準靜態(tài)過程+無耗散過程；,2. 準平衡過程只從系統(tǒng)內(nèi)部平衡的角度考慮問題；可逆　過

25、程除考慮平衡外，還考慮了耗散效應的問題(更全面)；,討論：,3. 一切實際過程均不可逆；,4. 內(nèi)部可逆過程；外部可逆過程,5. 可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)坐標圖上的實線表示。,§1-6 過程功和熱量,一、功的熱力學定義,,,,,,,,,,p,,,功的定義：對微元過程(狀態(tài)發(fā)生微小變化),式中：,叫微元功；,叫折合壓力，是考慮外界得到的效果。,當狀態(tài)有限變化時，過程功為：,這里：1— 初始狀態(tài)，2—終了狀態(tài),功的單位：焦(J);

26、 功率的單位：瓦(W)。,工程中常用的單位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。,二、可逆功,當過程為可逆過程時，,，故,可見：可逆過程的功，可由　　　過程中工質狀態(tài)參數(shù)　　　的變化來進行計算。,示功圖如右：則有，,可逆過程功可用示功圖上過程線下的面積表示。,功是過程量?！　∧骋粻顟B(tài)時沒有功的概念。(無 ),功的“正”與“負”的意義：,膨脹，,壓縮，,定容，,系統(tǒng)對外界作功，如1-2；,系統(tǒng)不作功，如1-4；,外界對系統(tǒng)作

27、功，如1-3。,幾點討論：,a) 有用功(useful work),,,,,pb,f,其中W—膨脹功(compression/expansion)； Wl—摩擦耗功； Wr—排斥大氣功； Wu—有用功。,例題,b)用外部參數(shù)計算不可逆過程的功：,,,?,,作業(yè)：1-9，13。,三、廣義功 (不要求) 未言明“不要求”的，一律自學,四、過程熱量,熱量(heat)：

28、,系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。,單位：焦耳(J)。正負：系統(tǒng)吸熱為“正”，放熱為“負”。,計算式及其在T-S圖上的表示：,所以，熱是過程量。,功與熱量的相同與區(qū)別：,1. 二者均為過程量，是傳遞的能量；,2. 只有在能量傳遞過程中才有所謂的功和熱量；,3. 功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵的變化是傳熱標志；,4. 功的傳遞改變宏觀運動狀態(tài)，往往伴隨著能量形式的變化；

29、 熱量傳遞改變微觀粒子熱運動狀態(tài)，不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉化。,5. 功,熱量,,,無條件,有條件和限度,§1-7熱力循環(huán),一、循環(huán) (thermodynamic cycle),定義：系統(tǒng)經(jīng)一定的過程之后，又回到原來的狀態(tài)。,特性：系統(tǒng)一切狀態(tài)參數(shù)復原。,可逆循環(huán)(reversible cycle)：全部由可逆過程組成的循環(huán)；不可逆循環(huán)(irreversible cycle)：其中有部分過程或全部過　　　　　　　　　　

30、　　　　程是不可逆的循環(huán)。,二、正向循環(huán)和逆向循環(huán),正向循環(huán)(direct cycle) 　　— 熱動力循環(huán)(power cycle),在p-v圖上和T-s圖上為順時針方向進行,正向循環(huán)：系統(tǒng)凈吸熱，對外作凈功?！　∨蛎浘€在壓縮線之上　　吸熱線在放熱線之上,逆向循環(huán)(reverse cycle) (圖中紅箭頭方向) 　　— 制冷循環(huán)(refrigeration cycle) 熱泵循環(huán)(heat-pu