工程热力学

工程热力学EngineeringThermodynamics北京航空航天大学作业习题1－2，1－4第一章基本概念热力系统热力状态及基本状态参数平衡状态、状态公理及状态方程准静态过程与可逆过程热力循环第一节热力系统系统、边界与外界（环境）闭口系统与开口系统绝热系统与孤立系统系统的内部状况系统、边界与外界（环境）系统：为了便于研究与分析问题，将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（Thermodynamicssystem），简称系统(system)。Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy系统、边界与外界（环境）外界（surroundings）：边界以外与系统相互作用的物体，成为外界或环境。边界（boundary）：分隔系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界系统、边界与外界（环境）热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热系统、边界与外界（环境）边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal、imaginary闭口系统与开口系统闭口系统（Closedsystem）：没有物质穿过边界的系统，又称为质量控制系统（Controlmass）。闭口系统的质量保持恒定开口系统（Opensystem）：有物质流穿过边界的系统，又称为控制体积或控制体(Controlvolume)。开口系统的界面称为控制界面。开口系统和闭口系统都可能与外界发生能量（功和热）传递。绝热系统与孤立系统绝热系统（Adiabaticsystem）：系统与外界之间没有热量传递的系统。孤立系统（Isolatedsystem）：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系热力系统的分类1234mQW1开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系系统的内部状况其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类单元系多元系相态单相系复相系（多相系）第二节热力状态及状态参数状态与状态参数基本状态参数强度性参数与广延性参数状态与状态参数状态（State）：某瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数（Stateproperties）：描述热力状态的物理量状态参数的特征：1.状态参数是状态的函数，状态确定时，状态参数有唯一确定的值。2.工质状态变化时，状态参数的变化值仅与初、终状态相关，而与状态变化的途径无关。——状态参数的积分特征状态参数的积分特征212,12,112abzzdzdzdz12ab0dz状态参数的数学特征是点函数。热力系统由状态1变化到状态2，z为状态参数，则有：常见状态参数：温度（T），压力（P），比容（v），内能（u），焓（h），熵（s）等基本状态参数（Basicstateproperties）基本状态参数：可以直接或间接地用仪表测量的状态参数（方便测量）。温度（T）压力（P）比容（v）或密度（ρ）基本状态参数——温度（temperature）温度的一般解释：冷热程度的度量。温度的微观概念：大量分子热运动的强烈程度。22mBT平均平动动能温度比例常数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即为温度。温度的热力学定义：是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。热力学第零定律热力学第零定律（TheZerothLawofThermodynamics）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。温度测量的理论基础热平衡（Thermalequilibrium）在没有外来影响的情况下，两物体相互作用最终达到相同的冷热状况。温标（Temperaturescale）温标：温度的数值标尺。需规定基本定点和每一度的数值。热力学温标（Kelvinscale）：纯水三相点温度为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16。摄氏温标（Celsiusscale）：1标准大气压下冰熔点温度为0℃，沸点温度为100℃。华氏温标（Fahrenheitscale）：将冰与盐混和后，所能达到的最低温度订为0℉，而概略的将人体温度定为100℉。朗肯温标（Rankinescale）：以绝对零度为起点的华氏温标温标之间的换算O[][]273.15TKtCO5[]([]32)9tCtF[][]459.67tFtR基本状态参数——压力（Pressure）222323mpnnBT微观概念：大量分子碰撞器壁的结果。单位面积上的压力分子浓度平均平动动能热力学温度比例常数阐明了气体压力的本质，揭示了气体压力与温度之间的内在联系。宏观定义：Fpf整个容器壁受到的力容器壁的总面积气体的压力：通常用垂直作用于器壁单位面积上的力来表示压力的大小，也叫气体的绝对压力。常用压力单位（Units）1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104PaSI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa＝1N/m2常用压力单位有：巴（bar），标准大气压（atm），工程大气压（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）换算关系相对压力与绝对压力测压原理：测压仪表利用力平衡原理测量气体的压力。压力计指示的压力是气体绝对压力（absolutepressure）与外界大气压力的差值，称为相对压力（relativepressure）表压力与真空度pbpeppvp表压力（Gagepressure）：气体绝对压力大于外界大气压力时，相对压力为正压，又称表压力。真空度（Vacuumpressure）：气体绝对压力小于外界大气压力时，相对压力为负压，又称真空度。ppb时，p=pb＋peppb时，p=pb－pv比容和密度VvmmV比容（specificvolume）：单位质量工质占有的容积。密度（density）：单位容积的工质所具有的质量。（m3/kg）（kg/m3）1v显然：强度性参数与广延性参数强度性参数（Intensiveproperties）：与物质的量无关广延性参数（Extensiveproperties）：与物质的量有关在热力过程中起着推动力的作用，称为广义力或势。一切热力过程均是在某种势差推动下进行的。广延性参数具有可加性。在热力过程中起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。比参数：单位质量的广延性参数。比容v，比内能u，比焓h，比熵s第三节平衡状态、状态公理及状态方程平衡状态状态公理状态方程平衡状态（Equilibriumstate）定义：系统在不受外界影响的条件下，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。完全不受外界影响的系统是不存在的，因此平衡状态只是一个理想的概念，对于偏离平衡状态不远的实际状态按平衡状态处理可使分析计算大为简化。平衡状态下，系统内部及相联系的外界，起推动力作用的强度性参数都必须相等，否则在某种势差作用下平衡将被破坏。不同类型的平衡热平衡（Thermalequilibrium）系统内部温度处处相等。（ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire）温差（Temperaturedifferential）热不平衡势（Unbalancedpotentials）不同类型的平衡力平衡（Mechanicalequilibrium）系统中任意位置的压力不随时间变化ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime受重力影响，大部分热力系统内部存在压力变化，但该变化相对很小，通常忽略不计。Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded压差（Pressuredifferential）力不平衡势（Unbalancedpotentials）不同类型的平衡相平衡（Phaseequilibrium）系统中各相的质量不随时间变化whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere相变——相不平衡势化学平衡（Chemicalequilibrium）系统中化学成分不随时间变化ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.化学反应——化学不平衡势平衡的本质平衡的本质：不存在不平衡势Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials温差—热不平衡势压差—力不平衡势相变—相不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡与稳定稳定（steady）：参数不随时间变化铜棒各点温度不再随时间变化，达到稳定，但不是平衡状态。原因在于系统受外界影响。若以（铜棒+热源+冷源）为系统，则系统平衡吗？稳定不一定平衡，平衡一定稳定。平衡稳定平衡与均匀均匀（Even）：成分和相在整个系统空间均匀分布平衡：指时间上均匀：指空间上平衡未必均匀，均匀也未必平衡。单相平衡态一定是均匀的。状态公理用状态参数描述系统状态特性，只有在平衡状态下才有可能。那么，要描述系统的平衡状态，是否需要所有的状态参数呢？状态公理（Statepostulate）不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差达到某一方面的平衡消除一种能量传递方式因为不平衡势差相互独立，所以所需独立参数数目N＝不平衡势差数＝能量转换数＝各种功的方式+热量N＝n+1简单可压缩系统（Simplecompressiblesystem）特征：只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功MovingBoundaryWork膨胀功ExpansionWork压缩功CompressionWork简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统N=?状态方程（Equationofstate）状态方程：基本状态参数之间的函数关系。对于简单可压缩系统3个基本状态参数：压力p，比容v，温度T根据状态公理，确定系统平衡状态的独立参数：N＝2所以任意两个基本状态参数即可描述系统状态，另一个基本参数可由其它两个独立的基本参数确定，即：1(,)vfpT2(,)pfTv3(,)Tfpv或(,,)0fpTv坐标图（diagram）简单可压缩系统N=2，可用平面坐标图分析工质的状态及变化过程。1）系统任何平衡态可表示在坐标图上2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常用p-v图和T-s图pv21pv21作业第一章习题1-5，1-8，1-9第一章基本概念热力系统热力状态及基本状态参数平衡状态、状态公理及状态方程准静态过程与可逆过程热力循环第四节准静态过程与可逆过程为何引入准静态过程和可逆过程概念准静态过程可逆过程可逆过程的膨胀功（容积功）可逆过程的热量为何引入准静态过程和可逆过程概念平衡状态可用状态参数描述不存在势差，不能同外界交换能量非平衡状态无法简单描述存在势差，可以同外界交换能量实际热力过程1.在势差的作用下进行的，存在非平衡损失和耗散损失，且难以定量计算。2.系统内部状态偏离平衡状态，偏离程度与势差大小相关如不对实际热力过程进行简化和近似处理，则难以对实际热力过程进行定量分析和研究。实际过程准静态过程可逆过程理想化一般过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2=p0T2=T0pv12..准静态过程（quasi-staticprocess）p1=