第二章热工基础2.

第二章工程热力学基础EngineeringThermodynamics工程热力学是研究什么的？WhattheEngineeringThermodynamicsstudyfor?我们为什么要学习工程热力学？WhywestudyEngineeringThermodynamics＊热力学（经典热力学）：研究能量（特别是热能性质及其转换规律的科学。＊工程热力学：热力学的一个分支，着重研究热能与机械能相互转换（热功转换）的规律。运用热力学两大定律分析各种热力过程和热力循环，特别是找出热能转换为机械能最有利的条件可见，这正是研究热机必要的理论基础主要内容•基本定义和概念•理想气体状态方程式•工质的比热•热力学第一定律•气体的热力过程•热力学第二定律§2.1基本定义和概念•一、热力学系统Thermodynamicsystem•热力学系统（热力系统、热力系、系统）—人为划分出的，含有一定物质的特定区域。外界—系统之外与能量转换过程有关的一切其他物质。边界—分割系统与外界的界面。在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。系统的分类：闭口系统：系统与外界无质量（物质）交换（控制质量）。例：开口系统：系统与外界有质量（物质）交换（控制容积）。例：绝热系统：系统与外界无热量交换。例：孤立系统：系统与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。＊热源：具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只是与其他系统交换热量，交换的结果其温度不发生任何变化。高温热源：向其他系统供热的热源（热源）；低温热源：吸收其他系统放出热量的热源（热汇，冷源）。系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。二、热力学系统的状态及基本状态参数热力学状态—热力学系统所处的宏观状况。简称状态状态参数—描述系统热力学状态的宏观物理量。基本状态参数—可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。导出状态参数—由基本状态参数计算得到的状态参数（u、h、s等）。状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化可表示为（以压力p为例）：122,1ppp相应地，状态参数的微增量具有全微分的性质，即2,11221dpppp1、压力（压强）p（单位帕斯卡，其他KPa，MPa，bar，atm，mmhg及它们之间关系）只有绝对压力才是状态参数绝对压力：气体的真实压力相对压力（表压力、真空度）：压力计显示的压力基本状态参数：微观上：宏观上：2、温度T（单位：热力学温度开尔文K，其他摄氏温度t℃）它们之间关系t℃＝T－273.15K微观上：宏观上：基本状态参数：三相点温度：水的固相，液相，气相共存状态的温度，规定其热力学温度为273.16K则摄氏温度t℃＝273.16K－273.15K=0.01℃而273.15K为水的冰点温度，只有热力学温度才是状态参数3、比容v（单位：立方米/千克）定义：单位质量物质所占的容积，和密度互为倒数。基本状态参数：三、平衡状态平衡状态—在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不随时间变化的状态。平衡条件：热平衡(例不传热)力平衡(例不做功)化学平衡（无化学反应）以后所提到的状态均指平衡状态可用确定的一组状态参数来表示可在坐标图上用一个点表示四、热力过程和准静态过程热力过程—热力学状态连续变化的历程。也叫过程非准静态过程—系统经历一系列不平衡状态的过程。坐标图上用虚线表示准静态过程—系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。坐标图上可用实线表示准静态过程进行的条件：推动过程的作用无限小。实际过程是否可以作为准静态过程来处理？这取决于所谓弛豫时间。弛豫时间—气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。大部分实际过程可以近似地当做准静态过程。因为气体分子热运动的平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播的速度也达每秒数百米，因而在一般工程设备具有的有限空间中，气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间，即所谓弛豫时间非常短。例如，内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，与其中的气体分子热运动的平均速度相比相差一个数量级，因此，当机器工作时气体工质内部能及时地不断建立平衡状态，而工质的变化过程很接近准静态过程五、可逆过程和不可逆过程可逆过程：系统进行一个热力过程后，能够沿原路径逆向回复到初态，而不引起别的变化的热力过程。可逆过程进行的条件：内部可逆＋外部可逆（无耗散的准静态过程）。不可逆因素：摩擦、温差传热。不可逆过程：存在自发的变化，从而产生不可复逆影响的过程。（如：摩擦、温差传热的影响。）不可逆过程意味着作功能力的损失。准静态过程§2.2理想气体状态方程式•理想气体：假设分子只有质量，没有体积；分子间无相互作用力。即：相互之间没有作用力的质点组成的可压流体一、理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：状态方程式：三个基本状态参数（p、v、T）之间的函数关系：F(p，v，T)＝0显函数形式：T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：对1mol理想气体pVm＝RTR—摩尔气体常数（普适气体常数），R＝8.314510J/(mol·K)对任何气体成立对1kg理想气体pv＝RgTRg＝R/M—气体常数，M—摩尔质量，即气体分子量。与气体的种类有关nmol理想气体pV＝RT，mkg理想气体pV＝RgT可见：p，v，T三参数已知两个，可求得第三个。阿佛加德罗定律•在同温，同压下，容积相同的任何气体具有相同的分子数。就是阿佛加德罗定律•“mol”表示物质的量，任何1mol物质含有相同的分子数，等于12g碳12的原子数（阿佛加德罗数6.0228*1023）•推论：在同温，同压下，任何1Kmol气体的容积是相等的（标准状况下等于22.4134m3/Kmol）例1：储气罐装有C2H6气体1kg，瓶的容积为50L，室温为27℃，求瓶内气体压力？例2：压缩空气储气罐的容积为0.3m3，压力为1MPa，用去一部分空气后，压力降为0.9MPa，设室温为20℃，空气气体常数为R=287.1J/kg·K，求原有空气质量与用后剩余空气质量？1何谓平衡状态？在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不随时间变化的状态2何谓理想气体？假设分子只有质量，没有体积；分子间无相互作用力。即：相互之间没有作用力的质点组成的可压流体3何谓准静态过程？系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。坐标图上可用实线表示实现准静态过程的条件是什么？推动过程的作用无限小思考题§2.3工质的比热•定义：•即单位工质在一定条件下作单位温度变化时所吸收（放出）的热量。•注意：它是工质的物理属性，不是状态参数，其值因工质不同而不同。即使同一工质，也因物量单位和热力过程性质及加热状态不同而不同dTdqc一、物量单位比热•质量比热（KJ/kg·K）•容积比热（KJ/m3·K）•摩尔比热（KJ/Kmol·K）•三者关系kgTqcLTqc'molmTqc'4.22ccMcm二、热力过程比热•定容比热•定压比热•两者者关系•因为气体在定压下加热，当T升高时还要对外作膨胀功，所以同样升高1K，比在定容下需更多的热量VVTqcppTqcvpcc•实验证明：理想气体定压与定容比热的差值是常数R•我们还定义比热比K（绝热指数）•所以RCCpvKCCpvRKKCp1RKCv11迈耶公式三、真实比热和平均比热理想气体的比热不仅与物量单位和过程有关，而且随温度变化（和压力关系不大）。通常根据实验数据将其表示为温度的函数：利用真实比热计算热量：3322100TaTaTaacp3322100TaTaTaacVTTaTaTaaTcqpd)(d3322121021021)(2)(21221120TTaTTa)(4)(34142331322TTaTTa真实比热适用于大温差、计算精度要求高的场合。CtCtt2t1平均比热•可见，计算热量需积分，麻烦，所以往往用平均比热•根据实验编制0-t的比热表，计算时直接查表。122121ttqCttm122121ttCqttm1C0m2C0m12tctctt1221C0C0ttttqqq0℃t1t221ttq2C0tq1C0tq四、定比热•实际应用中，当温度变化不大或计算不要求十分精确，把比热近似看作确定数，称定比热。一般用25℃时气体比热的实验数据。五、理想混和气的比热•内燃机的工质由多种气体组成，就空气就由氧气、氮气等多种气体组成。燃料燃烧的废气中有CO，CO2，NOx，N2，O2等气体组成。由于各组成气体混和时不发生化学反应。每一种气体可看着是理想气体，混和气也可看作是理想气体。前面的公式定理都适用。理想混和气体•由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。理想气体混合物也遵守理想气体状态参数状态式：nRTpV混合物的质量等于各组成气体质量之和：nimmmmm21混合物物质的量等于各组成气体物质的量之和：ninnnnn21•所以混和气体的摩尔质量为：niiniininimixnmnnnnmmmmM112121KkmolJRRMmmixmix/3.8314•例：某混和气由8kg氧气，7kg氮气，1kg氢气组成，求在标准状况下的混和气的摩尔质量、比容、气体常数。混合物的组成•一般用组成气体的含量与混合物质量的比值来表示混合物的组成。质量分数：mmwii摩尔分数：容积分数：nnyiiVVii121n121nyyy121n显然混合物组成气体成份之间的关系nnpnRTpRTnVViiiiiiy由由由得得得nMMnmmwiiiiMMywiiiVVmmwiiiiiiiw由摩尔质量的定义，混合物的摩尔质量为：)(221121nniMmMmMmmnnnmnmM)(12211nnMwMwMwMnMnMnMnnmmmnmMiii221121iiMyMyMyM2211即得：由：又得：MRRmmix)(2211nnmmixMyMyMyRRnnmixRwRwRwR2211混合物的折合气体常数为：即得：和：以上二式还可写为：)(2211nnmmixMwMwMwRR)(12211nnmixRyRyRyR理想气体混合物的比热•质量比热•容积比热•摩尔比热kgnnkgkgkgcwcwcwc2211ln2211monmolmolmolcycycycVnnVVVcccc2211可见理想混和气的比热等于各组成气体的比热与该气体相对成分乘积§2.4热力学第一定律•能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。•能量守恒和转换定律—能量是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。•热力学第一定律—热能与机械能是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。输入系统的能量=系统储存的能量+输出系统的能量可见：不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是不可能实现的。一、内能、功、热量•1、内能（U）：工质内部各种形式能量的总和。包括：内部动能—包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子的振动动能，温度越高，内部动能越大。可见是温度的函数内部位能—由分子间相互作用力形成。大小取决于分子间的距离。可见是比容的函数化学能、原子能等。在没有化学反应、核反应的物理过程中，内能的变化只包括内部动能和内部位能的变化。所以内能能是个状态参数。比内