1Chapter基本概念

2020年1月23日星期四1时45分49秒1《工程热力学》徐建良编授课教师:史艳东E-mail：[e-mail]化学工业出版社本学期授课安排绪论(1)1.基本概念(4)2.气体的p-V-T性质(6)3.能量与热力学第一定律(12)4.气体的主要热力过程与气体的压缩(8)5.能质与热力学第二定律(8)6.水蒸气(4)7.气体与蒸汽的流动(4)8.动力循环(8)9.制冷(8)10.机动(4)复习(4)化学工业出版社学习方法与几点要求温故知新，复习高数、物理等，及时预、复习，善于提问、总结充分利用课堂时间提高学习效率作业按时独立完成多看一些参考书，扩大知识面平时(20%)考试(80%)总评作业(10%)出勤(10%)(80%)化学工业出版社绪论热力学发展简述工程热力学的研究对象和基本任务工程热力学的主要内容工程热力学的研究方法工程热力学的学习方法化学工业出版社绪论一、热力学发展简介起源：热现象热力学（Thermodynamics）1.热力学定义关于能量的普遍学说，或是一门研究能量及其相互转换的科学，它能预言物质状态变化的趋势并研究伴有热效应体系的平衡。2.发展过程及主要贡献人物18世纪之前：热质论培根认为“热是一种运动”1744年罗蒙诺索夫热是分子运动的表现1824年卡诺(1796-1832)1842年迈尔1843~1848年焦耳1850年克劳修斯1822~1888),德国物理学家,数学,热力学…1851年汤姆逊即开尔芬,物理,热力学,电工,测量仪表…化学工业出版社绪论二、工程热力学的研究对象和基本任务（一）工程热力学的研究对象物质、状态、现象和过程凡是涉及热现象的过程、装置以及系统都是工程热力学的研究对象。而热机中进行的过程和循环则是工程热力学的传统研究对象。（二）工程热力学的基本任务就是通过对各种用能设备及系统中的能量转换过程及影响因素的研究，探求有效用能的技术途径和基本方法。100%Ⅰ有效利用的能量的数量耗费能量的总数量100%Ⅱ有效利用的能质耗费的能质化学工业出版社绪论三、工程热力学的主要内容1．研究热力学的基本定律——热力学第一、二定律2．研究工质的热物理性质3．研究各种热力设备中的能量转换过程4．研究与热力设备的工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。工程热力学的应用范围已扩展到许多工程技术领域中,如制冷、热泵、空气分离、空气调节、海水淡化、化学精炼、生物工程等,都需要应用工程热力学的基本理论和基本知识。因此,工程热力学已成为制冷与空调及许多相关专业所必修的一门技术基础课。13:45化学工业出版社绪论四、工程热力学的研究方法1.宏观研究法(宏观热力学)2.微观法(统计热力学)五、工程热力学的学习方法1.明确本课程的研究对象和任务。2.掌握本课程的基本理论，掌握分析问题解决问题的科学方法。3.重视平时的解题训练。13:45化学工业出版社第一章基本概念§1.1工质、热力系一、工质为完成热能与机械能之间的相互转换必须借助的某种工作物质或工作介质——工质13:45二、热力系、边界与外界1.热力系:被人为地划分出来作为热力学研究的对象。2.边界:包围热力系的边缘3.外界:热力系边界以外的空间化学工业出版社第一章基本概念外界的构成(1)单一环境(Surrounding)如研究换热器时，若以整个换热器为体系，则其外界为单一的大自然环境，因其不可避免地会与大自然环境发生热交换。(2)另一或一个以上体系+环境如研究换热器时，若以其中的热流体为体系，则其外界为两个部分，即大自然环境和冷流体。三、热力系的分类1.封闭热力系(闭系)体系与外界只有能量交换而无物质交换的体系；2.敞开热力系(开系)体系与外界既有能量交换又有物质交换的体系；3.孤立热力系(孤立系、隔离热力系)体系与外界既无能量交换又无物质交换的体系。13:45化学工业出版社第一章基本概念§1.2工质的热力状态和基本状态参数一、热力状态热力系中的工质在某一瞬间所具有的全部宏观物理状况称为工质的热力状态，简称状态。二、平衡状态平衡状态是指热力系在无外界影响下，其宏观物理状况不随时间而变化的状态。热力学一般只对平衡状态进行分析研究。三、基本状态参数(一)状态参数1.状态参数的概念:指用来描述体系所处状态的宏观物理量。2.状态参数的特点:唯一性,点函数,有全积分，如：13:452211dxxxx3.热力学状态参数的分类(1)强度性质(IntensiveProperties)凡与质量无关的称为强度量,如p、T等,强度量不具有加和性(2)容量性质（广延性质）(ExtensiveProperties)凡与质量成比例的量称之为容量性质,如V等,具有加和性化学工业出版社第一章基本概念§1.2工质的热力状态和基本状态参数三、基本状态函数(二)温度(Temperature)1.温度的概念(1)宏观的定义:衡量物体冷、热程度的参数。(2)微观的定义:衡量物体内部分子热运动强弱的参数。(3)热力学第零定律(温度计测温的依据)若A与B处于热平衡状态，A与C也处于热平衡状态，则B与C必处于热平衡状态。描述处于同一热平衡状态的宏观物理量称为温度。2.温度的表示(1)开氏温标(Kelvin,1848年Thomson提出)1954年国际第十届计量会议规定，以水的三相点为基准，定为273.16K。(2)摄氏温标（Celsius，1742年）(3)华氏温标（Fahrenheit，1714年）(4)兰氏温标（Rankine）13:45化学工业出版社第一章基本概念§1.2工质的热力状态和基本状态参数三、基本状态参数(二)温度(Temperature)3.各种温标之间的关系(用软件演示)13:45温标种类开氏温标（K）0273.15255.3722摄氏温标（℃）－273.150－17.778华氏温标（℉）－459.67320兰氏温标（R）0491.67459.67T(K)=t(℃)+273.15T(ºR)=1.8T(K)t(℉)=1.8t(℃)+32t(℉)=T(R)－459.67化学工业出版社第一章基本概念(三)压力1.压力的概念单位面积上所受的垂直力称之为压力，以符号p表示。2.压力表与真空表13:453.压力的表示(1)当绝对压力大于大气压力（p0）时，压力表上的读数ps称为表压力。此时有：p=ps+p0（1-2）(2)当绝对压力低于大气压力时，表示容器内工质具有真空度（pv），此时有：p=p0pv（1-3）思考:压力的基本单位?换算?ps、pv是不是状态参数?化学工业出版社第一章基本概念§1.2工质的热力状态和基本状态参数(四)密度与比体积1.密度(1)密度的概念单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。(2)密度的计算=m/V(kg/m3)2.比体积(又称比容)(1)比体积的概念单位质量工质占有的容积称之为工质的比体积。(2)比体积的计算v=V/m(m3/kg)密度与比体积互为倒数！13:45化学工业出版社第一章基本概念§1.3状态方程与状态参数坐标图一、状态参数之间关系的描述方法(1)公式、表达式、关系式等;(2)图形、曲线等;(3)表格思考:上述三种方式中哪一种方法对体系所处状态的描述最为正确?13:45pV=p1V1=p2V2二、状态方程表示状态参数之间函数关系的数学表达式。三、状态参数坐标图描述热力系状态参数之间关系的图形。思考:(1)描述纯物质的性质要用几个状态参数?(2)描述理想气体等温过程的状态方程?状态参数坐标图?化学工业出版社第一章基本概念§1.4热力过程及其描述一、热力过程热力系与外界相互作用而引起的热力系由一个平衡状态经过连续的中间状态变化到一个新的平衡状态的全过程，称为热力过程，简称过程，它实质上是一系列状态点组成的轨迹。二、实际热力过程——非平衡过程13:45思考：实际过程容积计算？功=力×位移W=p2S×(v2－v1)/S=p2(v2－v1)Nm→J三、平衡过程与准静态过程(一)平衡过程热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡过程。化学工业出版社三、平衡过程与准静态过程(一)平衡过程热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡过程。平衡过程中任何一个状态的特征都可用状态方程来描述,其过程在坐标图上可表示为一条曲线,称为过程线,如图1-9中的曲线1-2。准静态过程的特征是：（1）在过程中，热力系内部不断存在力平衡和热平衡，或平衡被破坏的程度无限小；（2）过程进行得无限慢；（3）在坐标图上可用连续的曲线来描述，如图1-9中的曲线1-2。(二)准静态过程(准平衡过程)由一系列中间平衡状态所组成的热力过程称为准静态过程。化学工业出版社四、可逆过程与不可逆过程(一)不可逆过程一切实际热力过程都是不可逆过程。(二)可逆过程是指一个过程进行之后，可以循原途径逆向进行，并使热力系与外界完全恢复到原来状态的过程。思考:准静态过程与可逆过程的区别?简单热力系进行可逆过程必须满足以下二个条件：（1）无推动力，即传热无温差——传热时热力系内部、热力系与外界均不存在温差；做功（或耗功）无压差——即膨胀时（或压缩时）热力系内部、热力系与外界不存在压差；（2）过程中热力系与外界、热力系内部均不存在任何摩擦。可逆过程的基本特征是:过程进行的结果不给热力系及外界留下任何影响（或痕迹）。化学工业出版社第一章基本概念§1.5热力系的状态能一、静态工质的贮存能(一)内贮存能——内能(热力学能)1.内能的定义热力系内所有粒子除整体势能及整体动能外全部能量的总和，它是与物质内部分子结构以及分子运动有关的微观能量。2.内能的构成(1)内动能;(2)内位能;(3)化学能;(4)原子能。(二)外部贮能——重力位能由于重力的作用而具有的重力位能Ep为：Ep=mgZ静态工质的总贮存能是其内能与重力位能之和。即:E=U+Ep（1-4）13:45化学工业出版社第一章基本概念二、流动工质的能量及焓（一）宏观动能13:45221mCEk（二）流动功(挤压功,推动功,推进功,压强能)1.定义:流体在流动过程中,由于前后流体之间的相互挤压而交换的功。2.计算式1111111111(1-5)fmvWpAmpvpVA注意:流动功是一种特殊的功，其数值仅取决于工质进、出界面时的热力状态。故流动功是状态参数!化学工业出版社第一章基本概念(三)焓及其物理意义某一流动热力系具有的总能量为:E=U+pV+Ek+Ep令:H=U+pV（1-7a）或:h=u+pv（1-7b）故:E=H+Ek+Ep（1-8a）或e=h+ek+ep（1-8b）对于流动工质,其进、出口总能量变化为:E=E2E1=H+Ek+Ep（1-9）13:45注意:焓只是一个复合状态参数!化学工业出版社第一章基本概念§1.6热力学的传递能——功与热一、功（Work）1.功的定义(1)经典的力学中的定义:力×位移(2)热力学中的定义:功是热力系通过边界而传递的能量,且其全部效果可表现为“举起重物”。功是个过程量，且属于“有序能量”、“高级能量”。2.功的“+”、“－”号规定体系得功或耗功为“+”、对外作功为“－”。3.功的种类如：容积功、轴功、理想功