高等工程热力学课件

本章重点•取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。§1-1热力系统1、系统与边界热力系统(热力系、系统)：用界面分离出的研究对象。外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界第一章基本概念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边界特性真实、虚构固定、活动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1234mQW1开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功§1-2状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：22zzxyyx可判断是否是状态参数强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数：比容VvmUum比内能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质§1-3基本状态参数压力p、温度T、比容v（容易测量）1、压力p物理中压强，单位:Pa,N/m2常用单位：1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104Pa压力p测量示意图一般是工质绝对压力与环境压力的相对值——相对压力注意：只有绝对压力p才是状态参数绝对压力与相对压力示意图当ppb表压力peebppp当ppb真空度pvbvppppbpeppvp环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。见习题1－7大气压随时间、地点变化。物理大气压1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)()phgdh其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器热力学第零定律温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）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B温度计温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标比容v［m3/kg]Vvm工质聚集的疏密程度物理上常用密度［kg/m3]1v§1-4平衡状态1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），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。温差—热不平衡势压差—力不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述§1-5状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差达到某一方面平衡消除一种能量传递方式而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统N=?状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系),(Tpfv0),,(Tvpf状态方程的具体形式理想气体的状态方程RTpvpVmRT实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：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见p-v图和T-s图21§1-6准静态过程、可逆过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2=p0T2=T0pv12..准静态过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡准静态过程示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV21WpdV1kg工质：w=pdv21wpdvW可逆过程的定义系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）不平衡势差不可逆根源耗散效应耗散效应引入可逆过程的意义准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆可逆内部可逆，外部不可逆外部可逆，内部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆§1-7功量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义(外文参考书）a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。功的表达式功的一般表达式FdxwFdxw热力学最常见的功容积变化功pdvwpdvw其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等§1-8热量与熵1、热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p温度T标志dV,dvdS,ds公式pdvwTdsqpdvwTdsq条件准静态或可逆可逆熵（Entropy）的定义revQdSTreversible熵的简单引入revqdsT比参数[kJ/kg.K]ds:可逆过程qrev除以传热时的T所得的商清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量[kJ/K]熵的说明1、熵是状态参数3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正Q0dS0系统放热时为负Q0dS04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量示功图与示热图pVWTSQ示功图温熵(示热)图pdVWTdSQ§1-9热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆过程不可逆循环可逆循环正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT1Q1Q2T0制热循环：制热系数本章基本要求4掌握混合气体分压力、分容积的概念1掌握理想气体状态方程的各种表述形式，并应用理想气体状态方程及理想气体定值比热进行各种热力计算2掌握理想气体平均比热的概念和计算方法3理解混合气体性质第二章理想气体的性质本章重点1理想气体的热力性质2理想气体状态参数间的关系3理想气体比热§2-1理想气体状态方程一理想气体定义忽略气体分子间相互作用力和分子本身体积影响,仅具有弹性质点的气体，注意：当实际气体p→0v→的极限状态时，气体为理想气体。二理想气体状态方程的导出二TRpVmm:kmol1TnRpVnm:kmol1kg:pvRTmRTpVm:kgV：nKmol气体容积m3；V：质量为mkg气体所占的容积；P：绝对压力Pa；v：比容m3/kg；T：热力学温度K状态方程VM：摩尔容积m3/kmol；RM：通用气体常数，J/kmol·K；工程热力学的两大类工质1、理想气体（idealgas）可用简单的式子描述如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等2、实际气体（realgas）不能用简单的式子描述，真实工质火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等状态方程的应用1求平衡态下的参数2两平衡状态间参数的计算3标准状态与任意状态或密度间的换算4求气体体积膨胀系数：体积为V的真空罐出现微小漏气。设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0－p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。由于漏气过程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。例2：容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：（a）（b）VTRppg00exp1222111TVPTVP题解解：放气前、后两个平衡状态之间参数能按方程式（a）形式描述，不能用方程式（b）描述，因为容器中所盛有一定量的理想气体当将气体放出一部分后，其前、后质量发生了变化根据，，而可证。1111RTmvp2222RTmvp21mm解例1例题1解:由题设条件已知漏入空气的流率:罐内的状态方程dV=0;dT=0mmppdd积分(P由0到p)得TmRpVg微分mmTTVVppdddd）（ppmm0dddd（2）（1）pVTRppmppppgd)(d)(d000d)(dd0000VTRpppppppg或VTRpppg000lnVTRppg00exp1或md但是,当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。哪些气体可当作理想气体T常温，p7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2，可以§2-2理想气体的比热计算内能,焓,热量都要用到比热定义:比热单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量qCdtc:质量比热容kJkgKMc:摩尔比热容kJkmolKC’:容积比热容3kJNmKC=Mc=22.414C’okJkgCokJkmolC3okJNmCTs(1)(2)1