工程热力学与传热学(中文) 第1章 基本概念

工程热力学与传热学工程热力学第一章基本概念第一章基本概念内容要求：掌握热力系统的基本概念和分类；掌握平衡状态的基本概念和实现的充要条件；熟悉基本状态参数：压力，温度和比体积；掌握准静态过程和可逆过程的基本概念和特征；掌握过程功和过程热量。1—1热力系统1-1-1热能在热机中转化成机械能的过程1.热力发动机（热机）（engine）：凡是能将热能转换为机械能的机器。2.工质（substance）：实现热能和机械能转化的媒介物质。3.热源（source）：高温热源：工质从中吸收热能的物系。低温热源：接受工质排除热能的物系。4.举例：蒸汽动力装置中热能转变为机械能的过程过热器134锅炉给水泵汽轮机发电机冷凝器26冷却水高温热源？低温热源？热能动力装置的工作过程：工质自高温热源吸热将其中一部分转化为机械能而作功把余下部分传给低温热源1-1-2热力系统1.热力系统；热力学中，选取一定的工质或空间作为研究对象。边界（boundry）环境（surrounding）热力系统（system）闭口系统示意图入口（inlet）出口（outlet）热力系统（system）边界（boundry）开口系统示意图2.热力系统的分类（1）系统与外界是否进行物质交换：a：闭口系统（closedsyetem）b:开口系统（opensystem）系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换.（控制质量系统）。系统与外界之间既有物质交换，又有能量交换.（控制容积系统）。边界热力系统闭口系统示意图入口出口热力系统边界开口系统示意图a:简单系统（simplesystem）（2）系统与外界之间进行能量交换情况：b:绝热系统（adiabaticsystem）c:孤立系统（isolatedsystem）系统与外界只交换热量和一种形式的功。系统与外界之间完全没有热量交换。系统与外界之间既无物质，又无能量交换。气体或液体Ｑ＝0绝热系统热力工程中：简单可压缩系统（simplecompressiblesystem）分析任何非孤立系统+相关外界孤立系统=环境孤立系统思考题1.闭口系统具有恒定的质量,但具有恒定质量的系统不一定就是闭口系统。2.孤立系统一定是闭口的,反之则不然。3.孤立系统一定是绝热系统，但绝热系统不一定都是孤立的。4.孤立系统的热力学状态不能发生变化。1—2平衡状态及状态参数1-2-1工质的热力学状态1.工质的热力学状态（thermodynamicstate）工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况。2.状态参数（stateparameter）描述工质所处状态的宏观物理量。系统的热力学状态说明状态参数是热力系统状态的单值函数状态参数的值只取决于给定的状态，与如何达到这一状态的途径无关1-2-2平衡状态（equilibriumstate）1.平衡状态：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态为平衡状态。a：工质的宏观性质不随时间而变化的状态；b：只有平衡状态，才能用确定的状态参数描述系统所处的状态；说明c:工程热力学只研究平衡状态。（2）力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移，是否存在压力差是判断系统处于力平衡的条件。（3）化学平衡：化学反应宏观上停止，反应物和生成物的化学位相等是实现化学平衡的充要条件。（1）热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量传递，是否存在温度差是判断系统处于热平衡的条件。2.充要条件（4）相平衡不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发地趋于平衡状态。只有在系统内部和系统与外界之间一切不平衡的势差都消失时，系统的一切宏观变化才可停止，热力系统所处的状态为平衡状态。3.结论：两个不同概念“平衡”和“均匀”思考1-2-3基本状态参数1.温度（1）温度（temperature）是标志物体冷热程度的参数。（2）热力学第零定律（thezerothlawofThermodynamics）如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。（3）温标（temperaturescale）温度的数值表示法。热力学温标（thermodynamicscaleoftemperature）热力学温标基准点：取水的三相点（triplepoint）（纯水固、液、气三相平衡共存的状态点）为基准点，定义其温度为273.16K。１Ｋ=水的三相点？热力学摄氏温标（celsius）定义：t=T–273.15℃摄氏温度0℃=热力学温度273.15K水的三相点温度t=0.01℃2.压力（pressure）（1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，用p表示。（2）单位：大气压的倍数表示atm,at液柱的高度表示mH2O,mmHg国际单位制，单位面积上所受的力表示Pa,kPa例如一个标准大气压：mmHgppHOmHppHagHgHaOHOH76081.9106.1310013.11081.9100010013.1352522（3）绝对压力，表压力和真空度绝对压力（absolutepressure）是以绝对真空为基准计量得到的压力，是工质的真实压力。表压力（gagepressure）是以大气压为基准测量得到的压力用Pe表示真空度（vaccum）用Pv表示PePbPPvP00Pb绝对压力，表压力，真空度，大气压力之间的关系当p＞pb时p=pb+pe当p＜pb时p=pb-pvppbpeppbpv3.比体积及密度（1）比体积（specificvolume）单位质量的物质所占的体积，单位m3/kg。用v表示。（2）密度（density）单位体积物质的质量。用表示v=1思考题思考题1.平衡状态的系统不一定是均匀的，均匀系统则一定处于平衡状态。2.摄氏温度的零点相当于热力学温度的273.15K。3.只有绝对压力才能表示工质所处的状态，才是状态参数。1—3状态方程式与状态参数坐标图状态公理：对于简单可压缩系统，只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态例：p=f(v,T)，v=f(p,T)，T=f(v,p)1-3-1状态方程式表示状态参数之间关系的方程式。F(p,v,T)=0常用坐标图：压容图（p-v图）温熵图（T-s图）压焓图（p-h图）1-3-2状态参数坐标图由热力系的状态参数所组成的坐标图pvp1v1v2p2120p-v图TsT1s110T-s图php1h110p-h图思考题1.只有平衡状态，才能用状态参数坐标图上的一点来表示。2.非平衡状态，因为没有确定的状态参数，无法在状态参数坐标图中表示。1—4准静态过程和可逆过程热力过程（thermodynamicprocess）系统由一个状态到达另一个状态的变化过程平衡状态平衡状态变化过程对实际过程简化的思想1-4-1准平衡过程（quasistaticprocess）1.准平衡过程（准静态过程）：假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于平衡状态的过程。2.分析：观察由于力的不平衡而进行的气体膨胀过程假设：汽缸中有1kg的气体，其参数为p1,v1.T1选取：汽缸内气体为热力系统p1Apext1AF气体膨胀过程膨胀过程：突然减小pext1——pext2则p1Apext2A+F活塞右行中间状态：不平衡状态中间过程：不平衡过程若p1A=pext1A+F为初始平衡状态1p1Apext1AF1当p2A=pext2A+F达到新的平衡状态2p2Apext2AF2pvp1v1v2p2120思考：若过程进行的无限缓慢3.实现条件：推动过程进行的势差（温差，压差）无限小，保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡状态。4.特点：是实际过程进行的无限缓慢的极限情况，是热力学意义上的缓慢。5.好处：（1）可用确切的状态参数描述过程；（2）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程。驰豫时间（relaxationtime）当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。1-4-2可逆过程（reversibleprocess）1.可逆过程：当系统完成某一路径（path）后，如果全过程沿相同的路径逆行而能使过程中所涉及的一切（system,surrounding）都恢复到原来的状态而不留下任何痕迹，则这一过程即为可逆过程。2.实现条件：是无耗散的准静态过程。pApextAF21F=0耗散效应：通过摩擦，粘性扰动，温差传热等消耗功或潜在作功能力的损失．3.可逆过程与准静态过程的关系区别：二者的着眼点不同。准静态：只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响可逆过程：分析工质与外界作用所产生的总效果。不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与外界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。思考题1.不平衡过程，一定是不可逆过程；2.不可逆过程就是指工质不能恢复原来状态的过程；3.一个可逆过程必须同时也是一个准平衡过程，但准平衡过程不一定是可逆的。4.实际过程都是不可逆过程。1—5过程功和过程热量1-5-1功（work）（1）力学中功的定义：力和沿力的方向位移的乘积。（2）热力学中功的定义：在热力过程中，如果系统与外界相互作用而传递能量，若其全部效果可表现为使外界物体改变宏观运动状态，则这种传递的能量为功。1.功的定义21dxFWdxFW膨胀功：工质在体积膨胀时所作的功；压缩功：工质受压缩时外界对工质所作的功。对准平衡过程：系统在整个过程中作功JpdVW21比膨胀功：单位质量工质所作的膨胀功。kgJpdvw21（3）体积变化功通过工质体积的变化而与外界交换的功量pAdx5.示功图：对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用、过程线下面的面积表示21pdvwpdvwpA21规定：系统对外作功，取正，dv0,w0；外界对系统作功，取负，dv0,w0功是过程量：与初、终态有关，与过程有关。pv12dv示功图0pw1-5-2热量（heat）1.热量：系统与外界之间仅仅由于温度不同而交换的能量。用Q，q表示，单位J,kJ,J/kg,kJ/kg2.可逆过程中系统与外界交换的热量：21212121TdSTdsTdsqQq3.示热图：可逆过程中，热量在T-s图上用过程线下面的面积表示21TdsqTdsq规定：系统吸热：热量为正，q0系统放热：热量为负，q0系统绝热：q=0可逆绝热：ds=0热量是过程量：与初终状态，过程有关Ts12ds示热图0Tq1-5-3功和热量的关系共同点（1）都是能量传递的度量，都是过程量；（2）只有在传递过程中才有功，热量。（1）功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随着能量形态的转变；热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的变化；区别（2）功转变成热量是无条件的；而热转变成功是有条件的。思考题1.功可以全部转变为热，但热不能全部转变为热2.质量相同的物体A和B，若TATB，则物体Ａ具有的热量比物体Ｂ多1—6热力循环1-6-1热力循环（thermodynamiccycle）工质从初始状态经历某些过程之后又恢复到初始状态，称工质经历了一个热力循环。1-6-2可逆循环和不可逆循环1.可逆循环（reversiblecycle）循环中的每一个过程都是可逆的。2.不可逆循环（irreversiblecycle）若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则循环为不可逆循环。1-6-3正向循环和逆向循环1.正向循环（forwardcycle)将热能转变成机械能的循环。2.逆向循环（backwardcycle)将热量从低温物体传给高温物体的循环。