中国矿业大学工程热力学第一章剖析

EngineeringThermodynamics第一章基本概念BASICCONCEPTS§1热力系统ThermodynamicsSystem§2状态与状态参数StateandStateProperties§3基本状态参数§4平衡状态Equilibrium§5状态方程§6准静态过程和可逆过程ReversibleProcess§7热量和功EnergyTransferbyWorkandHeat§8热力循环ThermodynamicsCycles主要内容本章重点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压缩机Compressor热电厂Steampowerplant飞机Aircraft空调热泵HeatPump压缩机热电厂锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器飞机空调热泵制冷热泵系统示意图房屋蒸发器冷凝器膨胀阀压缩机Q1WinQ2§1-1热力系统系统、外界与边界（System、Surrounding、Boundary）系统：用界面分离出的研究对象。Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界：系统以外的所有物质。边界：系统与外界的分界面。Boundary:Therealorimaginarysurfacethatseparatesthesystemfromitssurroundings系统与外界的作用都通过边界边界边界特性边界可以：真实或虚构；realorimaginary固定或移动；fixedormovable没有厚度和体积，不含有任何物质。nothicknessandvolume,doesnotcontainanysubstance.Note: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系统分类Classification§1-1热力系统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系统分类Classification闭口系Closedsystem开口系Opensystem孤立系Isolatedsystem绝热系Adiabaticsystem§1-1热力系统闭口系系统和外界（边界处）只有能量交换，无质量交换Asystemthatonlyenergycancrosstheboundarybutnomasscanenterorleave(alsoknownascontrolmass)闭口系例子密闭容器气缸-活塞系统piston-cylindersystem系统和外界（边界处）既可有能量交换，也有质量交换Asystemthatnotonlyenergybutalsomasscancrosstheboundary(alsoknownascontrolvolume)闭口系例子泵pumps,压缩机compressor,汽轮机热交换器heatexchanger.开口系孤立系Isolatedsystem系统和外界（边界处）既无能量交换，也无质量交换Asystemthatneitherenergynormasscancrosstheboundary(aspecialclosedsystem)TheUniverseIsolatedSystemBoundaryMassSystemSurr3MassWorkSurr1Heat=0Work=0Mass=0AcrossIsolatedBoundaryHeatSurr2Surr4绝热系AdiabaticSystem1234mQW1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1、下列系统类型？automobileenginepiston-cylindersystem问题？2、下列系统之间的关系？1）闭口系和定质量系统closedsystemandconstantmasssystem?2）闭口系和绝热系？closedsystemandadiabaticsystem?3）孤立系和闭口绝热系？isolatedsystemandadiabaticsystem?例题1-1例1：一刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝红线内——闭口绝热系粉红线内不包含电热丝——闭口系粉红线内包含电热丝——闭口绝热系兰线内——孤立系例题1-2•热力系示例2–A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”ABA部落为A+B部落为—孤立系—闭口系§1-2状态和状态参数StateandStateProperties状态某一瞬间热力系所呈现的宏观状况theconditionofasystem状态参数StateProperties描述热力系状态的物理量anycharacteristicofasystem常用状态参数压力pressureP,温度temperatureT,体积volumeV,质量massM，内能internalenergyU,熵entropyS,焓enthalpyH§1-2状态和状态参数状态参数分类强度量Intensiveproperty：与物质的量无关的参数independentofthesizeofsystem.suchas:如压力p、温度T广延量Extensiveproperty：与物质的量有关的参数可加性dependonthesizeorextentofthesystem.suchas：质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数Specificproperties单位质量的广延状态参数ExtensivepropertiesperunitmassSuchas:比容specificvolumeu(u=V/m)比焓specificenthalpyh(h=H/m)……具有强度量的性质强度量和广延量判别mVTP1/2m1/2vTP1/2m1/2vTPextensiveintensive强度参数与广延参数速度动能高度位能内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol§1-2状态和状态参数状态参数特性CharacterofProperty状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量路径无关，只与初终态有关Theydependonthestatesonly,buthavenothingtodowiththepathfromonestatetoanother状态参数的微分特征：全微分状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：12ab0dz212,12,112abzzdzdzdz例：温度变化山高度变化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§1-2状态和状态参数•基本状态参数（容易测量）•温度T•压力p•比容vWhatistemperature?温度Temperatureandtemperaturescale温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。热力学定义：？？？热力学第零定律：（thezerothlawofthermodyn）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Temperatureandtemperaturescale热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年S热力学第三定律1906年S基准为什么叫做热力学第零定律？温度Temperatureandtemperaturescale温度的热力学定义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温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。温度测量温标Temperaturescale热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用温标之间的关系绝对K摄氏℃华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67温标Temperaturescale温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度Scale温标TemperaturescaleReferencestate压力PressureDefinition物理中压强单位：SI:Pa--------N/m2(bar,atm,kgf/cm2)English:psi------lbf/in2其他单位间关系：AFP1bar=105Pa=0.1Mpa=100kPa1atm=101,325Pa=101.325kPa=1.01325bar=14.696psi压力Pressure如何测量？压力Pressure表压和真空度GagePressureandVacuumPressure绝对压力AbsolutePressure(p)Theactualpressureatagivenpositioniscalledtheabsolutepressure.环境压力Atmosphericpressure(pb)指压力表所处环境压力。表压力Gagepressure(pg)当ppb表压力pe真空度Vacuumpressure(pv)当ppb真空度pvbgppppppbv注意：只有绝对压力p才是状态参数压力PressurebPAbsolutevacuum0absPAbsolutevacuumppvppg绝对压力和相对压力压力测量Pressure压力测量ManometerBourdontube例题1-3某地环境压力为98kPa，已知某容器真空表读数为30kPa，试求该容器内的绝对压力？解:PPPkPakPakPaabsatmgage983068容器分成1和2两室.压力表A读数为300kPa，压力表B读数为120kPa.已知当地大气压为720mmHg,试求A和B内的绝对压力以及气压表C的读数？例题1-412ABC解:大气压力为室1的绝对压力室2的绝对压力压力表C读数HgHgbhgpkPa06.9672.081.913600bAppp106.39606.96300Bppp1206.27612006.396bcppp2kPa18006.9606.276比容和密度SpecificVolumeandDensity比容为强度量。1mVv[m3/kg]§1-3平衡状态EquilibriumState平衡状态如果在不受外界影响的条件下（重力场除外），系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。平衡类型热平衡Thermalequilibrium力平衡Mechanicalequilibrium化学平衡Chemicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium平衡条件（实质）不存在不平衡势差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Therearenounbal