热力学第一章(修改版)讲解.ppt

绪 论 工程热力学是重要的技术基础课 工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学 Preface Thermodynamics can be defined as the science of energy heat Thermedynamis power (Greek words) 热能 Thermal Energy 能源转换利用的关系 热 能 电 能 机 械 能 风 能 水 能 化 学 能 核 能 地 热 能 太 阳 能 一次能源 (天然存在) 二次能源 光电转换 燃料电池 光热 聚变 裂变 燃烧 水车 水轮机 风车 热机 电动机 发电机 90% 转 换 直接利用 利用 生物质 工程热力学与节能 工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学 建立节能的理论基础 工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程 3、热功转换设备、工作原理 4、化学热力学基础 1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观 物理量描述其状态，其基本规律是无数经验 的总结 特点：可靠，普遍，不能任意推广 经典 （宏观,平衡）热力学 classical (macroscopic, equilibrium) 工程热力学研究方法 √ 2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作 用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics 工程热力学研究方法 第一章 基本概念 Basic Concepts §1-1 热力系统 热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象 1、系统的定义 Thermodynamic system system A quantity of matter or a region in space chosen for study §1-1 热力系统 外界：系统以外的所有物质 2、系统、外界与边界 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 surroundings boundary 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 fixed 、 movablereal 、imaginary 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 Types of System 开口系 绝热系 孤立系 Closed system Control mass Isolated system Open systemControl volume 闭口系 Adiabatic system 12 34 m Q W 1  开口系 §1-1 §1-1 热力热力系统 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 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 Simple compressible system Moving Boundary Work Compression Work Expansion Work §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 State and state properties 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：点函数、态函数 1 2 a b 例：温度变化 山高度变化 point function 状态参数的微分特征 设 z =z (x , y)dz是全微分 充要条件： 可判断是否 是状态参数 Total differentials 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： 比容比内能比焓 比熵 单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质 Intensive properties Extensive properties 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） Velocity Kinetic Energy Height Potential Energy Temperature Internal Energy StressMol §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 ( pressure ) 物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2 常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa Basic state properties 压力p测量 示意图 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 U-tube manometer Bourdon Tube 绝对压力与相对压力 示意图 当 p pb表压力 pe 当 p 有足够时间恢复新平衡  准静态过程 Relaxation time 准静态过程的工程应用 例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 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） 一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。

突然”“缓慢” 准静态过程的容积变化功 pp外 f 初始：pA = p外A +f A 如果 p外微小 可视为准静态过程 dl 以汽缸中mkg工质为系统 mkg工质发生容积变 化对外界作的功 W = pA dl =pdV 1kg工质 w =pdv dl 很小，近似认为 p 不变 Moving Boundary Work 准静态过程的容积变化功 pp外 2 mkg工质：W =pdV 1kg工质：w =pdv 1 注意： 上式仅适用于 准静态过程 示功图indicator (p-V) diagram p V . 1 2 . pp外 21 mkg工质： W =pdV 1kg工质： w =pdv W 准静态容积变化功的说明 p V . 1 2 . 2） p-V 图上用面积表示 3）功的大小与路径有关， 过程量Path function 4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dVp2 Frequently encountered irreversibilities Throttler 常见的不可逆过程 混合过程 • • • • • • • • • • • • • • • • •★ ★ ★★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 自由膨胀 真空 • • • • • • • • • • • • Frequently encountered irreversibilities Unrestrained expansionMixing process 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常见 90 ℃ 0 ℃ 例： 内可逆 外不可逆 Totally reversible Internally reversible 外部可逆，内部不可逆 Externally reversible §1-7 功 量 Work 1、力学定义: 力  在力方向上的位移 2、热力学定义I 热力学定义II 功的力学定义Definition of Work of Mechanics 锅 炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝 汽 器 过热器 The product of a force and the distance through which this force acts 力  在力方向上的位移 But 功的热力学定义I 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。

Work is done by a system if the sole effect on the surroundings could be the raising of a weight. 功的热力学定义II Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work. 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 热力学最常见的功  容积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等 §1-8 热量与熵Heat and Entropy Heat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 热量定义：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 , dv dS , ds 公式 条件 准静态或可逆 可逆 熵（ Entropy）的定义 reversible 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 Q 0 dS 0 系统放热时为负 Q pB • • • • • • • • • • • • • • • • • AB 非准静态过程，非可逆过程 取A或B中气体为系统 可逆热力学 没法计算 相互有功的作用 取A＋B气体为系统， 无功 灵活处理功的计算 充气球 若准静态过程 若取进入气球的气体为系统 但pV的关系不知 。