第一章基本概念h.ppt

2023年5月13日1时28分,第一章基本概念,2023年5月13日1时28分,本章基本要求：,掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。,2023年5月13日1时28分,11热能在热机中转变成机械能的过程,热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。,热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）,热能,机械能,化学能,2023年5月13日1时28分,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,气缸,2023年5月13日1时28分,两冲程内燃机工作过程,进气,排气,2023年5月13日1时28分,四冲程内燃机工作过程,进气,排气,2023年5月13日1时28分,内燃机（汽油机）,燃气热能,机械能,燃料化学能,排入大气,压缩燃烧、膨胀,吸气排气,工作过程：,能量转换：,工作物质：,燃气,2023年5月13日1时28分,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,550,过热器,锅炉,给水泵,冷凝器,冷却水,汽轮机,发电机,Q,Q,1,2,W,20,高温高压蒸汽,W,p,蒸汽动力装置,1炉子2炉墙3沸水管4汽锅5过热器6汽轮机7喷嘴8叶片9叶轮10轴11发电机12冷凝器13、14、16泵15蓄水池,燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使之变为蒸汽，并在过热器内过热，成为过热蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；高温高压（相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）；作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。,蒸汽动力装置工作过程：,不同点：构造和工作特性不同。相同点：从高温热源吸热(吸热过程)将其中一部分转变为功(对外作功过程)将其余部分传给低温热源(对外放热过程)工质提高压力需要耗功(消耗外功)。,结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。,比较上述两种热机,名词定义：,工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）：接受工质排出热能的物系。,工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。,热能动力装置的工作过程可概括成：,热源,冷源,热机,作功,吸热,放热,2023年5月13日1时28分,12热力系统,为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。,热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统,边界：系统与外界之间的分界面,外界：热力系统以外的部分,边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的,一、基本概念,系统与边界：,以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换,以气缸内气体为系统，活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换,2023年5月13日1时28分,二、热力系统的分类,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,(一)根据系统与外界物质交换、热量交换的情况：1.闭口系系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量;2.开口系系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积;3.绝热系系统与外界无热量交换；4.孤立系系统与外界既无能量交换，也无物质交换。,2023年5月13日1时28分,闭口热力系,2023年5月13日1时28分,开口热力系,2023年5月13日1时28分,开口举例热力系（管道）,稳定流动开口系统,2023年5月13日1时28分,开口热力系,续15,2023年5月13日1时28分,开口热力系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,燃料与空气,2023年5月13日1时28分,锅炉的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生),锅炉的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,开口热力系 汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管 叶片 汽轮机,发电机,开口热力系 汽轮机示意图,2023年5月13日1时28分,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系,汽轮机的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系（冷凝器）,2023年5月13日1时28分,蒸汽放热给冷却水,冷凝器的简化热力学分析模型,热力系,冷凝器的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的凝结),2023年5月13日1时28分,蒸汽动力装置流程简图,蒸汽动力装置流程简图,2023年5月13日1时28分,冷却水带走热量,（工质放热量）,向外输出功,（汽轮机）,（水泵耗功）,（工质吸热量）,蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型,热力系,向系统输入功,热源供热,蒸汽动力装置的简化热力学分析模型,2023年5月13日1时28分,（二）按照系统内部的情况可划分,1.均匀热力系:系统内部各部分化学成分和物理性质都均 匀一致的系统，它是由单相组成的。2.非均匀热力系:由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.单元热力系:由一种化学成分组成的热力系。4.多元热力系:由两种或两种以上物质组成的热力系。5.可压缩系统:由可压缩流体组成的热力系。6.简单热力系统：系统与外界只有热量与一种形式的准静功交换。7.简单可压缩系统:与外界只有热量和机械功交换的可压 缩系统。,热力学中大多属于简单可压缩系统,热力系统的划分要根据具体要求而定，如内燃机在气缸进、排气门关闭时，取封闭于气缸内的工质为系统是闭口系统；而把内燃机进、排气及燃烧膨胀过程一起研究时，取气缸为划定的空间就是开口系统。,2023年5月13日1时28分,13工质的热力学状态及其基本状态参数,热力学状态：工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。,状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。,1）工程热力学只从总体上研究工质所处的状态及其变化，不从微观角度研究个别粒子的行为和特性，因而所采用的物理量都是宏观的物理量。2）状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。,状态参数的特性：,即满足：3)状态参数是点函数，其微分是全微分。设Zf(x,y),则：反之，如能证明某物理量具有上述数学特征，则该物理量一定是状态参数，全微分是状态参数的充要条件。,4）常用的状态参数有:压力P、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直接用仪器测量，称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算得。5）状态参数有强度量与广延量之分：强度量：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。,热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的，不可以由其它定律推出。）既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量温度来描述。,一、温度,基本热力学参数,温度的定义：1）宏观上温度是物体冷热程度的标志2）微观上温度是物质分子热运动剧烈程度的标志温度是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。测量温度的仪器称做温度计，选作温度计的感应元件的物体应具备特定的物理性质：随物体的冷热程度不同有显著的变化。,定义：温标是指温度的数值表示法,温标,测温物质及其测温属性基准点分度方法,温标三要素：,任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。,热力学绝对温标（热力学温度或绝对温）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)。规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K,摄氏温标,1742年瑞典人摄氏(Anders celsius)提出的。他把一个大气压下纯水的冰点取为0度，沸点取为100度，中间100等分作为温标。符号t、单位。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，把水的三相点定为273.16K，0.01。则0273.15K，t()=T(K)-273.15,华氏温标：,1724年由德国人华氏（cabridl D Fahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF，单位 F。,华氏温标与摄氏温标的换算关系为：t()=0=32 oF100=212oF郎肯温标：是盎格鲁撒克逊民族（欧洲）用的温标。采用符号T，单位用r。T(r)=9/5 T(K),2023年5月13日1时28分,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,37.8,100,0,32,-459.67,0,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,二、压力,定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强),压力计测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。,由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力p（或称绝对压力）与环境压力pb之差，叫做表压力pe或真空度pv,分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。,绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系,压力的单位 国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：Pa 1Pa=1N/m2,标准大气压（atm,也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O),工程单位：,各压力单位之间的换算关系：,三、比体积和密度,v与互成倒数，即：v1,比体积,单位质量物质所占的体积,密度,单位体积物质的质量,单位：kg/m3,单位：m3/kg,2023年5月13日1时28分,14 平衡状态、状态方程式、坐标图,定义：,一、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，则系统的这种状态称为平衡状态。,如果系统是在外界作用下系统的状态保持不变，则不属于平衡状态，如稳态导热,系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。,实现平衡的充要条件：,热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移,热力平衡状态满足：,此外还有化学平衡、相平衡等,自然界的物质实际上都处于非平衡状态，平衡只是一种极限的理想状态工程热力学通常只研究平衡状态,2023年5月13日1时28分,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,2023年5月13日1时28分,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,2023年5月13日1时28分,思考题,平衡状态与均匀状态之间的关系？平衡状态与稳定状态之间的关系？,平衡状态是相对时间而言的，均匀状态是相对空间而言的对于处于热力平衡态下的气体、液体（单相），如果不计重力的影响，则系统内部各处的性质是均匀一致的，各处的温度、压力、比体积等状态参数相同。如果考虑重力影响，则系统中的压力和密度将沿高度而有所差别。对于气液两相并存的热力平衡系统，气相和液相的密度不同，因而系统不是均匀的。本书在未加特别说明之处，一律把平衡状态下的单相物系当作是均匀的，各处的状态参数相同。,平衡状态与均匀状态之间的关系,就平衡而言，不存在不平衡势是其本质，而状态参数不随时间变化只是其现象平衡必稳定，稳定不一定平衡,平衡状态与稳定状态之间的关系,二、状态公理与状态方程,热力系的平衡状态可以用状态参数来描述，每一个状态参数都是从某一个角度来描述系统的某一方面宏观的性质，但是这些状态参数并不都是独立的，而是相互影响的。,系统处于平衡状态时，有几个独立变量呢？,状态公理,对于组成一定的物质系统，该系统平衡态的独立状态参数有 n+1,n表示系统与外界进行准静功交换的数目1表示系统与外界的热交换,系统与外界由于某种不平衡势的存在，将发生相互作用，这种作用体现于某种能量的交换，那么系统的状态就要发生变化，这种变化就使这种不平衡势减小，直到消失，系统相应地达到了某种平衡，从而就得到了一种描述这一平衡性质的状态参数。例如，温度不平衡势导致热量的交换，导致系统状态变化，使温度不平衡势消失，从而系统达到了热平衡，得到描述热平衡的状态参数T。那么有多少独立的能量交换，就有多少个独立的状态参数。各种能量交换都可以独立的进行。因此决定系统平衡状态独立变量的数目，等于系统与外界交换能量方式的总数。,对于简单可压缩系统，不存在电功、磁功等其它形式的功，系统与外界能量的交换方式除热之外只有容积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式的功交换。因而描述纯物质的简单可压缩系统平衡状态的独立状态参数只有2个。,状态方程式,简单可压缩系统平衡态的独立参数只有2个，因此一个状态参数均可以用其它任意两个不同的状态参数表示：,对于基本状态参数之间：,称为状态方程式。,或,状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、v、T之间的关系状态方程式的具体形式取决于工质的性质理想气体的状态方程式为：,状态参数坐标图,对于简单可压系统，由于独立参数只有两个，可用两个独立状态参数组成二维平面坐标系，坐标图中任意一点代表系统某一确定的平衡状态，任意一平衡状态也对应图上一个点，这种图称状态参数坐标图。,只有平衡态才能在状态坐标图上用点表示，不平衡态没有确定的热力学状态参数，无法在图上表示,2023年5月13日1时28分,15 工质的状态变化过程（热力过程）,就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述，“平衡”意味着宏观是静止的，而要实现能量交换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。,2023年5月13日1时28分,1,1、针阀的开度非常小（p0），内部无压差；,过程实施的假设条件：,4、活塞与汽缸壁无摩擦；,5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。,2、工质内部无温差；,3、工质内部无化学反应；,一、准平衡过程（准静态过程）,2023年5月13日1时28分,1,2,v,2,1,p,2,一、准平衡过程（准静态过程）,2023年5月13日1时28分,准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。,准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。,实际过程都是不平衡的。,2023年5月13日1时28分,实现准平衡过程的条件：推动过程进行的势差无限小。（以保证系统在任意时刻都无限接近于平衡态）,T,2023年5月13日1时28分,建立准平衡过程概念的好处：有确定的状态参数变化描述过程在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程,2023年5月13日1时28分,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？,2023年5月13日1时28分,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,2023年5月13日1时28分,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=20002 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”,二、可逆过程与不可逆过程,定义：,如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时，能使系统和外界都返回到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。,实现可逆过程的条件：,首先应是准平衡过程 过程中不存在任何耗散效应,通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应,2023年5月13日1时28分,典型的不可逆过程,不等温传热,节流过程(阀门）,自由膨胀,混合过程,准平衡过程与可逆过程的区别：,准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以有耗散效应。可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作用可以无条件逆复，过程时行时不能存在任何能量上的耗散。可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是可逆过程的必要条件。,2023年5月13日1时28分,16 功和热量,一、功,功的力学定义：,功是力和力方向上位移的乘积。,功的热力学定义：,功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物,功的正负,热力学中约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。,功的单位,焦耳（J）,比功与功率,比功：单位质量物质所作的功，单位：J/kg,功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）,二、可逆过程的功,设有质量为m的气体在气缸中进行可逆膨胀，如图过程线12。过程中所作的膨胀功为：,如果工质为1kg，所作的功为：,可逆过程的功的计算,功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量。微元过程作功过程量用表示，如微功量用w（状态参数微增量，用d表示，如dp、dv、dT）膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。,有关功的说明,有用功,系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力作用，余下的才是可被利用的功，称为有用功,（有用功膨胀功排斥大气功耗散功）,其中排斥大气功：,对于可逆过程，有用功为：,三、热量,热量的定义：,热力系统与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）,热量的正负：,热力学中约定：系统吸热为正，放热为负,热量的单位：,国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）,可逆过程中热量的计算：,2023年5月13日1时28分,思考题,功与热量相同与不同之处？,功与热相同之处,功与热都是系统与外界通过边界交换的能量；功与热均为过程量,功与热不同之处,功是系统与外界在力差的推动下，通过宏观的有序运动来传递能量，作功与物体的宏观位移有关；热量是系统与外界在温差的推动下，通过微观粒子的无序运动来传递能量，传热量无需物体的宏观移动。,思考题解答,2023年5月13日1时28分,1-7 热力循环,一、热力循环,热力循环定义,工质由某一初态出发，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环,显然循环的目的是为了实现预期连续的能量转换，而不可能是为了获得工质状态的变化。,循环的经济性,可逆循环与不可逆循环,全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。,二、正向循环,定义,把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功。,热源,冷源,热机,Q2,Q1,正向循环分析,正向循环的经济性热效率：,三、逆向循环,定义,把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功,热源,冷源,热机,Q2,Q1,逆向循环分析,热泵循环的经济性热泵系数：,制冷循环的经济性制冷系数：,