上海交大工程熱力學(第四版)課件第一章基本概念.ppt

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1、1,第一章 基本概念,Basic Concepts and Definition,1-1 熱能和機械能相互轉換過程,1-2 熱力系統(tǒng),1-3 工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),1-4 平衡狀態(tài),1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,1-6 功和熱量,1-7 熱力循環(huán),,,2,一、熱能動力裝置(Thermal power plant),定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。,,分類,共同本質(zhì)：由媒介物通過吸熱膨脹作功排熱,,氣體動力裝置(combustion gas power plant) 內(nèi)燃機(internal combustion gas engine) 燃氣輪機裝置(g

2、as turbine power plant) 噴氣發(fā)動機(jet power plant) 蒸氣動力裝置 (steam power plant),1-1 熱能和機械能相互轉換的過程,,,,,3,二、工質(zhì)(working substance; working medium),定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質(zhì)。,對工質(zhì)的要求:,物質(zhì)三態(tài)中 氣態(tài)最適宜。,1）膨脹性,2）流動性,3）熱容量,4）穩(wěn)定性，安全性,5）對環(huán)境友善,6）價廉，易大量獲取,,,,,,4,三、熱源(heat source; heat reservoir),定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。,

3、 高溫熱源熱源 （ heat source ） 低溫熱源冷源（heat sink） 恒溫熱源(constant heat reservoir) 變溫熱源,,,,,5,1-2 熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系） 外界和邊界, 系統(tǒng)(thermodynamic system, system),人為分割出來，作為熱力學 研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。, 外界(surrounding )：,與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。, 邊界(boundary)：,系統(tǒng)與外界的分界面（線）。,,,,,一、定義,6,二、系統(tǒng)及邊界示例,,,,, 汽車發(fā)動機,,7, 汽缸-活塞裝置（閉口系例）,,,,,8, 移動和虛構邊界

4、,,,,,9,1）系統(tǒng)與外界的人為性 2）外界與環(huán)境介質(zhì) 3）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的,注意：,,,,,10,三、熱力系分類,按組元數(shù) 單元系(one component system;pure substance system) 多元系(multicomponent system),按相數(shù) 單相系(homogeneous system) 復相系(heterogeneous system),注意：1）不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻濕蒸汽； 單元系未必均勻氣液

5、平衡分離狀態(tài)。,,,,,1. 按組元和相,11,閉口系（closed system） （控制質(zhì)量CM） 沒有質(zhì)量越過邊界,開口系（open system） （控制體積CV） 通過邊界與外界有質(zhì)量交換,2. 按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換,,,,,12,1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別； 2）開口系與絕熱系的關系； 3）孤立系與絕熱系的關系。,注意：,4. 簡單可壓縮系（simple compressible system） 由可壓縮物質(zhì)組成，無化學反應、與外界有交 換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換; 孤立系

6、（isolated system） 與外界無任何形式的質(zhì)能交換。,3. 按能量交換,,,,,13,四、熱力系示例,1剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側設有電熱絲,紅線內(nèi) 閉口絕熱系,黃線內(nèi)不包含電熱絲 閉口系,黃線內(nèi)包含電熱絲 閉口絕熱系,蘭線內(nèi) 孤立系,,,,,14,閉口系,2剛性絕熱噴管,取紅線為系統(tǒng),取噴管為系統(tǒng),開口系絕熱系?,,,,,15,A、B兩部落“雞、犬之聲相聞， 民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng)孤立系,閉口系,,,,,16,1-3 工質(zhì)的熱力學狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù),熱力學狀態(tài)（state of thermodynamic system） 系統(tǒng)宏觀

7、物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)（state properties） 描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量,1狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效 應，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如,一、熱力學狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類,,,,,17,2狀態(tài)的單值函數(shù)。 物理上與過程無關； 數(shù)學上其微量是全微分。,3狀態(tài)參數(shù)分類 廣延量（extensive property） 強度量（intensive property ）,又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，如比體積,工程熱力學約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。,,,,,18,三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必

8、要條件,系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件： 所有狀態(tài)參數(shù)一一對應相等 簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件： 兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應相等,,,,,19,四、溫度和溫標（temperature and temperature scale）,溫度的定義： 測溫的基礎熱力學零定律 (zeroth law of thermodynamics) 熱力學溫標和國際攝氏溫標 (thermodynamics scale; Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Celsius temperature scale),,,,,,20,華

9、氏溫標和朗肯溫標,華氏溫標和攝氏溫標,附：,T R=t +459.67,t =5/9t -32 t =9/5t +32,,,,,21,五、壓力(pressure),絕對壓力 p(absolute pressure) 表壓力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure) 真空度 pv(vacuum; vacuum pressure),,,,,,當?shù)卮髿鈮簆b(local atmospheric pressure),,,,,22,常用壓力單位：,例A4001441,例A4002771,,,,,23,六、比體積和密度,比體積(specific v

10、olume),單位質(zhì)量工質(zhì)的體積,密度(density),單位體積工質(zhì)的質(zhì)量,兩者關系:,,,,,24,1-4 平衡狀態(tài),1定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài),熱平衡（thermal equilibrium） ： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界 處處溫度相等。,力平衡（mechanical equilibrium）： 在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外 界處處壓力相等。,熱力平衡的充要條件 系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡。,一、平衡狀態(tài)（thermodynamic equilibrium state）,,,,,25,討論：,1）系統(tǒng)平衡與均勻,2）平衡與穩(wěn)定

11、, 平衡可不均勻, 穩(wěn)定未必平衡,,,,,26,* 二、 狀態(tài)公設（state postulate）,n系統(tǒng)獨立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)； f系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。,簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式,,,,,27,三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程 （pure substance state equation）,狀態(tài)方程,1理想氣體狀態(tài)方程 （ideal-gas equation; Clapeyrons equation）,Rg 氣體常數(shù) （gas constant）,R通用氣體常數(shù) （universal(molargas constant ),摩爾質(zhì)量,,,,,,,28,實際氣體(real ga

12、s; imperfect gas)的狀態(tài)方程,范德瓦爾方程,（a,b為物性常數(shù)）,R-K方程,（a,b為物性常數(shù)）,,,,,29,BWR方程,維里型方程,,,,,30,四、 狀態(tài)參數(shù)坐標圖（parametric coordinates）,一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標上找到對應點，如：,,,,,,,,,,,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,,,,,31,附：純物質(zhì)的p-v-T圖,,,,,32,水p-v-T圖,,,,,,33,一、準靜態(tài)過程(quasi-static process;

13、 quasi-equilibrium process),定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復平衡的狀態(tài)變化過程。,進行條件： 破壞平衡的勢,過程進行無限緩慢 工質(zhì)有恢復平衡的能力,準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示,無窮小,,1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,,,,,34,二、可逆過程( reversible process),定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀 態(tài)而在外界不留下任何變化 的過程。,可逆過程與準靜態(tài)過程的關系,非準靜態(tài) 不可逆 準靜態(tài) 可逆,,單純傳熱過程,,,,,35,非準靜態(tài)過程 (nonequilibrium process),準靜態(tài)過

14、程，不可逆,準靜態(tài)過程，可逆,作功過程,p,F,,,f,,,,,pb,,,,,36,1.可逆=準靜態(tài)+沒有耗散效應 2.準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 3.一切實際過程不可逆 4.內(nèi)部可逆過程的概念 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示,討論：,,,,,37,一、功(work)的定義和可逆過程的功,1功的力學定義,2功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量其全部 效果可表現(xiàn)為舉起重物。,3可逆過程功的計算,功是過程量,功可以用p-v圖上過程線 與v軸包圍的面積表示,,,,,1-6 功和熱量,38,,系統(tǒng)對外作功為“+” 外界對系統(tǒng)作功為“

15、-”,5功和功率的單位：,附：,4功的符號約定：,,,,,39,6討論,有用功(useful work)概念,,,其中:W膨脹功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功； Wp排斥大氣功。,,,,,pb,f,例A7001331,,,,,40,,,用外部參數(shù)計算不可逆過程的功,,,?,,,,,41,二、廣義功(generalized work)簡介,,彈性力功,,表面張力功,,電極化功及磁化功等,,,,,42,三、熱量（heat）,1定義：僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量。,2符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”； 放熱“-”,3單位：,4計算式

16、及狀態(tài)參數(shù)圖,熱量是過程量,（T-s圖上）表示,,,,,,43,四、熱量與功的異同：,1.均為通過邊界傳遞的能量；,3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志； 熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；,4.功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。,功,,,2.均為過程量；,熱是無條件的；,熱,功是有條件、限度的。,,,,,44,思考題：,容器為剛性絕熱，抽去隔板， 重又平衡，過程性質(zhì)。,逐個抽去隔板，又如何？,,,,,45,1-7 熱力循環(huán),一、定義： 封閉的熱力過程 特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復原值，即,二、可逆循環(huán)

17、與不可逆循環(huán)(reversible cycle and irreversible cycle ),,,,,46,三、動力循環(huán)（正向循環(huán)）（power cycle; direct cycle ）,輸出凈功； 在pv圖及Ts圖上順時針進行； 膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。,,,,,,,47,四、逆向循環(huán)(reverse cycle) 制冷循環(huán)(refrigeration cycle) 熱泵循環(huán)(heat-pump cycle),一般地講：輸入凈功； 在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行； 吸熱小于放熱。,,,,,,,,48,,動力循環(huán)： 熱效率(thermal efficiency),逆向循環(huán)： 制冷系數(shù)(coefficient of performance for the refrigeration cycle),供暖系數(shù)(coefficient of performance for the heat-pump cycle),五、循環(huán)經(jīng)濟性指標：,,,下一章,