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1、第一章 基本概念,基本概念（Basic concepts and definitions）,1-1 热能动力装置（Thermal Power Plant）,定义：,从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。,分类,燃气动力装置combustion gas power plant,蒸汽动力装置steam power plant,内燃机,gas turbine,internal combustion engine,jet power plant,燃气轮机,喷气动力装置,返回,继续,下一页,返回,继续,下一页,返回,继续,下一页,5,四冲程汽油机,6,四冲程柴油机,7,二冲程汽油机,返回,下
2、一页,继续,9,蒸汽动力装置（流程图）,锅炉,过热器,汽轮机,发电机,冷凝器,泵,返回,继续,下一页,共同本质：,都是通过媒介物的：,1-2 工质、热源及热力系统,定义:实现热能和机械能互相转化的媒介物质。,对工质的要求：, 膨胀性, 流动性, 热容量, 稳定性、安全性, 环保性能, 价格,物质三态中气体最合适,1. 工质（working substance; working medium ）,吸热,膨胀做功,排热,来完成从燃料燃烧产生的热能向机械能的转化。,11,2.热源（heat source；heat reservoir）,定义：工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。,热源,温度高低,温
3、度变化,高温热源（热源 heat source）,低温热源（冷源heat sink）,恒温热源（constant heat reservoir）,变温热源（variational heat reservoir）,3.1 热力系统（热力系、系统、体系）和 外界及边界,系统（thermodynamic system or system）,人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质；,外界（surrounding ）与体系发生能量和物质交换的物质；,边界（boundary）系统与外界的分界线（面）；,12,System,Boundary,Surroundings,三者之间的关系：,13,汽缸-活塞装
4、置（闭口系例）,14,汽车发动机（开口系示例）,15,注意：, 系统与外界设定的人为性； 外界与环境介质； 边界可以是： 刚性的或可变形的； 固定的或可移动的； 真实存在的或虚拟的。,16,3.2 边界示意图,17,3.3 热力系统分类（1）, 按组元数： 单元系one component system; pure system 多元系multicomponent system 按相数： 单相系homogeneous system 多相系heterogeneous system 注意：1) 不计恒外力场的影响; 2) 多相系未必不均匀（湿蒸汽亦可均匀分布）； 3) 单元系未必均匀（汽液平衡分离
5、）。,18,3.4热力系统分类（2）,按系统与外界有无质量交换分为： 开口系（open system）控制体积（CV） 通过边界与外界有物质交换； 闭口系（close system）控制质量（CM） 没有物质交换。,19, 绝热系adiabatic system 与外界无热量交换； 孤立系isolated system 与外界既无能量交换也无物质交换； 简单可压缩系simple compressible system 由可压缩流体组成，无化学反应、与外界可 逆功的交换只有体积变化功一种形式的系统。 注意：1) 闭口系与质量不变系的区别； 2) 开口系与绝热系的关系； 3) 孤立系与绝热系的关系
6、。,常见的热力常系统,20,3.5热力系统示例图,刚性绝热气缸-活塞系统，B侧有电热丝加热,红线内,闭口绝热系,黄线内不包含电热丝,闭口系,黄线内包含电热丝,闭口绝热系,蓝线内孤立系,21,3.6 热力系示例图,刚性绝热喷管,取红线为系统闭口系,取喷管为系统开口系绝热系？,22,1-3 工质的热力状态及基本状态数, 热力学状态 state of thermodynamic system 某一瞬间系统所呈现的宏观物理状况 状态参数 state of properties 描述系统所处状态的宏观物理量 a) .状态参数是宏观量，反映了大量粒子运动的宏观平均效果， 只有平衡态才有统一的状态参数。 常
7、用的状参有：p, T，等， 其中，称为基本状态参数。 ）状态参数的特性：状态的单值函数 物理上：与过程无关 数学上：其微分是全微分,23,c)状态参数的分类： 广延量与系统质量多少有关 extensive properties 强度量与系统质量多少无关 intensive properties 注：广延量的比参数又具有强度量的性质。比如： 任意两个系统状态相同的充要条件是： 所有状参一一对应相等。 两个简单可压缩系统状态相同的充要条件是： 两个独立的状态参数分别对应相等。,24,一、温度（temperature） 温度：物体的冷热程度 热平衡：冷热程度相同时，两物体达到热平衡 热力学第零定律热
8、平衡定律 （the zeroth law of thermodynamics） 如果A 与 B，A与C热平衡，则B与C热平衡 测量温度的依据,25,温标（temperature scale）温度的表示方法 温标的组成：1.基准点，2.刻度,华氏温标基准点：1atm水冰点规定为 32 F 1atm水汽点规定为 212 F 刻度：基准点间1/180,热力学温标基准点：水的三相点规定为273.16K 刻度：基准点温度的1/273.16,摄氏温标：基准点：1atm水冰点规定为0 1atm水汽点规定为 100 刻度：基准点间1/100,26,热力学温标和国际摄氏温标 （thermodynamics sc
9、ale; Klvin absolute temperature scale and Celsius temperature scale ） T=t+273.15 K 华氏温标与摄氏温标的关系 华氏温标和朗肯温标的关系,经验温标：与测温物质的特性有关。,27,二、压力（pressure）,压力：即物理上的压强。单位 单位换算，一定要注意：见表1-1（P15） 压力的测量： 1.当被测系统压力高于外界压力时，使用压力表测量 压力，侧得的结果叫表压力，其值是系统压力与外 界压力的差。 2.当被测系统压力低于外界压力时，使用真空计测量， 测得的结果叫真空度，其值是外界压力与系统压力 之差。 3.大气压
10、力的测量用大气压力计，测出的是大气的绝 对压力。,28,绝对压力 absolute pressure 表压力 gauge pressure; manometer pressure 真空度 vacuum pressure 当地大气压 local atmospheric pressure,29,示例图,三、比容（specific volume）,比容：单位质量物质所占的体积,密度(density)；单位体积物质的质量,两者的关系：,可见，二者相关，不互相独立。,注：独立的状态参数，彼此不相关(可独立变化),如p，T。,作业：四版1-3，9 三版1-3，8；,30,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标
11、图,讨论：平衡与稳定、平衡与均匀的关系,定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的 状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。,一、平衡状态(thermodynamic equilibrium state),处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。,系统处于平衡状态的条件：,系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。,热平衡(thermal equilibrium) 温差为零 力平衡(mechanical equilibrium) 和力均为零。,31,稳定未必平衡,平衡未必均匀,反之如何？请思考！,非平衡状态：有不平衡势存在！,稳定与平衡,均匀与平衡,
12、平衡状态可用状态参数描述，非平衡状态不能。,32,二、状态方程式,状态公理：,例. 1)单组分气体系统： 2=1-1+2 如p和T，当p一定时， T不同则状态不同。 2) 液或汽态的水： 2=1-1+2。 饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2 ; 3)水的三相点：0132,33,状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。,T=T (p, v), p=p (T, v), v=v (p, T) 隐含数的形式：F=F (p, v, T),这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。,三、状态参数坐标图,简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，
13、如：,p,v,p,T,T,s,h,T,p,h,坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。 非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。,34,1-5 工质的状态变化过程,热力过程：工质状态变化,一、准平衡过程(quasi-static process; quasi-equilibrium),例. 放气：,对比右侧：,水,波向左传播,打开,关阀时：平衡,打开阀：a)平衡破坏，状态变化，压力波如水波向左传播 (假定界面内外有压差)，过程中，系统内部不 均匀，无统一状态参数。,b)如果阀开度极小，比如几个分子地向外放，过 程极缓慢，系统内部不均匀几乎不存在，短时 间内可以看作平衡状态。,35,准
14、平衡过程,定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复 平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过 程叫准平衡过程。,特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的 过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态 ，准平衡过程又叫准静态过程。,进行条件：不平衡势p，T无穷小； 过程进行得无限缓慢；工 质有恢复平衡的能力。,准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。,36,二、可逆过程和不可逆过程,可逆过程(reversible process),定义：过程能经原路径逆行，使 系统回复到原来状态；相 关的外界也回复到原来的 状态而不留下任何改变。,37,例：气缸活塞系统,正,逆,正,
15、逆,摩擦的影响：,a)无摩擦,正过程,逆过程,b)有摩擦,正过程,逆过程,逆过程使系统复原，但外界多耗功。,结论：摩擦使过程不可逆。,38,温差的影响：,a)无温差,b)有温差(假设 ),结论：温差使过程不可逆。,进一步分析，为使Q能传回 ，需加热泵，但要消耗一定的功 ，也不可逆(比较水泵)。,但 ，Q不能传回 。,压力差的影响：压力差使过程不可逆。,正,逆,正,逆,39,P,F,f,非准静态过程nonequilibrium process,准静态过程，不可逆,准静态过程，可逆,40,准平衡过程与可逆过程的关系(自己研究，锻炼一下逻辑思维),可逆过程,准平衡过程；,反之，准平衡过程,可逆过程。,？,不平衡过程,不可逆过程；,不平衡过程。,不可逆过程,？,原命题成立，逆命题不一定成立，逆否命题一定成立,41,无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。 即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；,2. 准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆 过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；,讨论：,3. 一切实际过程均不可逆；,4. 内部可逆过程；外部可逆过程,5. 可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。,42,1-6 过程功和热量,一、功的热力学定
