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1、第一章 基本概念,南京航空航天大学,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。,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,内燃机（汽油机）,燃气 热能,机械能,燃料 化学能,大气,工作过程：,能量
2、转换：,吸气,压缩,排气,燃烧、膨胀,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,不同点：构造和工作特性不同。,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,存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水） 存在能提供热能的能量源； 余下的热能排向环境介质。,相同点：,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
3、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,12 热力系统,系统:选取一定的工质或空间作为研究对象外界:与系统发生质、能交换的物体统称外界边界:系统和外界之间的分界面,边界特性,真实、虚构,固定、活动,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,1 开口系,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,
4、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 ,简单可压缩系统,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,13 工质的热力学状态及其基本状态参数,状态热力系统在某一个瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的状态。,平衡状态,定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又
5、如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,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,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,基本状态参数： 压力、温度、比体积不可测参数： 热力学能、焓、熵等复合参数： 吉布斯函数、亥姆霍兹函数,状态参数,描述系统所处平衡状态的宏观物理量称为状态参数。如温度、压力等。,(1) 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,状态参数的特性：,(2) 状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微
6、分,充要条件：,可判断是否是状态参数,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。,(3）常用的状态参数有:,(4）状态参数有强度量与广延量之分：,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、热力学能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比热力学能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol 具有强度量的性质,强度量与广延量,速度,动能,高度,位能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,热力学能
7、,基本热力学参数,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度T 0.5 m w 2,温度的热力学定义,热力学第零定律,热力学第零定律（R.W. Fowler）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,温度的测量,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度,定义：温标是指温度的数值表示法,温标,
8、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。,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理
9、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 Fahr
10、enheit）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 F 100 = 212F,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。,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。,压力p测量,一般是工质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,绝对压力与相对压力,示意图,当 p pb,表压力
11、pe,当 p ,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,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”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA = 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 = pA dl =pdV,1kg工质,w =pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,准静态过程的容积变化功,p,p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,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,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，功是过程量,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 外对作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,
