工程热力学第1章基本概念及定义

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1、1,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,2,一、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,气体动力装置(combustion gas power plant) 内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机装置(gas turbine power plant) 喷气发动机(jet power plant

2、) 蒸气动力装置 (steam power plant),1-1 热能和机械能相互转换的过程,3,二、工质(working substance; working medium),定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。,对工质的要求:,物质三态中 气态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,4,三、热源(heat source; heat reservoir),定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。, 高温热源热源 （ heat source ） 低温热源冷源（heat sink） 恒温热源(constant heat r

3、eservoir) 变温热源,5,蒸汽动力装置中热能转变为机械能的过程,热能动力装置的工作过程：,6,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,7,1-2 热力系统, 系统(thermodynamic system, system),人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。, 外界(surrounding )：,系统之外的所有物质统称为外界或环境。, 边界(boundary)：,系统与外界的分界面。,一、定义,

4、系统与外界的作用都通过边界,8, 汽缸-活塞装置,二、系统及边界示例,9,二、系统及边界示例, 汽车发动机,10,边界特性,固定、活动,真实、虚构,11,闭口系（closed system） 系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换.（控制质量系）。,开口系（open system） 系统与外界之间既有物质 交换，又有能量交换。 （控制容积系统）。,(1) 按系统与外界是否进行质量交换,三、热力系分类,12,2. 按系统与外界能量交换情况划分,a: 简单系统（Simple system）,b: 绝热系统（Adiabatic system）,c: 孤立系统（Isolated system）,系统

5、与外界只交换热量和一种形式的功。,系统与外界之间完全没有热量交换。,系统与外界之间既无物质，又无能量交换。,13,1 开口系,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,14,1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。,注意：,3. 简单可压缩系统（simple compressible system） 最重要的系统,只交换热量和一种体积变化功的系统,体积变化功,压缩功膨胀功,15,三、热力系分类,按组元数 单元系 由单一化学成分的物质组成，即纯质系统。 多元系 由多种物质组成的系统。,按相

6、数 (一个相是指物质系统在空间上一个均匀的部分， 例如气相、液相等。) 单相系 复相系,注意：1）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀湿蒸汽； 单元系未必均匀气液平衡分离状态。,4. 按组元和相数划分,16,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,17,1-3 工质的热力学状态和基本状态参数,热力学状态 把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理 状况称为工质的热力学状态，简称状态 状态参数 描述物系所处状

7、态的宏观物理量,热力学状态和状态参数,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,18,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,19,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,20,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

8、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,21,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,热力学第零定律（the zeroth law of Thermodynamics） 如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡， 则它们彼此也处于热平衡。,引出了温度的概念,22,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。,23,经验温标,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,

9、基准点,刻度 Scale,Reference state,温标： 温度的数值表示法。,24,温标Temperature scale, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872),25,常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F

10、,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,559.67,26,温标的换算,27,Temperature Measurement Devices,水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干

11、涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,28,2. 压力 （pressure）,（1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，用p表示。,（2）单位：,大气压的倍数表示 atm, at,液柱的高度表示 mH2O, mmHg,国际单位制，单位面积上所受的力表示 pa,常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,29,压力p测量,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-t

12、ube manometer,Bourdon Tube,30,绝对压力与相对压力,示意图,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,relative pressure,absolute pressure,Gage pressure,Vacuum pressure,31,环境压力与大气压力,注意,环境压力一般为大气压，但也不一定。见习题1-9。,环境压力指压力表所处环境,32,大气压力Atmospheric pressure,大气压随时间、地点变化,物理大气压 1atm = 760mmHg,当h变化不大，常数,1mmHg = gh = 133.322Pa,当

13、h变化大， (h),33,高精度测量：活塞压力计 piston manometer,工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,34,比体积和密度,比体积(specific volume),单位质量工质的体积,密度(density),单位体积工质的质量,两者关系:,35,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换的过程,1-2 热力系统,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图,1-5 工质的状态变化过程,1-6 过程功和热量,1-7 热力循环,36,1-4 平衡状态（equili

14、brium state）,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 为平衡状态。,A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.,37,（2）力平衡： 组成热力系统的各部分之间没有相对位移， 是否存在压力差是判断系统处于力平衡的条件。,（3）化学平衡： 化学反应宏观上停止，反应物和生成物的化学位 相等是实现化学平衡的充要条件。,（1）热平衡： 组成热力系统的各部分之间没有热量传递， 是否存在温度差是判断系统

15、处于热平衡的条件。,系统达到平衡状态的充要条件,（4）相平衡： 系统内化学势处处相等(组元的偏化学势在各相相等),38,不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下， 总会自发地趋于平衡状态。,只有在系统内部和系统与外界之间一切不平衡的 势差都消失时，系统的一切宏观变化才可停止， 热力系统所处的状态为平衡状态。,注意：,39,平衡Equilibrium与稳定Steady,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,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,40,平衡Equilibrium与均匀Even,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,41,

16、状态公理,n系统独立的状态参数数； f系统与外界交换功形式数。,简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式。,例： p = f ( v, T )， v = f (p, T )， T = f ( v, p ),状态方程式 表示状态参数之间关系的方程式。,F ( p, v, T ) = 0,42,状态参数坐标图,一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,43,坐标图,简单可压缩系统 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,说明：,2）过程线中任意一点 为平衡态,3）不平衡态无法在图 上用实线表示,2,1,44,第一章 基本概念,1-1 热能和机械能相互转换