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1、1,工程热力学 参考文献 廉乐明工程热力学 沈维道工程热力学 华自强工程热力学 朱明善工程热力学 何雅玲工程热力学 精要分析及典型题精解 朱明善等工程热力学题型分析,2,教学要求,1、弄清基本概念，注意每章后的思考题 2、到堂听课、记笔记（计入平时成绩） 3、独立完成作业，每周按时交 4、平时成绩占30% 5、缺课、不交作业达30%者，不予考试,工程热力学是重要的技术基础课,3,一、工程热力学定义 1、热力学是研究热现象的理论 热力学：经典热力学（宏观热力学） 统计热力学（微观热力学） 热力学是研究热现象的宏观理论，它是从能量的观点研究热现象的，即是研究热能与其它形式能量之间的转换以及能量转换
2、与物质之间关系的科学。,绪 论,4,热力学是论述热和功相互关系的一门科学。 热力学是研究与热现象有关的能量转换规律的科学。 热力学是研究能和熵的科学。 热力学是研究物质系统的状态、状态变化以及发生状态变化的各个系统之间相互作用的科学。 热力学是研究能量、物质和它们之间相互作用的规律的科学。 热力学是研究系统的平衡条件和接近于平衡状态所进行的过程的科学。,5,2、工程热力学 是热力学的一个重要分支，是研究热能和机械能之间的转换规律及其在工程中的应用、及如何提高转化效率的科学。 二、主要内容 1、基本概念与基本定律 （1）基本概念：状态、状态参数、功、热、焓、熵、可逆过程等 （2）基本定律：热力学
3、第一定律和热力学第二定律,6,热力学第一定律说明了热能和机械能互相转换时，能的数量守恒。 热力学第二定律说明了能量转换 时的方向、条件和限度，并由此得出了能量的质量不守恒的结论。 2、工质的性质及热力过程 理想气体、实际气体（水蒸气） 3、热力设备中能量转换过程（热力循环） 理论联系实际（应用）,7,1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结 特点：可靠，普遍，不能任意推广（有限尺度） 宏观热力学、唯象热力学、经典热力学 2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律，以量子力学原理为依据 特点：揭示本质，模型近似（与实际不完全相符） 统计热力学、微
4、观热力学,三、研究方法,8,四、学习方法 1、掌握(理解）基本概念和基本定律（一棵大树：根、干、枝、果） 2、掌握热力学研究方法：对复杂事物进行抽象、简化和假设的方法 3、重视基本技能的训练,9,第一章 基本概念 第一节热能转变成机械能的过程 热能 机械能,热动力装置,制冷装置,10,一、内燃动力装置,空气、汽油,废气,吸气,压缩 燃烧（吸热）,膨胀（做功）,排气（放热）,11,内燃机装置,基本特点： 1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (压缩、吸热、 膨胀做功、放热),左止点 上死点,右止点 下死点,12,二、蒸汽动力装置（火力发电装置）,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵
5、,凝汽器,过热器,基本特点： 1、热源，冷源 2、工质（水蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (压缩、吸热、 膨胀做功、放热),13,火电厂系统图,14,三、燃气动力装置（燃气发电装置）,15,燃气装置,基本特点： 1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (压缩、吸热、膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,16,热机,高温热源,低温热源,Q1,Q2,W,动力循环简图,热效率,17,制冷空调装置,基本特点： 1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热),18,制冷循环简图,制冷系数 供暖系数,19,第二节 热力系
6、统 一、工质： 实现热能向机械能转化的媒介物质就叫工质 二、热源和冷源 高温热源工质从中吸取热能的物体 低温热源接受工质排出热能的物体,20,热力系统(热力系、系统)：人为分割出来、研究对象、能用热力学参数来描述的系统,外界（环境）：系统以外的所有物质,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,三、热力系统 1、定义（系统与边界）,21,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,22,边界特性,固定、活动；真实、虚构,边界划分的不同，研究对象就不同，系统就不同。解决问题的繁简程度不同。,一般选取工质为热力系
7、统,23,2、热力系统分类,系统通过边界与外界可以有能量的传递（功和热），也可以有物质的传递：,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,是否传能、质 非孤立系 孤立系,24,闭口系统：一个热力系统，如果和外界没有质量交换，则称为闭口系统(控制质量)。,开口系统：一个热力系统，如果和外界有质量交换，则称为开口系统(控制容积、控制体）。,绝热系统：一个热力系统，如果和外界没有热量交换，则称为绝热系统。,孤立系统：一个热力系统，如果和外界既没有功或热等能量交换，又没有质量交换，则称为孤立系统。,25,1 开口系,例如：,非孤立系相关外界 孤立系,1+
8、2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,26,四、系统的内部状况（热力系统其它分类方式）,其它分类方式,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,27,1、均匀系与非均匀系：系统内各部分的化学成分和物理性质都均匀一致的系统，称为均匀系。 2、单相系与复相系：由单一物相组成的系统称为单相系。 3、单元系与多元系：由一种均匀的和化学成分保持不变的物质组成的系统称为单元系。（空气常可看作纯物质，属单元系）,28,第三节 状态和状态参数 一、状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系统所呈现的宏观物理状况称作工质的热力状态（状态）,状态参数：描述热力系状
9、态的宏观物理量,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、状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关；状态参数的循环积分等于零,3、状态参数是全微分,29,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。,1,2,a,b,例：温度变化,30,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,31,BT= 0.5mw 2 0.5mw 2是分子平移运动的平均动能,二、 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （可直接测量）,1、温度 1）温度的定义 传统：温度是表征物体冷热程度的物理量 微观：衡量分子平均动能的
10、量度，表征物质分子运动的激烈程度,32,2）热力学第零定律,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,如果两个系统的温度分别和第三个系统的温度相等，则两个系统的温度必然相等。,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,33,3）常用温标：温度的数值标尺，称作温标,开尔文K,摄氏,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,0,-273.15,冰熔点,水三相点,水沸点,热力学温标：选取水的三相点为基本点，并定义为273.16K 热力学摄氏温标t=T-273.15 T=t+273.15,34,2、压力 p
11、1)定义及单位: 单位面积上所受到的垂直作用力( 物理中压强) 单位: Pa , N/m2,常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa,35,2)绝对压力和相对压力,绝对压力：以绝对真空为起点而测得的压力叫绝对压力。 P 是流体的真实压力,以当地大气压力（B）(环境压力)为起点而测得的压力叫相对压力。,注意：工程上压力表所显示的是相对压力 只有绝对压力 p 才是状态参数,当PB时, Pg=P-B 表压力 当P
12、B时, H=B-P 真空度,36,压力的测量示意图,H,Pg,B,环境压力与标准大气压：环境压力指压力 表所处环境的压力(当地大气压力),注意：当地大气压随时间、地点变化。一般认为等于标准大气压（当h变化不大）。,标准大气压 1atm=760mmHg,37,B,pg,p,H,p,负压,正压,大气压力B,绝对真空,各压力间的关系,3、比容和密度 都是描述系统内工质稀密程度的宏观物理量,比容v,m3/kg,密度 ,kg/m3,两者相互不独立,38,三、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 (广义力),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
13、 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg , /kmol 具有强度量的性质(广义位移),39,第四节 平衡状态,一、平衡状态（热力平衡状态） 1、定义：一热力系，在不受外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间变化(状态参数不随时间变化)，系统内外同时建立了热和力平衡，该系统处于平衡状态。,热平衡系统内部的温度均匀一致，并且等于外界的温度,力平衡系统内部没有不平衡的力， 同时系统与外界也没有不平衡的力,2、实现条件 ：热平衡、力平衡、化学平衡,40,平衡的现象：参数不随时间改变平衡的本质：不存在不平衡势差,温差 热不平衡势差 传热 压差 力不平衡势差 作功 化学反应
14、化学不平衡势差,处于平衡状态的系统应既无外部势差又无内部势差,化学平衡系统的化学成分保持不变,41,3、说明：,只有平衡状态才有确定的状态参数，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,平衡状态是宏观的平衡、是动态平衡,注意：在不受外界影响的条件下 处于平衡状态的系统有一种保持平衡的趋势；对于不平衡的系统有一种达到平衡的趋势。,42,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,铜棒：稳定但存在不平衡势差，它的稳定是靠外界影响来维持的。去掉外界影响，则状态变化，直 到温度均匀为止,稳定不一定平衡 但平衡一定稳定,绝热，不受外界温度影响,43,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀 但均匀一定
15、平衡,44,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立参数个数 N=n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等。 1热量。,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,二、状态公理,45,简单可压缩系统,最重要的系统 ,简单可压缩系统,除热量传递外只有容积功传递的系统,容积变化功,压缩功膨胀功,于是确定平衡状态的独立参数N=2,绝热简单可压缩系统 N = ?,46,座标图：,简单可压缩系 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）任意一点为平衡态,3）不平衡态无法在图 上表示,常见p-v图和T-s图,三、状态方程、坐标图,状态方程：基本参数（p,v,T)之间的关系,47,第五节 准静态过程、可逆过程,一、热力过程,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,48,二、准静态过程,p，T,p0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v
