01熱力學(xué)第一章-rv.2

1、第一章 基本概念,Every science has a unique vocabulary associated with it, and thermodynamics is no exception. Precise definition of basic concepts forms a sound foundation for the development of a science and prevents possi

2、ble misunderstandings.,第一節(jié) 熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換第二節(jié) 熱力系統(tǒng)與工質(zhì)第三節(jié) 基本狀態(tài)參數(shù)第四節(jié) 平衡狀態(tài)第五節(jié) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程第六節(jié) 過(guò)程功和熱量第七節(jié) 熱力循環(huán),§1-1 熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換,1、蒸汽動(dòng)力裝置,熱能動(dòng)力裝置,,,內(nèi)燃動(dòng)力裝置,,,空氣,,,燃燒后的廢氣,,二、制冷裝置中熱量從低溫處傳遞到高溫處的過(guò)程,熱能轉(zhuǎn)換裝置三要素,高溫?zé)嵩矗◣?kù)）：heat res

3、ervoir of high temperature低溫?zé)嵩矗◣?kù)）：heat reservoir of high temperature工質(zhì): working fluid,§1-2 熱力系統(tǒng)與工質(zhì),熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：熱設(shè)備中分離出來(lái)作為熱力學(xué)研究對(duì)象的物體。（人為地）,外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì),1、系統(tǒng)與邊界,邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面,系統(tǒng)與外界的作用都通過(guò)邊界,熱力系統(tǒng)選取的人為性,,,,,,,,,,

4、,,,,,,,,,,,,鍋爐,汽輪機(jī),,,,發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,,過(guò)熱器,,只交換功,,,,只交換熱,,,既交換功也交換熱,邊界特性,,,,真實(shí)、虛構(gòu),,,,,,固定、活動(dòng),,,,,,,,,,邊界可以是假想的，也可以是實(shí)際存在的，可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。通常用虛線標(biāo)出。,圖1 壓縮中的燃?xì)?圖2 流動(dòng)中的工質(zhì),二、熱力系統(tǒng)的分類,1）開(kāi)口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換,2）閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無(wú)物質(zhì)交換,閉口系統(tǒng)具有恒定質(zhì)量

5、，但具有恒定質(zhì)量的系統(tǒng)不 一定都是閉口系統(tǒng),,Concepts & Definitions,Closed system—quantity of matter under studyControl massOnly heat and work can cross boundary of closed systemOpen system—region in space on which attention is focu

6、sedControl volumeHeat and work may cross control surfaceMass may also cross control surface,3）絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換,4）孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既沒(méi)有物質(zhì)交換，也沒(méi)有熱和功的交換,熱力系統(tǒng)分類,以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：,有 無(wú)是否傳質(zhì) 開(kāi)口系

7、 閉口系,是否傳熱 非絕熱系 絕熱系,是否傳功 非絕功系 絕功系,是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系,1 ? 開(kāi)口系,熱力系統(tǒng),非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系,,,,,1+2 ? 閉口系,1+2+3 ? 絕熱閉口系,1+2+3+4 ? 孤立系,熱力系統(tǒng)其它分類方式,其它分類方式,,,物理化學(xué)性質(zhì),均勻系

8、 非均勻系,,,工質(zhì)種類,多元系,單元系,相態(tài),多相,單相,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),最重要的系統(tǒng) ?,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功,,容積變化功,,,壓縮功膨脹功,工質(zhì),在熱機(jī)中要使熱能不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，需要借助于媒介物質(zhì)。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)就稱為工質(zhì)。不同性質(zhì)的工質(zhì)對(duì)能量轉(zhuǎn)換的效果有直接影響，工質(zhì)性質(zhì)的研究是本學(xué)科的重要內(nèi)容之一。原則上，氣、液、固三態(tài)物質(zhì)都可作為工質(zhì)，但熱力學(xué)中熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換是通

9、過(guò)物質(zhì)的體積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為使能量轉(zhuǎn)換有效而迅速，常選氣態(tài)物質(zhì)作為工質(zhì)。,§1-3 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況,狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量,狀態(tài)參數(shù)的特征：,1、單值性：狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然,2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān),3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分,狀態(tài)參數(shù)的積分特征,狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。,數(shù)學(xué)上：,點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)

10、,,1,2,a,b,,例：溫度變化,山高度變化,,,狀態(tài)參數(shù)的微分特征,設(shè) z =z (x , y),dz是全微分,充要條件：,可判斷是否是狀態(tài)參數(shù),,狀態(tài)參數(shù)是系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的某種微觀特性的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果,狀態(tài)參數(shù)在數(shù)學(xué)上的組合也是狀態(tài)參數(shù),例如，熱力學(xué)溫度只不過(guò)是氣體分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度在宏觀上的反映,例如狀態(tài)參數(shù)焓的定義式為h = u + Pv，式中u、P、v均為狀態(tài)參數(shù)，h是它們數(shù)學(xué)上的一種的組合，因此也是系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù),兩類狀態(tài)參數(shù)：強(qiáng)度

11、參數(shù)與廣延參數(shù),強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如壓力 p、溫度T,廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)?可加性 如 質(zhì)量m、容積 V、內(nèi)能 U、焓 H、熵S,比參數(shù)：,比容,比內(nèi)能,比焓,比熵,單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì),Concepts & Definitions,Extensive properties — properties wh

12、ose value depend on the amount of matter in systemMass, volume, energy, etc.Use upper case letter to designate extensive propertiesIntensive properties — properties whose value does not depend on the amount of matter

13、 in systemPressure, temperature, density, energy per unit mass, etc.Use lower case letter to designate intensive properties,§1-3 (Cont.)基本狀態(tài)參數(shù),1、溫度 T,,,2、壓力 p,3、比容 v,1、溫度,傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺(jué)，導(dǎo)熱，熱容量,微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度

14、 T ? 0.5 m w 2,1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固體和碳蒸氣,2) T=0 ? 0.5mw 2=0 ? 分子一切運(yùn)動(dòng)停止， 零點(diǎn)能,熱力學(xué)第零定律,溫度的熱力學(xué)定義,熱力學(xué)第零定律（R.W. Fowler）　　　如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。,溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B 溫度計(jì),溫度的熱力學(xué)定義,處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一

15、宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量? 溫度。,溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量,,溫度的測(cè)量,溫度計(jì),物質(zhì) （水銀，鉑電阻）,特性 （體積膨脹，阻值）,基準(zhǔn)點(diǎn),刻度,溫標(biāo),,,常用溫標(biāo),絕對(duì)K,,,攝氏℃,華氏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,,-459.67,0,4

16、59.67,491.67,冰熔點(diǎn),水三相點(diǎn),鹽水熔點(diǎn),發(fā)燒,水沸點(diǎn),559.67,溫標(biāo)的換算,注：據(jù)測(cè)定，含鹽30％的鹽水，冰點(diǎn)為零下21℃。冬天下雪，車(chē)輛碾壓后路面會(huì)結(jié)冰變滑影響交通，用鹽水噴灑路面使冰點(diǎn)降低而令冰雪融化可以防滑。,,小知識(shí)：為什么08年雪災(zāi)時(shí)，各地都撒鹽化冰？,2、壓力 p,常用單位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm =

17、760 mmHg = 1.013?105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa,物理中壓強(qiáng)，單位: Pa , N/m2,絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力,當(dāng) p > pb,,表壓力 pg,,當(dāng) p < pb,,真空度 pv,,,,,,pb,,pg,,p,,,pv,,p,環(huán)境壓力與大氣壓力,環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境,注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，

18、但不一定。 見(jiàn)習(xí)題1－7,大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。,物理大氣壓 1atm=760mmHg,當(dāng)h變化不大，ρ?常數(shù),1mmHg= ρgh=133.322Pa,當(dāng)h變化大，ρ? ρ(h),壓力的測(cè)量,,工程計(jì)算中，選取的壓力必須是絕對(duì)壓力?；痣姀S中所測(cè)得的鍋爐汽包、主蒸汽的壓力值都是表壓力，負(fù)壓燃燒鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣和凝汽器內(nèi)乏汽的壓力值為真空，計(jì)算時(shí)都須換算為絕對(duì)壓力。,其它壓力測(cè)量方法,高精度測(cè)量：活塞式壓力計(jì),

19、工業(yè)或一般科研測(cè)量：壓力傳感器,3 、 比容v,［m3/kg],工質(zhì)聚集的疏密程度,物理上常用密度 ?,［kg/m3],問(wèn)題 1：,取A+B為系統(tǒng),系統(tǒng)的壓力是多少？,系統(tǒng)沒(méi)有確定的壓力！,,問(wèn)題 2：,取A+B為系統(tǒng),系統(tǒng)的溫度是多少？,A,,系統(tǒng)沒(méi)有確定的溫度！,只有當(dāng)熱力系統(tǒng)各處狀態(tài)一致的時(shí)候，才可以用一組的確定的狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述。,,,隔熱板,§1-4 平衡狀態(tài) (Equilibrium state),定義：在不受外

20、界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,,,,,熱力學(xué)平衡的內(nèi)容,力學(xué)平衡：系統(tǒng)中各部分間不存在不平衡力的作用，相互間不會(huì)作功，從而不會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化和密度變化,熱平衡：系統(tǒng)中各部分間不存在溫度差別，因而系統(tǒng)內(nèi)部不同部分間不會(huì)發(fā)生傳熱現(xiàn)象,化學(xué)平衡：系統(tǒng)中各相間不存在化學(xué)勢(shì)差，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、相變、溶解、等現(xiàn)象，即不同相之間不發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移,“相”指的是物質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)均勻一致的聚集體,平衡的本質(zhì)：不

21、存在不平衡勢(shì)Equilibrium：there are no unbalanced driving potentials,平衡狀態(tài)是進(jìn)行熱力學(xué)分析的基礎(chǔ),熱力學(xué)平衡是經(jīng)典熱力學(xué)理論中最基本、最重要的概念之一：,僅當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，才能給予確切描述,熱力學(xué)基本理論實(shí)際上針對(duì)系統(tǒng)的平衡特性而給出相關(guān)結(jié)論,經(jīng)典熱力學(xué)中所說(shuō)的狀態(tài)原則上是熱力學(xué)平衡狀態(tài)；熱力過(guò)程是由一系列平衡狀態(tài)構(gòu)成的過(guò)程,平 衡,外界作用,平衡打破,不平衡,弛豫時(shí)間,（R

22、elaxation time）,新平衡,熱力學(xué)平衡的自發(fā)性和必然性,只要系統(tǒng)內(nèi)存在不平衡勢(shì)差，又未加以任何約束，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)自發(fā)地朝著消除不平衡勢(shì)的方向變化，一切系統(tǒng)都自發(fā)趨向平衡狀態(tài)（熱力學(xué)第二定律）,系統(tǒng)狀態(tài)變化的必然歷程：,,,平衡與穩(wěn)定,穩(wěn)定(Steady)：參數(shù)不隨時(shí)間變化,穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差,去掉外界影響，則狀態(tài)變化,穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定,,“穩(wěn)定”僅指事物不隨時(shí)間變化，至于是在什么條件下達(dá)到的卻沒(méi)有限定,“熱

23、力學(xué)平衡”的含義則不同——應(yīng)當(dāng)注意到它是限定在“沒(méi)有外界作用”的條件下達(dá)到的,平衡與均勻,平衡：時(shí)間上equilibrium: no change with time均勻：空間上uniform: no change with location,非平衡一定非均勻，但平衡不一定均勻,,裝有汽水混合物的封閉容器,均勻不是熱力學(xué)平衡的必然結(jié)果,復(fù)相系處于熱力學(xué)平衡時(shí)，系統(tǒng)中各相的密度是不均勻的,流體系統(tǒng)，特別是液體系統(tǒng)，即使處于平衡態(tài)，在

24、重力場(chǎng)的影響下不同高度上的壓力是不同的。重力場(chǎng)的作用不認(rèn)為是外界的作用,不考慮重力場(chǎng)作用的情況下，單相系一定是均勻系,§1-5 狀態(tài)方程、坐標(biāo)圖,平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài),,狀態(tài)公理：對(duì)組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù) N=n+1,,想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？,2、狀態(tài)方程,閉口系：,不平衡勢(shì)差 ? 狀態(tài)變化 ? 能量傳遞,消除一種不平衡勢(shì)差 ? 達(dá)到某一方面平衡

25、 ? 消除一種能量傳遞方式,而不平衡勢(shì)差彼此獨(dú)立,? 獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢(shì)差數(shù) =能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目 =各種功的方式+熱量= n+1,n ?容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等,狀態(tài)公理,狀態(tài)方程,簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1 = 2,絕熱簡(jiǎn)單可壓縮系

26、統(tǒng) ? N = ?,狀態(tài)方程 ? 基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間 的關(guān)系,狀態(tài)方程的具體形式,理想氣體的狀態(tài)方程,實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？,狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì),熱力性質(zhì)表,按一定間隔具體列出不同狀態(tài)下工質(zhì)各基本狀態(tài)參數(shù)的值 熱力學(xué)性質(zhì)表中實(shí)際上描述出了工質(zhì)的許許多多狀態(tài)，例如過(guò)熱水蒸氣表,P MPa,3、狀態(tài)參數(shù)座標(biāo)圖,簡(jiǎn)單可壓縮系 N=2，平面坐標(biāo)圖,,,p,v,,1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示

27、在坐標(biāo)圖上,說(shuō)明：,2）過(guò)程線中任意一點(diǎn) 為平衡態(tài),3）不平衡態(tài)無(wú)法在圖 上用實(shí)線表示,常見(jiàn)p-v圖和T-s圖,§1-6 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程,平衡狀態(tài),,狀態(tài)不變化,,能量不能轉(zhuǎn)換,非平衡狀態(tài),,無(wú)法簡(jiǎn)單描述,熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程,一般過(guò)程,p1 = p0+重物,T1 = T0,突然去掉重物,,最終,p2 = p0,T2 = T0,,,,p,v,,1,2,.,.,,,,,,p，T,p0,活塞汽缸

28、裝置,假如重物有無(wú)限多層,每次只去掉無(wú)限薄一層,,,p,v,1,2,,.,.,.,系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài),.,.,.,.,.,.,.,.,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 (Quasi-equilibrium processes),,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 (Quasi-equilibrium processes),定義：所謂準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是指狀態(tài)變化過(guò)程中的每個(gè)中間狀態(tài)都無(wú)限接近平衡狀態(tài)的過(guò)程。When a process proceeds in such a manne

29、r that the system remains infinitesimally(無(wú)限小) close to an equilibrium state at all times, it is called a quasi-static, or quasi-equilibrium , process.,實(shí)現(xiàn)條件：推動(dòng)過(guò)程進(jìn)行的勢(shì)差無(wú)限小 系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力足夠快,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有實(shí)際意義嗎？,既是平衡

30、，又是變化,既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換,疑問(wèn)：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？,,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件,破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）,恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）,>>,有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡 ? 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程應(yīng)用,例1-1：活塞式內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速 2000轉(zhuǎn)/分，活塞2沖程/轉(zhuǎn)，行程0.15米。,活塞運(yùn)動(dòng)速度=2000?2 ?0.15/60=10 m/s,壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）35

31、0 m/s,破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）,>>,恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）,一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,具體工程問(wèn)題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛?活塞式內(nèi)燃機(jī),,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程意味著過(guò)程可描述，因此系統(tǒng)在過(guò)程中所作出的功是可描述、可計(jì)算的。但是這個(gè)功是否等于外界所接收到的有用功（技術(shù)上有用的，可以輸給功源的功）呢？,摩擦力f的影響,若有摩擦力f 存在，就存在損失,,,,,,p,p外,2,,1,,系統(tǒng)對(duì)外作功W，

32、由于摩擦損失，外界得到的,可以再返還給系統(tǒng)的那部分功，只有W ’<W，而系統(tǒng)此時(shí)得到的功為W’’<W’,則外界、系統(tǒng)不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。,,f,摩擦損失的影響,若 f ＝ 0,,,,,,p,p外,2,,1,,系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功可以返還系統(tǒng)的功W ’＝W,則外界、系統(tǒng)同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。,§1-7可逆過(guò)程的定義,系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。,注意

33、：可逆過(guò)程只是指可能性，并不 是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。,,可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn),準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 + 無(wú)耗散效應(yīng) = 可逆過(guò)程,,,不平衡勢(shì)差無(wú)限小,通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）,不平衡勢(shì)差不可逆根源 耗散效應(yīng),耗散效應(yīng),,可逆過(guò)程例1：,氣體無(wú)摩擦、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮。,可逆過(guò)程例2：,準(zhǔn)靜態(tài)傳熱,不可逆過(guò)程的例子：,典型的不可逆過(guò)程,不等溫傳熱,,,,,,,T

34、1,T2,,,T1>T2,Q,自由膨脹,,,真空,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,,典型的不可逆過(guò)程,節(jié)流過(guò)程 (閥門(mén)）,p1,p2,p1>p2,混合過(guò)程,,,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,★,,,,,,,,,,,,,,,,引入可逆過(guò)程的意義,? 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程， 但

35、并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。,? 可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì) 的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。,? 實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方 便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以修正。,完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆,完全可逆 內(nèi)部可逆，外部不可逆 外部可逆，內(nèi)部不可逆,,