北京化工大学：《工程热力学》课程电子教案（课件讲稿）第一章基本概念 Basic concepts.pdf_大学文库

2016-6-6 1 第1章基本概念基本内容 P10~41 平衡态温度T 压力p 比容v 基本状态参数导出状态参数内能u、焓h、熵s 热力系统热力状态热力状态参数状态方程 f ( p, v,T )  0 定义、单位、测量平衡态可逆过程功量w 热量q 热力过程过程参数过程方程式 f ( p, v)  0 f (T, v)  0 f (T, p)  0 定义、计算、图形表达可逆过程 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念人为划定的研究对象一.热力系统例1 W 边界系统环境状态1 状态2 Q 特点：质量不变；真实壁面边界；边界移动界统境 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念一.热力系统例2 换热器散热 m Q 1 m2 特点：有质量流进、流出；虚拟边界；边界固定例3 燃气轮机装置 m1  m2  压气机 N1 燃烧室 m2  m3  m0  Q0 m4  m3  燃气轮机 N2 压气机燃气轮机燃烧室空气废气 m0  m1  m4  Q0 N净功例4 内燃机气缸系统（研究对象）质量m 交换热量Q 交换功量W 交换边界环境 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念作用方向？各种作用之间相互关系？热一、热二定律问题：作用方向？各种作用之间相互关系？二定律二.热力系统分类孤立系统非孤立系统系统环境孤立系统 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念二.热力系统分类绝热系统非绝热系统压气机燃气轮机燃烧室空气废气 m0  m1   Q0 工程近似 N净功 1气 0 m4 封闭系统（控制质量系统）绝热系统开口系统（控制体积系统）工程上，塔、换热器、压缩机、泵、汽轮机、燃气轮机、内燃机等均为开口系统。 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念三.几个重要系统封闭系统：关注工质状态变化开口系统：关注系统与外界的相互作用之间关系稳定流动系统：系统内每一点宏观性质均不随时间变化的开口系统简单可压缩系统：可压缩流体；可逆体积膨胀功

2016-6-6 2 P10~41 1-1热力系统第1章基本概念三.几个重要系统宏观热力系统 × 宇宙几个微观粒子系统 × 大量微观粒子宏观系统 P10~41 1-2状态和状态参数状态和状态参数第1章基本概念一.状态和状态参数在某一瞬时，系统的所有宏观物理性质的总和状态参数描述系统热力状态的物理量热力状态二. 状态参数特性物理特性：唯一唯一状态状态参数数学特性：微分性质 dy y z dx x z z z x y dz y x ( , ), ( ) ( )        y x z x y z        2 2 全微分 P10~41 1-2状态和状态参数状态和状态参数第1章基本概念二. 状态参数特性数学特性：微分性质 dy y z dx x z z z x y dz y x ( , ), ( ) ( )        y x z x y z        2 2 全微分积分性质 2 1, 0 2        z dz z z dz 1   三. 状态参数分类广延参数（extensive property)与系统数量有关：①加和性；②大写字母强度参数（intensive property)与系统数量无关：①小写字母比参数（specific property)单位质量工质的广延参数：①小写字母外参数（external property)描述系统作为整体的宏观运动状态参数：速度、位移等。 P10~41 1-3基本状态参数第1章基本概念一. 压力 p 基本状态参数：能够直接或间接用仪表测量的状态参数作用在流体单位面积的法向力导出状态参数：基本状态参数通过热力学微分关系式推导得出定义压力、温度、比容气体压力：密闭容器气体压力是单位时间作用在单位面积分子冲量之和绝对压力：工质的真实压力液体静压力：由液体的自重和液体表面所受外力产生的标准大气压：纬度45°海平面单位面积空气柱重量测量相对压力：绝对压力与参考压力的差值参考压力往往是压力表所处环境压力！环境压力未必是大气压力！ P10~41 1-3基本状态参数第1章基本概念一. 压力 p 测量 b g b p  p  p  p  p p p p p p  b  v  b  表压真空度 pb pe p pv p 例1 P10~41 1-3基本状态参数第1章基本概念一. 压力 p B A 1 2 已知：pb，pBg，pAg 求：p1，p2 解：p2  pBg  pb 如果已知： p p1  pBg  pAg  pb 如果已知： pb，pB ，pA ? g g b，pBv，pAv? 例2：（p42）1-4 单位 Pa ,bar,at，atm，MPa，kPa，mmH2O，mmHg bar Pa 5 1 10 2 1at 1kgf / cm atm mmHg Pa 5 1  760 1.0132510

2016-6-6 3 P10~41 1-3基本状态参数第1章基本概念二. 比容 v 单位质量工质所占的容积 v V / m, m / kg 3  反映分子聚集疏密程度。用容积法测量三. 温度 T 描述系统冷热程度的物理量宏观意义：冷热程度微观意义：大量微观粒子热运动剧烈程度测量依据热力学第零定律与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也处于热平衡 1931年福勒（英国）热一：1840-1850；热二：1854-1855；热三：1906 T1 T3 T2 2 3 1 3 T T T T   T1  T2 P10~41 1-3基本状态参数第1章基本概念三. 温度 T 温标温度的度量标尺： ①规定温标基准点；②分度绝对K 摄氏℃ 华氏F 朗肯R 373.15 100 水沸点 212 671.67 273.16 0.01 273.15 0 -17.8 0 -273.15 37.8 100 0 32 -459.67 0 459.67 冰熔点 491.67 水三相点盐水冰点发烧 559.67 1-3基本状态参数第1章基本概念 P10~41 三. 温度 T 温标换算 ( / 32) 9 5 t/ C  t F  o o T / R  t/ F  459.67 o o 作业：习题1-2，1-3，1-4，1-7，1-8 T R T K o / 5 9 /  注：只有热力学温标T、绝对压力p、比容v是系统的热力状态参数，反映了大量微观粒子热运动的宏观性能。 P10~41 1-4平衡状态第1章基本概念一.平衡状态系统与外界无相互作用时（重力场除外），系统的各项宏观性质不随时间变化，系统达到平衡态 p、T 无相互作用水汽 p、T 不变无相互作用  0   t 第1章基本概念 P10~41 二.平衡条件平衡态平衡条件用总体参量描述系统内各点的状态！热平衡：T=Ti，温差 — 热不平衡势力平衡：p=pi，压差 — 力不平衡势相平衡：μ=μi，化学势差 — 相不平衡势 1-4平衡状态件吉布斯相律有一广义热力系统，系统中有φ，每一相有ｎ种组分，描述系统平衡态需要的独立状态参数π   n   2 相平衡：μ=μi，化学势差相不平衡势化学平衡：化学不平衡势三.吉布斯相律第1章基本概念 P10~41 三.吉布斯相律说明 1.相（phase）体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。体系中相的总数称为相数。 2.一个相可以是均匀的，但不一定只含一种物质。一个相可以是均匀的，但不一定只含一种物质。 3.相平衡体系：在宏观上没有任何物质从一相转移到另一 1-4平衡状态 3.相平衡体系：在宏观上没有任何物质从一相转移到另一相的体系。 4.独立变量：可以连续变化，不改变相数和相态．独立变量：可以连续变化，不改变相数和相态． 5.相律表达式中的相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的“2” 应为“3”、“4”、“5”。如果研究的系统为固态物质，可以忽略压强的影响，相律中的以忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。 6.相率只表示系统中相数和组分数，不能指明组分和相相率只表示系统中相数和组分数，不能指明组分和相的类型与含量

2016-6-6 4 1-5状态方程、状态参数坐标图状态方程、状态参数坐标图第1章基本概念 P10~41 一. 状态方程二. 状态参数坐标图状态方程：系统处于平衡态时，其基本状态参数之间满足函数关系式—— f ( p, v,T )  0 p 1 具有两个独立状态参数的简单可压缩系统的平衡态可用任意两个独立参数组成的坐标中点来描述。 v 常见p-v图和T-s图 2 1-6热力过程第1章基本概念 P10~41 一. 准静态过程热力过程：系统热力状态（热力状态参数）发生变化的过程。如何描述？准静态过程：造成系统热力状态变化的不平衡势差无限小，系统经历的每一个状态都无限接近平衡态。 p v 1 2 准静态过程意义 1.系统经历的每一个状态近似为平衡态，有助于过程描述的简化。 2.坐标图上用实线描述过程 1-6热力过程第1章基本概念 P10~41 一. 准静态过程准静态过程条件 ①不平衡势差无限小；②过程无限缓慢。准静态过程工程近似例：活塞式内燃机 2000转/分曲柄 2冲程/转，0 15 . 米/冲程 dp以声速350 m/s向左传递，需要时间（驰豫时间）活塞从右向左运动时间破坏平衡所需时间（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 “突然” 除外 0.15 m 0.15/ 350  0.0004s 0.15 /(20000.3/ 60)  0.0155s 1-6热力过程第1章基本概念 P10~41 二. 可逆过程实现可逆过程条件可逆与准静态关系 ①不平衡势差无限小；②无能量耗散。是否准静态过程？是否可逆过程？准静态强调中间状态是平衡态可逆不但强调中间状态是平衡态，还强调无耗散可逆过程意义用系统自身状态参数的变化计算系统与外界相互作用。三. 典型不可逆过程有限温差传热 T1 T2 Q T1>T2 ①不平衡势差非无限小； ②理论上，过程反向无法恢复。 1-6热力过程第1章基本概念 P10~41 三. 典型不可逆过程摩擦生热节流、泄漏 p1 p2 本质是流体粘性摩擦生热 p1>p2 方便但不经济！ •• • • •• • • 压力能转化为动 • 自由膨胀真空 • • • • • • • • • • • • •• 混合 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 压力能转化为动能，动能转化为热能结论 ①过程的发生向不平衡势差减小的方向进行，直至势差为零。 ②过程中，存在功耗散为热。能量耗散的本质？是否能用统一量描述？耗散如不特指，均为可逆过程 1-7功量、热量第1章基本概念 P10~41 一. 功量定义本质系统与外界在边界上的一种相互作用，在力推动下，通过有序运动方式传递的能量——转移能。力学定义：系统所受力和沿力方向发生位移的乘积热力学定义：系统与外界在边界上发生的相互作用，其唯一效果可归结为外界举起了一个重物。过有序运动方式传递的能量转移能。准静态过程体积功 p V 示功图 1 2 dW 4 3 微元功 dW  pdV  功 W  pdV 面积1234 功量正负号规定系统对外做功为”+” 系统接受功量为”—

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