1、1,第一章 基本概念,Basic Concepts and Definition,1-1 熱能和機械能相互轉換過程,1-2 熱力系統,1-3 工質的熱力學狀態及其基本狀態參數,1-4 平衡狀態,1-5 工質的狀態變化過程,1-6 功和熱量,1-7 熱力循環,2,一、熱能動力裝置(Thermal power plant),定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。,分類,共同本質：由媒介物通過吸熱膨脹作功排熱,氣體動力裝置(combustion gas power plant) 內燃機(internal combustion gas engine) 燃氣輪機裝置(gas turbi

2、ne power plant) 噴氣發動機(jet power plant) 蒸氣動力裝置 (steam power plant),1-1 熱能和機械能相互轉換的過程,3,二、工質(working substance; working medium),定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。,對工質的要求:,物質三態中 氣態最適宜。,1）膨脹性,2）流動性,3）熱容量,4）穩定性，安全性,5）對環境友善,6）價廉，易大量獲取,4,三、熱源(heat source; heat reservoir),定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。, 高溫熱源熱源 （ heat source ） 低

3、溫熱源冷源（heat sink） 恒溫熱源(constant heat reservoir) 變溫熱源,5,1-2 熱力系統（熱力系、系統、體系） 外界和邊界, 系統(thermodynamic system, system),人為分割出來，作為熱力學 研究對象的有限物質系統。, 外界(surrounding )：,與體系發生質、能交換的物系。, 邊界(boundary)：,系統與外界的分界面（線）。,一、定義,6,二、系統及邊界示例, 汽車發動機,7, 汽缸-活塞裝置（閉口系例）,8, 移動和虛構邊界,9,1）系統與外界的人為性 2）外界與環境介質 3）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有

4、彈性的 b）固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的,注意：,10,三、熱力系分類,按組元數 單元系(one component system;pure substance system) 多元系(multicomponent system),按相數 單相系(homogeneous system) 復相系(heterogeneous system),注意：1）不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻濕蒸汽； 單元系未必均勻氣液平衡分離狀態。,1. 按組元和相,11,閉口系（closed system） （控制質量CM） 沒有質量越過邊界,開口系（open system） （控制體積CV） 通過邊界

5、與外界有質量交換,2. 按系統與外界質量交換,12,1）閉口系與系統內質量不變的區別； 2）開口系與絕熱系的關系； 3）孤立系與絕熱系的關系。,注意：,4. 簡單可壓縮系（simple compressible system） 由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交 換容積變化功的有限物質系統。,絕熱系（adiabatic system） 與外界無熱量交換; 孤立系（isolated system） 與外界無任何形式的質能交換。,3. 按能量交換,13,四、熱力系示例,1剛性絕熱氣缸-活塞系統，B側設有電熱絲,紅線內 閉口絕熱系,黃線內不包含電熱絲 閉口系,黃線內包含電熱絲 閉口絕熱系,蘭線

6、內 孤立系,14,閉口系,2剛性絕熱噴管,取紅線為系統,取噴管為系統,開口系絕熱系?,15,A、B兩部落“雞、犬之聲相聞， 民至老死不相往來”,A,B,A部落為系統,A+B部落為系統孤立系,閉口系,16,1-3 工質的熱力學狀態和基本狀態參數,熱力學狀態（state of thermodynamic system） 系統宏觀物理狀況的綜合 狀態參數（state properties） 描述物系所處狀態的宏觀物理量,1狀態參數是宏觀量，是大量粒子的統計平均效 應，只有平衡態才有狀參，系統有多個狀態參數，如,一、熱力學狀態和狀態參數,二、狀態參數的特性和分類,17,2狀態的單值函數。 物理上與過程

7、無關； 數學上其微量是全微分。,3狀態參數分類 廣延量（extensive property） 強度量（intensive property ）,又：廣延量的比性質具有強度量特性，如比體積,工程熱力學約定用小寫字母表示單位質量參數。,18,三、系統狀態相同的充分必要條件,系統兩個狀態相同的充要條件： 所有狀態參數一一對應相等 簡單可壓縮系兩狀態相同的充要條件： 兩個獨立的狀態參數對應相等,19,四、溫度和溫標（temperature and temperature scale）,溫度的定義： 測溫的基礎熱力學零定律 (zeroth law of thermodynamics) 熱力學溫標和國際

8、攝氏溫標 (thermodynamics scale; Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Celsius temperature scale),20,華氏溫標和朗肯溫標,華氏溫標和攝氏溫標,附：,T R=t +459.67,t =5/9t -32 t =9/5t +32,21,五、壓力(pressure),絕對壓力 p(absolute pressure) 表壓力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure) 真空度 pv(vacuum; vacuum pressure),當地大氣壓

9、pb(local atmospheric pressure),22,常用壓力單位：,例A4001441,例A4002771,23,六、比體積和密度,比體積(specific volume),單位質量工質的體積,密度(density),單位體積工質的質量,兩者關系:,24,1-4 平衡狀態,1定義：無外界影響系統保持狀態參數不隨時間而改變的狀態,熱平衡（thermal equilibrium） ： 在無外界作用的條件下，系統內部、系統與外界 處處溫度相等。,力平衡（mechanical equilibrium）： 在無外界作用的條件下，系統內部、系統與外 界處處壓力相等。,熱力平衡的充要條件 系

10、統同時達到熱平衡和力平衡。,一、平衡狀態（thermodynamic equilibrium state）,25,討論：,1）系統平衡與均勻,2）平衡與穩定, 平衡可不均勻, 穩定未必平衡,26,* 二、 狀態公設（state postulate）,n系統獨立的狀態參數數； f系統與外界交換功形式數。,簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式,27,三、純物質的狀態方程 （pure substance state equation）,狀態方程,1理想氣體狀態方程 （ideal-gas equation; Clapeyrons equation）,Rg 氣體常數 （gas constant）,R

11、通用氣體常數 （universal(molargas constant ),摩爾質量,28,實際氣體(real gas; imperfect gas)的狀態方程,范德瓦爾方程,（a,b為物性常數）,R-K方程,（a,b為物性常數）,29,BWR方程,維里型方程,30,四、 狀態參數坐標圖（parametric coordinates）,一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數，所以可用平面坐標上一點確定其狀態，反之任一狀態可在平面坐標上找到對應點，如：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,31,附：純物質的p-v-T圖,32,水p-v-T圖,33,一、準靜

12、態過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process),定義：偏離平衡態無窮小，隨時 恢復平衡的狀態變化過程。,進行條件： 破壞平衡的勢,過程進行無限緩慢 工質有恢復平衡的能力,準靜態過程可在狀態參數圖上用連續實線表示,無窮小,1-5 工質的狀態變化過程,34,二、可逆過程( reversible process),定義：系統可經原途徑返回原來狀 態而在外界不留下任何變化 的過程。,可逆過程與準靜態過程的關系,非準靜態 不可逆 準靜態 可逆,單純傳熱過程,35,非準靜態過程 (nonequilibrium process),準靜態過程，不可逆,

13、準靜態過程，可逆,作功過程,p,F,f,pb,36,1.可逆=準靜態+沒有耗散效應 2.準靜態著眼于系統內部平衡，可逆著眼于 系統內部及系統與外界作用的總效果 3.一切實際過程不可逆 4.內部可逆過程的概念 5.可逆過程可用狀態參數圖上實線表示,討論：,37,一、功(work)的定義和可逆過程的功,1功的力學定義,2功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量其全部 效果可表現為舉起重物。,3可逆過程功的計算,功是過程量,功可以用p-v圖上過程線 與v軸包圍的面積表示,1-6 功和熱量,38,系統對外作功為“+” 外界對系統作功為“-”,5功和功率的單位：,附：,4功的符號約定：,39,6討論,有用功(

14、useful work)概念,其中:W膨脹功(compression/expansion work)； Wl摩擦耗功； Wp排斥大氣功。,pb,f,例A7001331,40,用外部參數計算不可逆過程的功,?,41,二、廣義功(generalized work)簡介,彈性力功,表面張力功,電極化功及磁化功等,42,三、熱量（heat）,1定義：僅僅由于溫差而 通過邊界傳遞的能量。,2符號約定：系統吸熱“+”； 放熱“-”,3單位：,4計算式及狀態參數圖,熱量是過程量,（T-s圖上）表示,43,四、熱量與功的異同：,1.均為通過邊界傳遞的能量；,3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志； 熱量

15、傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；,4.功是物系間通過宏觀運動發生相互作用傳遞的能量； 熱是物系間通過紊亂的微粒運動發生相互作用而傳遞的能量。,功,2.均為過程量；,熱是無條件的；,熱,功是有條件、限度的。,44,思考題：,容器為剛性絕熱，抽去隔板， 重又平衡，過程性質。,逐個抽去隔板，又如何？,45,1-7 熱力循環,一、定義： 封閉的熱力過程 特性：一切狀態參數恢復原值，即,二、可逆循環與不可逆循環(reversible cycle and irreversible cycle ),46,三、動力循環（正向循環）（power cycle; direct cycle ）,輸出凈功； 在pv圖及Ts圖上順時針進行； 膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。,47,四、逆向循環(reverse cycle) 制冷循環(refrige