1、工程熱力學(xué)講稿第1章 基本概念本章基本要求:深刻理解熱力系統(tǒng)、外界、熱力平衡狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程、熱力循環(huán)的概念，掌握溫度、壓力、比容的物理意義，掌握狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)。本章重點(diǎn)：取熱力系統(tǒng)，對(duì)工質(zhì)狀態(tài)的描述，狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系，狀態(tài)參數(shù)，平衡狀態(tài)，狀態(tài)方程，可逆過(guò)程。1. 1 熱力系統(tǒng)一、熱力系統(tǒng)系統(tǒng)：用界面從周圍的環(huán)境中分割出來(lái)的研究對(duì)象，或空間內(nèi)物體的總和。外界：與系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。界面：假想的、實(shí)際的、固定的、運(yùn)動(dòng)的、變形的。依據(jù)：系統(tǒng)與外界的關(guān)系，系統(tǒng)與外界的作用：熱交換、功交換、質(zhì)交換。二、閉口系統(tǒng)和開(kāi)口系統(tǒng)(按系統(tǒng)與外界有無(wú)物質(zhì)交換)閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無(wú)物質(zhì)交換,稱控制質(zhì)量

2、。開(kāi)口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外有物質(zhì)交換,稱控制體積。三、絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無(wú)熱量交換 (系統(tǒng)傳遞的熱量可忽略不計(jì)時(shí)，可認(rèn)為絕熱)孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無(wú)能量傳遞也無(wú)物質(zhì)交換=系統(tǒng)+相關(guān)外界=各相互作用的子系統(tǒng)之和= 一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的外界四、根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部狀況劃分可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體組成的系統(tǒng)。簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：與外界只有熱量及準(zhǔn)靜態(tài)容積變化均勻系統(tǒng)：內(nèi)部各部分化學(xué)成分和物理'性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)，是由單相組成的。非均勻系統(tǒng)：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相所組成的系統(tǒng)。單元系統(tǒng)：一種均勻的和化學(xué)成分不變的物質(zhì)組成的系統(tǒng)。多元系統(tǒng)：由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)。單相系：系統(tǒng)中工

3、質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復(fù)相系：由兩個(gè)相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。注意:系統(tǒng)的選取方法僅影響解決問(wèn)題的繁復(fù)程度，與研究問(wèn)題的結(jié)果無(wú)關(guān)。思考題：孤立系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)嗎。反之怎樣。孤立系統(tǒng)一定不是開(kāi)口的嗎。孤立系統(tǒng)是否一定絕熱。12 工質(zhì)的熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：熱力系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況。狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種狀態(tài)的宏觀物理量。如：溫度（T）、壓力（P）、比容（）或密度（）、內(nèi)能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性:1 表明：狀態(tài)的路徑積分僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而

4、與狀態(tài)變化的途徑無(wú)關(guān)。2=0表明：狀態(tài)參數(shù)的循環(huán)積分為零基本狀態(tài)參數(shù)：可直接或間接地用儀表測(cè)量出來(lái)的狀態(tài)參數(shù)。如：溫度、壓力、比容或密度1 溫度：宏觀上，是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時(shí)冷熱程度的物理量。微觀上,是大量分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度的量度式中分子平移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，其中m是一個(gè)分子的質(zhì)量，是分子平移運(yùn)動(dòng)的均方根速度；B比例常數(shù)；T氣體的熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)第零定律：如兩個(gè)物體分別和第三個(gè)物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平衡。攝氏度與熱力學(xué)溫度的換算： 2壓力：垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強(qiáng)。 式中：F整個(gè)容器壁受到的力，單位為牛頓（N）；f容器壁的總面積（m2）。微觀上：分子

5、熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直作用于容器壁上單位面積的力。式中：P單位面積上的絕對(duì)壓力；n分子濃度，即單位容積內(nèi)含有氣體的分子數(shù)，其中N為容積V包含的氣體分子總數(shù)。壓力測(cè)量依據(jù)：力平衡原理 壓力單位：MPa相對(duì)壓力：相對(duì)于大氣環(huán)境所測(cè)得的壓力。工程上常用測(cè)壓儀表測(cè)定的壓力。以大氣壓力為計(jì)算起點(diǎn)，也稱表壓力。 （P>B）（P<B）式中B當(dāng)?shù)卮髿鈮毫g高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)的相對(duì)壓力，稱表壓力； H 低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)的相對(duì)壓力，稱為真空值。注意：只有絕對(duì)壓力才能代表工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)3比容: 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)所具有的容積。 密度：?jiǎn)挝蝗莘e的工質(zhì)所具有的質(zhì)量。m3/kg關(guān)系： 式中：工質(zhì)的密度kg/m3

6、 ，工質(zhì)的比容m3/kg 例:表壓力或真空度為什么不能當(dāng)作工質(zhì)的壓力？工質(zhì)的壓力不變化，測(cè)量它的壓力表或真空表的讀數(shù)是否會(huì)變化？解：作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的壓力是絕對(duì)壓力，測(cè)得的表壓力或真空度都是工質(zhì)的絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，因此不能作為工質(zhì)的壓力；因?yàn)闇y(cè)得的是工質(zhì)絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，即使工質(zhì)的壓力不變，當(dāng)大氣壓力改變時(shí)也會(huì)引起壓力表或真空表讀數(shù)的變化。三、強(qiáng)度性參數(shù)與廣延性參數(shù)強(qiáng)度性參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)值相同，與質(zhì)量多少無(wú)關(guān)，沒(méi)有可加性。在熱力過(guò)程中，強(qiáng)度性參數(shù)起著推動(dòng)力作用，稱為廣義力或勢(shì)。如溫度、壓力等。廣延性參數(shù)：系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之和，在熱力過(guò)程

7、中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學(xué)中位移的作用，稱為廣義位移。如系統(tǒng)的容積、內(nèi)能、焓、熵等。13平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程一、平衡狀態(tài)系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時(shí)建立了熱的和力的平衡，這時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)稱為平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)的充要條件：熱平衡(溫度平衡) 力平衡(壓力平衡) 化學(xué)勢(shì)平衡（包括相平衡和化學(xué)平衡）注意：平衡必穩(wěn)定，反之穩(wěn)定未必平衡。平衡與均勻也是不同的概念，均勻是相對(duì)于空間，平衡是相對(duì)于時(shí)間。平衡不一定均勻。狀態(tài)公理：確定純物質(zhì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨(dú)立參數(shù)=n+1式中n表示傳遞可逆功的形式，而加1表示能量傳遞中的熱量傳遞。例如：

8、對(duì)除熱量傳遞外只有膨脹功(容積功)傳遞的簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，n=1，于是確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨(dú)立參數(shù)為1十1=2所有狀態(tài)參數(shù)都可表示為任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)方程: 反映工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)基本狀態(tài)參數(shù)的制約關(guān)系。純物質(zhì)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)的狀態(tài)方程：F(P,V,T)=014 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程與可逆過(guò)程熱力過(guò)程：系統(tǒng)狀態(tài)的連續(xù)變化稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)熱力過(guò)程。 一、準(zhǔn)靜過(guò)程：如果造成系統(tǒng)狀態(tài)改變的不平衡勢(shì)差無(wú)限小，以致該系統(tǒng)在任意時(shí)刻均無(wú)限接近于某個(gè)平衡態(tài)，這樣的過(guò)程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。注意:準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一種理想化的過(guò)程，實(shí)際過(guò)程只能接近準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。二、可逆過(guò)程：系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程后，如令過(guò)程逆行而使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)

9、到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程稱為可逆過(guò)程。實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的條件：1 過(guò)程無(wú)勢(shì)差 (傳熱無(wú)溫差，作功無(wú)力差)2 過(guò)程無(wú)耗散效應(yīng)。三、可逆過(guò)程的膨脹功 (容積功)系統(tǒng)容積發(fā)生變化而通過(guò)界面向外傳遞的機(jī)械功。 J/kg規(guī)定: 系統(tǒng)對(duì)外做功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。問(wèn)題： 比較不可逆過(guò)程的膨脹功與可逆過(guò)程膨脹功四、可逆過(guò)程的熱量:系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量?？赡孢^(guò)程傳熱量：q J/kg規(guī)定:系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)。15 熱力循環(huán):定義：工質(zhì)從某一初態(tài)開(kāi)始，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后由回復(fù)到初態(tài)的過(guò)程。,一、正循環(huán)正循環(huán)中的熱轉(zhuǎn)換功的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用循環(huán)熱效率：式中q1工質(zhì)從熱源吸熱；q

10、2工質(zhì)向冷源放熱；w0循環(huán)所作的凈功。二、逆循環(huán)以獲取制冷量為目的。致冷系數(shù)：式中：q1工質(zhì)向熱源放出熱量；q2工質(zhì)從冷源吸取熱量；w0循環(huán)所作的凈功。供熱系數(shù)：式中：q1工質(zhì)向熱源放出熱量，q2工質(zhì)從冷源吸取熱量，w0循環(huán)所作的凈功本章應(yīng)注意的問(wèn)題1熱力系統(tǒng)概念，它與環(huán)境的相互作用，三種分類方法及其特點(diǎn)，以及它們之間的相互關(guān)系。2引入準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程的必要性，以及它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí)的條件。3系統(tǒng)的選擇取決于研究目的與任務(wù)，隨邊界而定，具有隨意性。選取不當(dāng)將不便于分析。 選定系統(tǒng)后需要精心確定系統(tǒng)與外界之間的各種相互作用以及系統(tǒng)本身能量的變化，否則很難獲得正確的結(jié)論。4穩(wěn)定狀態(tài)與平衡狀態(tài)的區(qū)

11、分：穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)狀態(tài)參數(shù)雖然不隨時(shí)間改變，但是靠外界影響來(lái)的。平衡狀態(tài)是系統(tǒng)不受外界影響時(shí)，參數(shù)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。二者既有所區(qū)別，又有聯(lián)系。平衡必穩(wěn)定,穩(wěn)定未必平衡。5狀態(tài)參數(shù)的特性及狀態(tài)參數(shù)與過(guò)程參數(shù)的區(qū)別。思考題：1溫度為100的熱源，非常緩慢地把熱量加給處于平衡狀態(tài)下的0的冰水混合物，試問(wèn)：1、冰水混合物經(jīng)歷的是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程嗎？2、加熱過(guò)程是否可逆？2平衡態(tài)與穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)即系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間而變）有何異同？熱力學(xué)中討論平衡態(tài)有什么意義？3外界條件變化時(shí)系統(tǒng)有無(wú)達(dá)到平衡的可能？在外界條件不變時(shí)，系統(tǒng)是否一定處于平衡態(tài)？4判斷下列過(guò)程是否為可逆過(guò)程：1)對(duì)剛性容器內(nèi)的水加熱使其在恒溫下蒸發(fā)。2)對(duì)剛性容器內(nèi)的水作功使其在恒溫下蒸發(fā)。3)對(duì)剛性容器中的空氣緩慢加