热工基础A第一章(基本概念和定义)课件.ppt

1、第一章第一章 基本概念和定义基本概念和定义二、学习目标二、学习目标 工程热力学中的一些基本术语和概念：热力系统、平工程热力学中的一些基本术语和概念：热力系统、平衡状态、状态公理、状态参数及其性质、准平衡过程和可衡状态、状态公理、状态参数及其性质、准平衡过程和可逆过程的定义、实现的条件及两者之间的关系。逆过程的定义、实现的条件及两者之间的关系。一、本章要点一、本章要点 了解工程热力学的基本术语和概念，正确理解状态参了解工程热力学的基本术语和概念，正确理解状态参数的性质、准静态过程和可逆过程的定义、实现的条件及数的性质、准静态过程和可逆过程的定义、实现的条件及两者之间的关系，不同过程在两者之间的关

2、系，不同过程在 p 图和图和Ts 图上的表示。图上的表示。为工程热力学的深入学习奠定基础。为工程热力学的深入学习奠定基础。第一节第一节 热力系统热力系统 1.定义定义 系统系统：被：被人为人为分离出来，做为研究对象的物体分离出来，做为研究对象的物体 外界外界：系统之外、与之有能、质交换的物质。：系统之外、与之有能、质交换的物质。边界边界：系统与外界的分界面。（真实：系统与外界的分界面。（真实/虚拟、固虚拟、固 定定/运动）运动）例：例：2.系统的分类系统的分类 闭口系闭口系系统与外界系统与外界无质量交换（只有能量交换）无质量交换（只有能量交换）又称控制质量系统又称控制质量系统 开口系开口系-系

3、统与外界系统与外界有质量交换（也有能量交换）有质量交换（也有能量交换）又称控制容积系统又称控制容积系统 绝热系绝热系系统与外界系统与外界无热量交换无热量交换 孤立系孤立系系统与外界系统与外界无质量和能量交换无质量和能量交换 简单可压缩系统简单可压缩系统-由可压缩流体组成，系统内无化由可压缩流体组成，系统内无化 学变化学变化,系统与外界没有电、磁、重力、运动和系统与外界没有电、磁、重力、运动和表面张力等外力场作用，系统与外界交换的可逆功模表面张力等外力场作用，系统与外界交换的可逆功模式只有容积功一种。式只有容积功一种。3、注注 意意 事事 项项 系统划分是系统划分是人为、非唯一的人为、非唯一的,

4、系统划分是系统划分是理想化的理想化的,为抓主要矛盾为抓主要矛盾.合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。1.定义定义 工质：用来实现热、功转换的工作物质，工质：用来实现热、功转换的工作物质，如气体、水蒸如气体、水蒸 气等。气等。状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观 物理状况。物理状况。状态参数：描述状态的特性的物理量，如状态参数：描述状态的特性的物理量，如P、T、u、h、s等。等。2.状态参数的性质状态参数的性质 是状态的单值函数，是状态的单值函数，只取决于工质所处状只取决于工质所处状 态，态，与过程无关与

5、过程无关。例例:设设 x为任意状态参数，则为任意状态参数，则第二节第二节 工质的热力状态及其基本状态参数工质的热力状态及其基本状态参数 122 1 d xxx 0dx),(zyfx，则，则 zzxyyxxddd3.基本状态参数（基本状态参数（P、T）-可测量的参数可测量的参数1）压力压力AFP N/m2 若若 压力可用绝对压力、表压力或真空度三种压力可用绝对压力、表压力或真空度三种 形式表示。形式表示。绝对压力绝对压力P：工质的真实压力，为状态参数工质的真实压力，为状态参数。表压力表压力Pg：绝对压力高出当地大气压的数值绝对压力高出当地大气压的数值 。bgPPPbgPPP或 Pb 大气压力（不

6、恒定）大气压力（不恒定）压力测量仪表压力测量仪表 常用单位常用单位 压力表压力表 Mpa U型管测压计型管测压计 Pa或mmH2O（Pggh）真空度真空度P：绝对压力低于当地大气压的数绝对压力低于当地大气压的数。PPPb或或PPPbP、Pg、P关系图关系图：2）温度温度 常用热力学温标常用热力学温标T、摄氏温标摄氏温标t、华氏温标华氏温标tF。单位单位:T K,t-oC,tF-F 三种温标关系式：三种温标关系式：27315.273ttTK)32(95Ftt C 3）比容、和密度（）比容、和密度（、）mVm3/kg Vm1kg/m3 注意注意:严格区分严格区分 T(k)和和 t(C),T代表状态

7、代表状态 4）强度量和广延量）强度量和广延量 强度量（压力、温度和比容）与物质的量无关强度量（压力、温度和比容）与物质的量无关,广延量正比于物质的量（如广延量正比于物质的量（如V）1002120320CF 第三节第三节 平衡状态、状态公理及状态方程平衡状态、状态公理及状态方程 1.平衡状态平衡状态 (1)定义定义:系统中系统中压力和温度处处相等压力和温度处处相等，且不随时间，且不随时间 变化，称热力平衡状态变化，称热力平衡状态（所谓热平衡和（所谓热平衡和 力平衡）。力平衡）。(2)保持平衡状态条件保持平衡状态条件:系统与外界处于热力平衡。系统与外界处于热力平衡。（不存在不平衡势差）（不存在不平

8、衡势差）(3)意义意义:在热力学中在热力学中,只有平衡状态才能由一组具只有平衡状态才能由一组具 有确定数值的状态参数进行描述。有确定数值的状态参数进行描述。所以所以,又称又称静热力学静热力学 2.系统状态的确定系统状态的确定:是否要知道所有的状态参数才能确定系统的是否要知道所有的状态参数才能确定系统的 状态状态?根据根据“状态公理状态公理”:（参见参见工程热力学工程热力学教材教材）独立状态参数数目独立状态参数数目=可逆功的模式可逆功的模式+1 对于简单可压缩系统对于简单可压缩系统:只有一种模式只有一种模式,即容积功即容积功.这样这样:独立状态参数数目独立状态参数数目=1+1=2,所以所以:只要

9、知道只要知道任意任意2个独立的状态参数个独立的状态参数,就可以确就可以确 定简单可压缩系统的状态定简单可压缩系统的状态.3.系统状态变化的描述系统状态变化的描述 (1)(1)状态方程式状态方程式 理想气体状态方程式：理想气体状态方程式：0)(TPf、（2）平面坐标图）平面坐标图 既然两个独立的状态参数就能确定系统的状态。既然两个独立的状态参数就能确定系统的状态。那么那么,就能用平面坐标图来表示状态及其变化就能用平面坐标图来表示状态及其变化.如如:P-V图图,T-S图图,例例 P图图 图中图中:点点-状态状态 线线-过程过程 过程线下的面积过程线下的面积-容积功容积功 1.准静态过程准静态过程

10、1)1)问题提出问题提出:热力学只能研究平衡态；热力学只能研究平衡态；而热功转换必须通过状态变化的热力过程实现；而热功转换必须通过状态变化的热力过程实现；为解决为解决又要变化又要平衡的矛盾又要变化又要平衡的矛盾；提出提出“准静态准静态”的概念的概念.2 2）定义）定义 过程：工质从一个状态变化到另一个状态的全部过程：工质从一个状态变化到另一个状态的全部经历。经历。准静态过程：由一系列准静态过程：由一系列的平衡状态（实际上是的平衡状态（实际上是无限接近平衡的状态）无限接近平衡的状态）所构成的过程。所构成的过程。第四节第四节 准静态（准平衡）过程和可逆过程准静态（准平衡）过程和可逆过程 3）实现准

11、静态过程的条件实现准静态过程的条件 无势差无势差,(,(或或压力差、温差无穷小压力差、温差无穷小);即系统内外处于近似即系统内外处于近似 的平衡状态；的平衡状态；过程无限慢。（弛豫时间短）过程无限慢。（弛豫时间短）4）实用意义实用意义:显然显然,真正的真正的“无限慢无限慢”在过程上是无意义在过程上是无意义的的.但但:许多实际过程可以近似的作为准静态过程处理许多实际过程可以近似的作为准静态过程处理.例例:内燃机活塞的平均速度为内燃机活塞的平均速度为 10-14 m/s 但是但是,汽缸内压力汽缸内压力P和温度和温度T的传播速度分别为的传播速度分别为:P-音速音速-约为约为 400-1000 m/s

12、 T-分子运动速度分子运动速度-约为约为 500-1500 m/s 所以所以,10 m/s 可视为可视为“无限慢无限慢”,汽缸内压力和温度传汽缸内压力和温度传播播 的特别快的特别快,系统内的压力差和温度差可视为系统内的压力差和温度差可视为“无穷小无穷小”,达达到到 了了“准静态准静态”.2.可逆过程可逆过程 1)定义定义：能逆向进行，：能逆向进行，且系统与外界同时恢复原态且系统与外界同时恢复原态,而不留下其他变化的过程。而不留下其他变化的过程。2)可逆条件可逆条件:1 1）无势差；无势差；2 2）无耗散；）无耗散；3）弛豫时间短）弛豫时间短3)分析分析:例例:气体在气缸中绝热膨胀，推动活塞向外

13、移气体在气缸中绝热膨胀，推动活塞向外移动，到达顶点后反向运动压缩气体。动，到达顶点后反向运动压缩气体。若过程满足可逆条件若过程满足可逆条件 工质膨胀时工质膨胀时,对飞轮作功对飞轮作功,以动能的形式以动能的形式储存在飞轮中储存在飞轮中,压缩时压缩时,飞轮对工质作功飞轮对工质作功,把所得动能全部还给工质把所得动能全部还给工质.这时这时,且系统且系统与外界同时恢复原态未留下其他变化。与外界同时恢复原态未留下其他变化。(2)(2)若在过程进行时：若在过程进行时：有摩擦（耗散）有摩擦（耗散）:摩擦要消耗功摩擦要消耗功,膨胀时传给飞轮功少膨胀时传给飞轮功少,压缩时飞轮压缩时飞轮 要作比工质所作膨胀功大的功

14、要作比工质所作膨胀功大的功.所以所以,当工质回到原状态时当工质回到原状态时,飞轮付出了两倍的摩擦功飞轮付出了两倍的摩擦功.大气得到了两倍的摩擦功大气得到了两倍的摩擦功(热热)有势差有势差:与上述情况类似与上述情况类似,飞轮付出了飞轮付出了“双重双重”的的“差压功差压功”.存在温差时存在温差时,飞轮也要多付出功飞轮也要多付出功,而工质则要多接收热而工质则要多接收热.在上述情况下，在上述情况下，系统与外界不能同时恢复原态系统与外界不能同时恢复原态,而留下了而留下了 其他变化。其他变化。过程是不可逆的。过程是不可逆的。4)结论：结论：可逆过程可逆过程 准静态过程准静态过程+无耗散。无耗散。3.准静态过程及可逆过程的图示准静态过程及可逆过程的图示:因为非平衡态无法用状态参数进行描述因为非平衡态无法用状态参数进行描述,所以不所以不可逆过程也无法在图中用实线表示可逆过程也无法在图中用实线表示,而只能用虚线表而只能用虚线表示示.它只表示过程的起点和终点的状态它只表示过程的起点和终点的状态,而不能显示全而不能显示全过程过程.