工程热力学 01基本概念及定义-wyz-2013.pptx

1、第一章 基本概念及定义2第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义1-1 热力学系统热力学系统1-2 热力学系统的状态及基本状态参数热力学系统的状态及基本状态参数1-3 平衡状态和状态参数坐标图平衡状态和状态参数坐标图1-4 状态方程式状态方程式1-5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程1-6 可逆过程的功可逆过程的功1-7 热量热量1-8 热力循环热力循环本章小结及作业本章小结及作业第一章 基本概念及定义31-1 1-1 热力学系统热力学系统外界：外界：系统之外一切其他物质。系统之外一切其他物质。边界：边界：分割系统与外界的界面。分割系统与外界的界面。一、热力学系统概念一、热力学系统概

2、念热力学系统（系统热力学系统（系统，system）：）：被事先选作研究对象的某些确定的物被事先选作研究对象的某些确定的物质或某个确定空间中的物质质或某个确定空间中的物质。即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。边界把系统与外界完全分隔开来，一定是完全封闭的。边界把系统与外界完全分隔开来，一定是完全封闭的。系统选取是人为的，可依据解决问题的方便、思维方式因人而异，系统选取是人为的，可依据解决问题的方便、思维方式因人而异，一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。注意：

3、注意：第一章 基本概念及定义4 边界有边界有 真实的、真实的、固定的固定的 假想的、假想的、变动的变动的 之分。之分。系统与外界之间有且仅有三种作用形式，即系统与外界之间有且仅有三种作用形式，即 质量交换、质量交换、热量交换、热量交换、功量交换。功量交换。例例第一章 基本概念及定义5按系统本身的性质分类按系统本身的性质分类相相-指系统中物质的化学成分及物理结构都均匀一致；指系统中物质的化学成分及物理结构都均匀一致；元元-化学成分，非化学元素化学成分，非化学元素态态-物质存在的聚集状态，有气、液、固三态。物质存在的聚集状态，有气、液、固三态。同一态的某种物质可能有多个相，如同素异形体。同一态的某

4、种物质可能有多个相，如同素异形体。空气；开江时的江水；鸡尾酒空气；开江时的江水；鸡尾酒(Cocktail)；水烧开时；水烧开时注意注意：例例:单元系单元系 多元系多元系单相系单相系 多相系多相系均匀系均匀系非均匀系非均匀系系统的分类：系统的分类：第一章 基本概念及定义6按系统与外界相互作用的性质分类按系统与外界相互作用的性质分类开口系开口系（open system）:有，有，一般一般以固定空间中的物质为系统以固定空间中的物质为系统,称称CV。闭口系闭口系（closed system）:无，以固定的物质为系统，无，以固定的物质为系统，称称CM。按系统与外界是否有质量交换：按系统与外界是否有质量交

5、换：按系统与外界是否有热量交换按系统与外界是否有热量交换绝热系统绝热系统（insulated system）非绝热系统非绝热系统（特例：（特例：透热系统透热系统）按系统与外界交换的准静态功的模式分类按系统与外界交换的准静态功的模式分类简单系统简单系统复杂系统复杂系统孤立系统孤立系统（isolated system）第一章 基本概念及定义71-2 热力学系统的状态及基本状态参数热力学系统的状态及基本状态参数热力学状态热力学状态(状态状态):热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。p,v 和和 T，是直接可测的是直接可测的。状态参数状态参数 ：用来描述和说明

6、系统系统所处状态的一些宏观物理量用来描述和说明系统系统所处状态的一些宏观物理量,只与所处状态有关，而与过程、实现的途径无关。只与所处状态有关，而与过程、实现的途径无关。最基本状态参数最基本状态参数:1比体积比体积 vmVv vVm1单位质量物质占有的体积。单位质量物质占有的体积。描述系统内部物质分布状况的参数。描述系统内部物质分布状况的参数。第一章 基本概念及定义82.2.压力压力 (压强压强)p 流体在单位面积上的垂直作用力流体在单位面积上的垂直作用力。描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。绝对压力绝对压力 absolute pressu

7、re,p大气压力大气压力 atmospheric pressure，pb表压力表压力 gauge pressure，pg 真空度真空度 vacuum pressure，pv 压力的单位：压力的单位：标准单位：标准单位：Pa，kPa,MPa 非标准单位：非标准单位：bar、atm、at、mmHg、mmH2O等等 第一章 基本概念及定义93.温度温度 Temperature,T (t)温度是标志系统冷、热程度的参数。温度是标志系统冷、热程度的参数。温度的建立以及测量是以热力学第零定律为基础的。温度的建立以及测量是以热力学第零定律为基础的。热力学第零定律（热平衡定律）热力学第零定律（热平衡定律）Th

8、e Zeroth Law of Thermodynamics：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必然处于热平衡。必然处于热平衡。处于同一热平衡态的所有系统，不论是否相互接触，必定有某一处于同一热平衡态的所有系统，不论是否相互接触，必定有某一宏观特性是彼此相同的，我们把描述此宏观特性的物理量称为宏观特性是彼此相同的，我们把描述此宏观特性的物理量称为温度温度。一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。第一章 基本概念及定义10thermodynamic temperature,T,K摄氏温度

9、摄氏温度 centigrade temperature,t,华氏温度华氏温度 Fahrenheit temperature,t,F 温标温标：温度的数值表示方法，国际上普遍采用的是热力学温标。温度的数值表示方法，国际上普遍采用的是热力学温标。热力学温度（绝对温度）热力学温度（绝对温度）以水的三相点温度作为热力学温度的固定点，以水的三相点温度作为热力学温度的固定点，K16273.Ttp15.273 tT华氏温度与摄氏温度之间的关系：华氏温度与摄氏温度之间的关系：热力学温度与摄氏温度之间的关系：热力学温度与摄氏温度之间的关系：第一章 基本概念及定义111-3 平衡状态和状态参数坐标图平衡状态和状态

10、参数坐标图平衡状态（热力学平衡状态）：平衡状态（热力学平衡状态）：热力学平衡热力学平衡（平衡状态）（平衡状态）系统内部以及系统与外界系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势之间不存在任何不平衡势热平衡热平衡力平衡力平衡相平衡相平衡化学平衡化学平衡稳定平衡态定律：稳定平衡态定律：在外界不产生任何影响的条件下，系统从任何一在外界不产生任何影响的条件下，系统从任何一个非平衡状态出发，经过足够长的时间，总能达到一个非平衡状态出发，经过足够长的时间，总能达到一个而且只有一个稳定的热力学平衡状态。个而且只有一个稳定的热力学平衡状态。在外界不产生任何影响的条件下可以长久保持下去的状态。在外界不产生任何影

11、响的条件下可以长久保持下去的状态。非非“作用作用”即系统的宏观性质不随时间改变的状态即系统的宏观性质不随时间改变的状态第一章 基本概念及定义12系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，即简单对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，即简单可压缩系统，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化可压缩系统，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。状态公理：状态公理：确定系统平衡状态所需的独立状态参

12、数的数目，等于系统确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目，等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。和外界间进行能量传递方式的数目。n+1状态参数坐标图：状态参数坐标图：ex:P-V,T-s,h-s,p-h 应用两个独立状态参数，可组成状态参数坐标图。应用两个独立状态参数，可组成状态参数坐标图。注意：注意：图上任意一点代表一个平衡状态；图上任意一点代表一个平衡状态；若系统处于不平衡状态若系统处于不平衡状态,则无法在状态参数坐标图上描述。则无法在状态参数坐标图上描述。第一章 基本概念及定义131-4 1-4 状态方程式状态方程式1.状态方程式状态方程式 三个基本状态参数三个基本状态参数(p、v、

13、T)之间的函数关系。即之间的函数关系。即：隐函数形式：隐函数形式：F(p，v，T)0 显函数形式：显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T)2.2.理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）1kg1kmolRTpVmm kgn kmolnRTpV TmRpVgRg气体常数，与气体的种类有关。气体常数，与气体的种类有关。R 通用气体常数通用气体常数M,气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，kg/kmol Vm,千摩尔容积千摩尔容积，m3/kmolTRpvgK)(kmolkJ314.8RMRRg第一章 基本概念及定义141-5 准静态过程和可逆过程准静态过

14、程和可逆过程1.热力过程热力过程 系统从一个状态出发，经历一系列中间状态而变系统从一个状态出发，经历一系列中间状态而变化到另一个状态所经历的全部过程称为热力过程。化到另一个状态所经历的全部过程称为热力过程。初态初态终态终态ApGpAb条件改变：条件改变：G为为G,使使ApGpAbApGApb第一章 基本概念及定义15在状态参数坐标图上，可用一条过在状态参数坐标图上，可用一条过程曲线定性地表示该准静态过程。程曲线定性地表示该准静态过程。虚线，表一非准静态过程。虚线，表一非准静态过程。2.准静态过程准静态过程 quasi-static state process 过程中系统经历的是一系列平衡状态，

15、并在过程中系统经历的是一系列平衡状态，并在每次状态变化时仅是无限小地偏离平衡状态。每次状态变化时仅是无限小地偏离平衡状态。实现准静态过程的条件：实现准静态过程的条件：系统和外界系统和外界0大部分实际过程可以近似地当作准静态过程。大部分实际过程可以近似地当作准静态过程。第一章 基本概念及定义163.可逆过程可逆过程 Reversible Process 系统经历了一个热力过程后，系统经历了一个热力过程后，如果可以沿原过程的途径逆向进行，如果可以沿原过程的途径逆向进行，并使系统和外界都恢复到初态而不并使系统和外界都恢复到初态而不留下任何影响，则称系统原先经历留下任何影响，则称系统原先经历的过程为可

16、逆过程。的过程为可逆过程。可逆过程必须满足的条件：可逆过程必须满足的条件：准静态过程；准静态过程；无任何耗散效应。无任何耗散效应。（耗散效应必产生无法消除的影响）（耗散效应必产生无法消除的影响）无耗散的准静态过程无耗散的准静态过程=可逆过程可逆过程可逆过程是假想的、理想化的模型；可逆过程是假想的、理想化的模型；一切实际过程都是不可逆的。一切实际过程都是不可逆的。第一章 基本概念及定义171.1.热力学中功量的定义热力学中功量的定义 功量是系统和外界间通过边界而传递的能量，功量是系统和外界间通过边界而传递的能量，且其且其全部效果表现全部效果表现为为举起重物举起重物。1-6 可逆过程的功可逆过程的

17、功2.2.可逆过程的容积变化功可逆过程的容积变化功容积变化功容积变化功（膨胀功或压缩功）（膨胀功或压缩功）：直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功。直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功。功量是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动功量是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。发生相互作用而传递的能量。第一章 基本概念及定义18vpwdVpWd2112dvpw212112ddVpvpmW规定：规定：系统对外界作功，系统对外界作功，W为正；外界对系统作功，为正；外界对系统作功，W为负。为负。过程线下面积等于可逆过程中容积变化功的大小，过程线下面积等于可逆过程中容积

18、变化功的大小，。对微元可逆过程：对微元可逆过程：对可逆过程对可逆过程1-2：功量是过程量，仅存在于过程中，过程功量是过程量，仅存在于过程中，过程一旦结束，功量这种能量形式就不复存在。一旦结束，功量这种能量形式就不复存在。第一章 基本概念及定义191-7 热量热量热量热量：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量。热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量。热量不可能把它的全部效果表现为举起重物。热量不可能把它的全部效果表现为举起重物。热量是过程量；热量是传递的能量

19、（瞬时量）。热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。区别：区别：热量与功量，热能与热量热量与功量，热能与热量热量热量：物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量：物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量功量功量：物体间通过有规则的微观或宏观运动发生相互作用而传递的能量：物体间通过有规则的微观或宏观运动发生相互作用而传递的能量热能热能：物体内部所具有的能量，热力学能，可存储于物体内。：物体内部所具有的能量，热力学能，可存储于物体内。热量热量：两物体间传递的热能的数量，不能说：两物体间传递的热能的数量，不能说“物体含有热量物体含有热量”。第一章 基本概念及定义20热量符号规定：热量

20、符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。系统吸热为正，系统放热为负。sTqdSTQd2112dsTq212112ddSTsTmQ 过程线下方的面积等于可逆过程所交换的热量的大小，过程线下方的面积等于可逆过程所交换的热量的大小，。2.2.可逆过程的热量可逆过程的热量对微元可逆过程：对微元可逆过程：对可逆过程对可逆过程1-2：第一章 基本概念及定义213.3.热量与功量的类比热量与功量的类比是物体间通过有规律的微观运动是物体间通过有规律的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递或宏观运动发生相互作用而传递的能量，可以把其全部效果表现的能量，可以把其全部效果表现为举起重物。为举起重物。功：功：热量：热量：

21、物体间通过紊乱的分子运动发生物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量，不能把相互作用而传递的能量，不能把其全部效果表现为举起重物。其全部效果表现为举起重物。可逆过程中可逆过程中可逆过程中可逆过程中P 工质对外作功的推动力工质对外作功的推动力;dv 状态参数比体积的变化状态参数比体积的变化:是衡量可逆过程中工质与外是衡量可逆过程中工质与外界作功与否的标志。界作功与否的标志。在在p-v图上：图上：一点：一个平衡状态一点：一个平衡状态一实线：一个准静态过程一实线：一个准静态过程曲线下面积：曲线下面积：可逆过程中系统所可逆过程中系统所做的容积变化功。做的容积变化功。功是过程量功是过程量vpwd

22、VpWdsTqdSTQdT 对热交换起着推动力的作用对热交换起着推动力的作用;ds 状态参数比熵的变化状态参数比熵的变化:是衡量可逆过程中工质与外是衡量可逆过程中工质与外界是否发生热交换的标志。界是否发生热交换的标志。在在T-s图上：图上：一点：一个平衡状态一点：一个平衡状态一实线：一个准静态过程一实线：一个准静态过程曲线下面积：曲线下面积：可逆过程中系统与可逆过程中系统与外界所交换热量。外界所交换热量。热量是过程量热量是过程量第一章 基本概念及定义224.4.比热容及用比热容计算热量比热容及用比热容计算热量1kg 物质物质在可逆过程中在可逆过程中温度升高温度升高1K(或或1)所需的热量。即所

23、需的热量。即 比定容热容比定容热容cV：VVTqc)d(TcqVVd和和比定压热容比定压热容cp：ppTqc)d(Tcqppd和和TqcdJ/(kgK)质量热容质量热容(比热容比热容)ckJ/(kgK)第一章 基本概念及定义23摩尔热容摩尔热容1 mol(或或1kmol)物质物质在可逆过程中在可逆过程中温度升高温度升高1 K(或或1)所需要所需要的热量，用的热量，用Cp,m及及CV,m表示表示。单位为。单位为 J/(molK)或或kJ/(kmolK).标准状态标准状态下下1 m3的气体的气体在在可逆过程中可逆过程中温度升高温度升高1K(或或1)所所需要的热量，用需要的热量，用Cp及及CV表示表

24、示。单位为。单位为J/(m3K)或或kJ/(m3K)。热量的计算：热量的计算：Tcqqd212121容积热容容积热容三种热容的关系：三种热容的关系：K)kJ/(kgppmpCMcC4.22,比热容比热容摩尔热容摩尔热容容积热容容积热容仅对理想气体适用仅对理想气体适用K)kJ/(kmolK)kJ/(m3可逆过程可逆过程第一章 基本概念及定义241-8 热力循环热力循环热力循环（循环）：热力循环（循环）：adca-b-cwww循环净功量：循环净功量：循环净热量：循环净热量：adca-b-cqqq正循环正循环逆循环逆循环系统由初始状态出发，经过一系列中间系统由初始状态出发，经过一系列中间状态回到初始状态的封闭的热力过程。状态回到初始状态的封闭的热力过程。可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环第一章 基本概念及定义25本章小结本章小结1.热力学系统热力学系统2.状态参数的特性，基本状态参数状态参数的特性，基本状态参数3.平衡状态平衡状态4.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5.准静态过程，可逆过程准静态过程，可逆过程6.准静态过程的功、热量的定义，公式准静态过程的功、热量的定义，公式7.热力循环热力循环作业作业1-12,1-15,1-17,1-20