1、1,第一章基本概念,BasicConceptsandDefinition,1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程,1-2熱力系統(tǒng),1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),1-4平衡狀態(tài),1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程,1-6功和熱量,1-7熱力循環(huán),2,一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant),定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。,分類(lèi),共同本質(zhì)：由媒介物通過(guò)吸熱膨脹作功排熱,氣體動(dòng)力裝置(combustiongaspowerplant)內(nèi)燃機(jī)(internalcombustiongasengine)燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gasturbinepowerplant)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jet

2、powerplant)蒸氣動(dòng)力裝置(steampowerplant),1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程,3,二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium),定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。,對(duì)工質(zhì)的要求:,物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。,1）膨脹性,2）流動(dòng)性,3）熱容量,4）穩(wěn)定性，安全性,5）對(duì)環(huán)境友善,6）價(jià)廉，易大量獲取,4,三、熱源(heatsource;heatreservoir),定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。,高溫?zé)嵩礋嵩矗╤eatsource）低溫?zé)嵩蠢湓矗╤eatsink）恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)變溫?zé)?/p>

3、源,5,1-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）外界和邊界,系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system),人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,外界(surrounding)：,與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。,邊界(boundary)：,系統(tǒng)與外界的分界面（線）。,一、定義,6,二、系統(tǒng)及邊界示例,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī),7,汽缸-活塞裝置（閉口系例）,8,移動(dòng)和虛構(gòu)邊界,9,1）系統(tǒng)與外界的人為性2）外界與環(huán)境介質(zhì)3）邊界可以是：a）剛性的或可變形的或有彈性的b）固定的或可移動(dòng)的c）實(shí)際的或虛擬的,注意：,10,三、熱力系分類(lèi),按組元數(shù)單元系(onecomponentsystem;

4、puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem),按相數(shù)單相系(homogeneoussystem)復(fù)相系(heterogeneoussystem),注意：1）不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；2）復(fù)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(tài)。,1.按組元和相,11,閉口系（closedsystem）（控制質(zhì)量CM）沒(méi)有質(zhì)量越過(guò)邊界,開(kāi)口系（opensystem）（控制體積CV）通過(guò)邊界與外界有質(zhì)量交換,2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換,12,1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；2）開(kāi)口系與絕熱系的關(guān)系；3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。,注意：,4.簡(jiǎn)單可壓縮系（simpl

5、ecompressiblesystem）由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。,絕熱系（adiabaticsystem）與外界無(wú)熱量交換;孤立系（isolatedsystem）與外界無(wú)任何形式的質(zhì)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(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲,紅線內(nèi)閉口絕熱系,黃線內(nèi)不包含電熱絲閉口系,黃線內(nèi)包含電熱絲閉口絕熱系,蘭線內(nèi)孤立系,14,閉口系,2剛性絕熱噴管,取紅線為系統(tǒng),取噴管為系統(tǒng),開(kāi)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(lái)”,A,B,A部落為系統(tǒng),A+B部落為系統(tǒng)孤立系,閉口系,16,1-3工

6、質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù),熱力學(xué)狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量,1狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如,一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù),二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類(lèi),17,2狀態(tài)的單值函數(shù)。物理上與過(guò)程無(wú)關(guān)；數(shù)學(xué)上其微量是全微分。,3狀態(tài)參數(shù)分類(lèi)廣延量（extensiveproperty）強(qiáng)度量（intensiveproperty）,又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性，如比體積,工程熱力學(xué)約定用小寫(xiě)字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。,18,三、

7、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件,系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：所有狀態(tài)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)相等簡(jiǎn)單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等,19,四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemperaturescale）,溫度的定義：測(cè)溫的基礎(chǔ)熱力學(xué)零定律(zerothlawofthermodynamics)熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale),20,華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo),華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo),附：,TR=t+459.67

8、,t=5/9t-32t=9/5t+32,21,五、壓力(pressure),絕對(duì)壓力p(absolutepressure)表壓力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure),當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure),22,常用壓力單位：,例A4001441,例A4002771,23,六、比體積和密度,比體積(specificvolume),單位質(zhì)量工質(zhì)的體積,密度(density),單位體積工質(zhì)的質(zhì)量,兩者關(guān)系:,24,1-4平衡狀態(tài),1定義：無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而

9、改變的狀態(tài),熱平衡（thermalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。,力平衡（mechanicalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。,熱力平衡的充要條件系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。,一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）,25,討論：,1）系統(tǒng)平衡與均勻,2）平衡與穩(wěn)定,平衡可不均勻,穩(wěn)定未必平衡,26,*二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）,n系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)；f系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。,簡(jiǎn)單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式,27,三、純物質(zhì)的狀

10、態(tài)方程（puresubstancestateequation）,狀態(tài)方程,1理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyronsequation）,Rg氣體常數(shù)（gasconstant）,R通用氣體常數(shù)（universal(molargasconstant),摩爾質(zhì)量,28,實(shí)際氣體(realgas;imperfectgas)的狀態(tài)方程,范德瓦爾方程,（a,b為物性常數(shù)）,R-K方程,（a,b為物性常數(shù)）,29,BWR方程,維里型方程,30,四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordinates）,一簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，

11、反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,p,T,3,p3,T3,O,O,O,31,附：純物質(zhì)的p-v-T圖,32,水p-v-T圖,33,一、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess),定義：偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過(guò)程。,進(jìn)行條件：破壞平衡的勢(shì),過(guò)程進(jìn)行無(wú)限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示,無(wú)窮小,1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程,34,二、可逆過(guò)程(reversibleprocess),定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來(lái)狀態(tài)而在外界不留下任何變化

12、的過(guò)程。,可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系,非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆,單純傳熱過(guò)程,35,非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(nonequilibriumprocess),準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆,作功過(guò)程,p,F,f,pb,36,1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果3.一切實(shí)際過(guò)程不可逆4.內(nèi)部可逆過(guò)程的概念5.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示,討論：,37,一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功,1功的力學(xué)定義,2功的熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。,3可逆過(guò)程功的計(jì)算,功是過(guò)程量,功可以用p-v圖上過(guò)程線與v軸包

13、圍的面積表示,1-6功和熱量,38,系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”,5功和功率的單位：,附：,4功的符號(hào)約定：,39,6討論,有用功(usefulwork)概念,其中:W膨脹功(compression/expansionwork)；Wl摩擦耗功；Wp排斥大氣功。,pb,f,例A7001331,40,用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功,?,41,二、廣義功(generalizedwork)簡(jiǎn)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(guò)邊界傳遞的能量。,2符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”,3單位：,4計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖,熱量是過(guò)程量

14、,（T-s圖上）表示,43,四、熱量與功的異同：,1.均為通過(guò)邊界傳遞的能量；,3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；,4.功是物系間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。,功,2.均為過(guò)程量；,熱是無(wú)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(guò)程性質(zhì)。,逐個(gè)抽去隔板，又如何？,45,1-7熱力循環(huán),一、定義：封閉的熱力過(guò)程特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值，即,二、可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)(reversiblecycleandirreversiblecycle),46,三、動(dòng)力循環(huán)（正向循環(huán)）（powercycle;directcycle）,輸出凈功；在pv圖及Ts圖上順時(shí)針進(jìn)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(huán)(reversecycle)制冷循環(huán)(r