工程热力学第五版.

第一章基本概念BasicConcepts本章重点1、热力状态：平衡状态、状态参数、状态方程2、热力过程：准平衡过程、可逆过程几个重要概念•1.工质定义：•实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:3物质三态中气态最适宜。1）膨胀性;2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取2.热源(heatsource;heatreservoir)高温热源（热源--heatsource）低温热源（冷源—heatsink）恒温热源(constantheatreservoir)变温热源定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。53.热能动力装置(Thermalpowerplant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。1、气体动力装置(combustiongaspowerplant)内燃机(internalcombustiongasengine)燃气轮机动力装置(gasturbinepower）喷气动力装置(jetpowerplant)2、蒸汽动力装置(steampowerplant)内燃机§1-1热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象1、系统的定义ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1热力系统外界：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal、imaginary热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系TypesofSystem开口系绝热系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系Adiabaticsystem1234mQW1开口系§1-1热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功Simplecompressiblesystem§1-2状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分Stateandstateproperties状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：22zzxyyx可判断是否是状态参数Totaldifferentials强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数：比容VvmUum比内能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度参数的性质IntensivepropertiesExtensiveproperties强度参数与广延参数速度动能高度位能内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol§1-3基本状态参数压力p、温度T、比容v（容易测量）1、压力p(pressure)物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位Units：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104PaBasicstateproperties压力p测量示意图绝对压力与环境压力的相对值——相对压力注意：只有绝对压力p才是状态参数U-tubemanometerBourdonTube绝对压力与相对压力示意图当ppb表压力peebppp当ppb真空度pvbvppppbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure环境压力与大气压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。环境压力Environmentalpressure大气压力Atmosphericpressurebarometrichbarometer大气压力Atmosphericpressure大气压随时间、地点变化物理大气压1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)()phgdhOtherPressureMeasurementDevices高精度测量：活塞压力计pistonmanometer工业或一般科研测量：压力传感器PressuretransducersPiezoelectriceffect§1-3基本状态参数压力p、温度T、比容v（容易测量）2、温度T(Temperature)Basicstateproperties温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw2总0,T03)T=00.5mw2=0分子一切运动停止，零点能温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计TheZerothLawofThermodynamics如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.Temperaturemeasurement温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度Scale温标TemperaturescaleReferencestate温标Temperaturescale热力学温标（绝对温标）Kelvinscale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用温标之间的关系绝对K摄氏℃华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67温标的换算O[][]273.15TKtCO5[]([]32)9tCtF[][]459.67tFtRTemperatureMeasurementDevices日常：水银温度计，酒精温度计，thermometer工业：热电偶Thermocouple热电阻Resistancetemperaturedetector辐射温度计Radiationthermometer计量：铂电阻温度计Platinum§1-3基本状态参数压力p、温度T、比容v（容易测量）3、比容v(specificvolume)Basicstateproperties[m3/kg]Vvm工质聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]1v§1-4平衡状态Equilibriumstate1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.ManytypesofEquilibrium1、热平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire温差Temperaturedifferential热不平衡势UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium2、力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtimeThevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded压差Pressuredifferential力不平衡势UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium3、相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere4、化学平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.§1-4平衡状态Equilibriumstate温差—热不平衡势压差—力不平衡势相变—相不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials平衡Equilibrium与稳定Steady稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡Equilibrium与均匀Even平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述§1-5状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理Statepostulate闭口系：而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等不平衡势差状态变化能量传递消除一种达到某一消除一种能量不平衡势差方面平衡传递方式简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：N=n+1=绝热简单可压缩系统N=?2只交换热量和一种准静态的容积变化功Thestateofasimplecompressiblesystemiscompletelyspecifiedbytwoindependentproperties状态方程Equationofstate简单可压缩系统：N=2状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系),(Tpfv0),,(Tvpf状态方程的具体形式理想气体的状态方程RTpvpVmRT实际工质的状态方程？？？取决于工质的性质TheIdeal-GasEquationofState座标图diagram简