热工基础张学学.pptx

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1、1热力系统：热力系统：在在工工程程热热力力学学中中，通通常常选选取取一一定定的的工工质质（或或空空间间）作作为为研研究的对象，称之为究的对象，称之为热力系统热力系统，简称，简称系统系统。系统以外的物体称为系统以外的物体称为外界外界或或环境环境。系统与外界之间的分界面称为系统与外界之间的分界面称为边界边界。边界边界闭口闭口系统系统（1）闭闭口口系系统统：与与外外界界无无物物质质交交换换的的系系统统。系系统统的的质质量量始始终终保保持持恒恒定定，也也称称为为控控制质量系统制质量系统。外界外界第1页/共22页2（2）开开口口系系统统：与与外外界界有有物物质质交交换换的的系系统统。系系统统的的容容积积

2、始始终终保保持持不不变变，也也称称为为控控制容积系统制容积系统。（3）绝绝热热系系统统：与与外外界界没没有热量交换的系统。有热量交换的系统。（4）孤孤立立系系统统：与与外外界界既既无无能能量量（功功量量、热热量量）交交换换又无物质交换的系统。又无物质交换的系统。进口进口出口出口第2页/共22页31-2 1-2 平衡状态及基本状态参数平衡状态及基本状态参数1.1.平衡状态平衡状态（1 1）状态（热力状态）状态（热力状态）系系统统在在某某一一瞬瞬间间所所呈呈现现的的宏宏观观物物理理状状况况，称称为为系系统统的的热力状态，简称状态。热力状态，简称状态。（2 2）平衡状态）平衡状态系系统统内内部部各各

3、处处的的宏宏观观性性质质均均匀匀一一致致、不不随随时时间间而而变变化化的状态，称为平衡状态。的状态，称为平衡状态。系系统统内内部部不不存存在在热热量量传传递递，即即各各处处的的温温度度均均匀匀一一致致的的状态称为状态称为热平衡状态热平衡状态。第3页/共22页4（3）状态参数）状态参数用用于于描描述述系系统统平平衡衡状状态态的的物物理理量量称称为为状状态态参参数数，如如温温度度、压力压力、比体积比体积等。等。状状态态参参数数的的特特点点：当当状状态态确确定定时时，状状态态参参数数的的数数值值也也随随之确定；反之亦然。之确定；反之亦然。（4）非平衡状态）非平衡状态系系统统内内部部存存在在不不平平衡

4、衡势势（温温差差或或压压差差），因因此此存存在在能能量量或质量传递的宏观物理状况。或质量传递的宏观物理状况。非平衡状态不能用状态参数来描写非平衡状态不能用状态参数来描写。第4页/共22页5 2.基本状态参数基本状态参数工工程程热热力力学学中中常常用用的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比比体体积积、比热力学能比热力学能、比焓比焓、比熵比熵等。等。其其中中可可以以直直接接测测量量的的状状态态参参数数有有压压力力、温温度度、比比体体积积，称为称为基本状态参数基本状态参数。第5页/共22页6（1）压力）压力单单位位面面积积上上所所受受到到的的垂垂直直作作用用力力（即即压压强强）。单单位位为为

5、Pa（帕帕），），1 Pa=1 N/m2。压力测量压力测量：绝对压力绝对压力 p；大气压力大气压力 pb；表压力表压力 pe；真空度真空度 pv。只有绝对压力只有绝对压力 p 才是状态参数。才是状态参数。当绝对压力当绝对压力 p 高于高于大气压力大气压力 pb 时，有：时，有：p=pb+pe当绝对压力当绝对压力 p 低于低于大气压力大气压力 pb 时，有时，有：p=pb pv第6页/共22页7（2）温度）温度1）温度的物理意义）温度的物理意义温温度度是是反反映映物物体体冷冷热热程程度度的的物物理理量量。温温度度的的高高低低反反映映物物体体内部微观粒子热运动的强弱。内部微观粒子热运动的强弱。当当

6、两两个个温温度度不不同同的的物物体体相相互互接接触触时时，它它们们之之间间将将发发生生热热量量传传递递，如如果果没没有有其其它它物物体体影影响响，这这两两个个物物体体的的温温度度将将逐逐渐渐趋趋于于一一致致，最最终终将将达达到到热热平平衡衡（即即温温度度相相等等）。所所以以温温度度是是热热平衡的判据平衡的判据。温度相等温度相等热平衡热平衡温度的测量是以热力学第零定律为依据的。温度的测量是以热力学第零定律为依据的。第7页/共22页8 2）热力学第零定律）热力学第零定律如如果果两两个个物物体体中中的的每每一一个个都都分分别别与与第第三三个个物物体体处处于于热热平平衡衡，则则这这两个物体彼此也必处于

7、热平衡。两个物体彼此也必处于热平衡。ABC3）温标）温标（即：温度的数值表示法）即：温度的数值表示法）建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：选择温度的固定点，规定其数值；选择温度的固定点，规定其数值；选择某种随温度变化的物性作为温度测量的依据；选择某种随温度变化的物性作为温度测量的依据；确定确定温度标尺的分度方法和单位。温度标尺的分度方法和单位。第8页/共22页9摄氏温标摄氏温标:瑞瑞典典天天文文学学家家摄摄尔尔修修斯斯（Celsius）于于1742年年建建立立。用用摄摄氏氏温温标标确确定定的的温温度度称称为为摄摄氏氏温温度度，用用符符号号t 表表示示，单单位位为为。规规定定：在在标标准准大

8、大气气压压下下，纯纯水水的的冰冰点点温温度度为为0，纯纯水的沸点温度为水的沸点温度为100；选选择择水水银银的的体体积积作作为为温温度度测测量量的的物物性性，认认为为其其随随温温度度线性变化；线性变化；将将0100温温度度下下的的体体积积差差均均分分成成100份份，每每份份对对应应1。纯纯水水的的三三相相点点（固固、液液、汽汽三三相相平平衡衡共共存存的的状状态态点点）温温度为度为0.01。第9页/共22页10热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）:英英国国物物理理学学家家开开尔尔文文（Kelvin）在在热热力力学学第第二二定定律律基基础础上上建立，也称开尔文温标。建立，也称开尔文温标。用

9、用热热力力学学温温标标确确定定的的温温度度称称为为热热力力学学温温度度，用用符符号号T 表表示示，单位为单位为 K（开）。（开）。热热力力学学温温标标取取水水的的三三相相点点为为基基准准点点，并并定定义义其其温温度度为为273.16 K。温差。温差1K相当于水的三相点温度的相当于水的三相点温度的1/273.16。热力学温标与摄氏温标的关系热力学温标与摄氏温标的关系：t=T 273.15 K温差：温差：1 K=1 国际单位制（国际单位制（SI）采用热力学温度）采用热力学温度T 作为基本状态参数。作为基本状态参数。第10页/共22页11（3）比体积）比体积定定义义：单单位位质质量量的的工工质质所所

10、占占有有的的体体积积，用用符符号号v表表示示，单位为单位为 m3/kg。密密度度：单单位位体体积积的的工工质质所所具具有有的的质质量量，用用符符号号 表表示示，单位为单位为 kg/m3。比比体体积积和和密密度度二二者者相相关关，通通常常用用比比体体积积作作为为状状态态参参数数。第11页/共22页121-3 1-3 状态方程与状态参数坐标图状态方程与状态参数坐标图（1）状态公理）状态公理对对于于和和外外界界只只有有热热量量和和体体积积变变化化功功（膨膨胀胀功功或或压压缩缩功功）的的简简单单可可压压缩缩系系统统，只只需需两两个个独独立立的的参参数数（如如p、v；p、T 或或v、T）便可确定它的）便

11、可确定它的平衡状态平衡状态。（2）状态方程式）状态方程式表示状态参数之间关系的方程式称为表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式状态方程式。如：。如：第12页/共22页13（3）状态参数坐标图）状态参数坐标图以独立的状态参数为坐标的坐标图。以独立的状态参数为坐标的坐标图。在在以以两两个个独独立立状状态态参参数数为为坐坐标标的的平平面面坐坐标标图图上上，每每一一点点都都代代表表一一个个平衡状态平衡状态。第13页/共22页141-4 1-4 准平衡过程和可逆过程准平衡过程和可逆过程（1）热力过程）热力过程系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。（2）准平衡

12、过程（准静态过程）准平衡过程（准静态过程）所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。在系统内外的在系统内外的不平衡势不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢的情况下，可将实际过程近似看作准平衡过程。程进行较慢的情况下，可将实际过程近似看作准平衡过程。在状态参数坐标图上，准在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续平衡过程可以近似地用连续的实线表示。的实线表示。pv12第14页/共22页15（3）可逆过程）可逆过程如果系统完成了某一过程如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到之后可以沿原路逆行回复到

13、原来的状态，原来的状态，并且不给外界并且不给外界留下任何变化留下任何变化，这样的过程，这样的过程为为可逆过程可逆过程。实实际际过过程程都都是是不不可可逆逆过过程程，如如传传热热、混混合合、扩扩散散、渗渗透透、溶解、燃烧、电加热等。溶解、燃烧、电加热等。可可逆逆过过程程是是一一个个理理想想过过程程。可可逆逆过过程程的的条条件件：准准平平衡衡过过程程无耗散效应无耗散效应。第15页/共22页161-5 1-5 功量与热量功量与热量 1.功量与示功图功量与示功图(1)膨胀功膨胀功工质在体积膨胀时所作工质在体积膨胀时所作的功称为膨胀功。符号为的功称为膨胀功。符号为W，单位为，单位为J 或或kJ。对于微元

14、可逆过程：对于微元可逆过程：对于可逆过程对于可逆过程12：第16页/共22页17单单位位质质量量工工质质所所作作的的膨膨胀胀功功用用符符号号 w 表表示示，单单位位为为J/kg 或或 kJ/kg。膨胀：膨胀：dv 0，w 0；压缩：压缩：dv 0，w 0；系统放热时；系统放热时q 0。热热量量和和功功量量都都是是系系统统与与外外界界在在相相互互作作用用的的过过程程中中所所传传递递的的能量能量，都是过程量都是过程量而不是状态量。而不是状态量。第18页/共22页19 （2）比熵）比熵 在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式具有相同的形式

15、。具有相同的形式。功量功量：热量热量：s 称为称为比熵比熵。比熵比熵同同比体积比体积 v 一样，是工质的状态参数。一样，是工质的状态参数。比熵的定义式比熵的定义式：（可逆过程）（可逆过程）即：在微元可逆过程中，工质比熵的变化等于单位质量工即：在微元可逆过程中，工质比熵的变化等于单位质量工质与外界所交换的热量除以工质的热力学温度所得的商。质与外界所交换的热量除以工质的热力学温度所得的商。比熵的单位为比熵的单位为J/(kgK)或或 kJ/(kgK)。第19页/共22页20 对于质量为对于质量为m的工质：的工质：S为质量为为质量为m的工质的熵，单位是的工质的熵，单位是J/K。根根据据比比熵熵（或或熵

16、熵）的的变变化化，可可以以判判断断一一个个可可逆逆过过程程中中系系统与外界之间热量交换的方向：统与外界之间热量交换的方向：当当ds0时，则时，则 q0，系统吸热系统吸热；当当ds0时，则时，则 q0，系统放热系统放热。当当ds0时，则时，则 q0，系统绝热系统绝热，定熵过程定熵过程。第20页/共22页21 （3）示热图）示热图（T-s图图）在在可可逆逆过过程程中中，单单位位质质量量工工质质与与外外界界交交换换的的热热量量，可可以以用用T-s 图图（温温熵熵图图）上上过程曲线下的面积来表示。过程曲线下的面积来表示。温熵图也称为示热图。温熵图也称为示热图。第21页/共22页22感谢观看！感谢观看！第22页/共22页