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工程热力学基本概念

平衡的中间态过渡到另一个平衡态 突然去掉重物 每次只去掉无限薄一层
p0
p0
p0
p
p
p p
p
p 1.
1.
1.
.
.
v
2
.
2 v
.
2
v
实现准平衡过程的条件: 热力系与外界势差(温差、压差等)无限小。 准平衡过程又称准静态过程、内平衡过程。 准平衡过程在坐标图上可用连续曲线表示。
非准态过程在坐标图上 可用一虚线来示意,但虚线 上各点不表示系统的实际状 态点。
I. 非平衡过程 II. 有摩擦的准静态过程
III. 可逆过程

实现可逆过程的条件: 1)准静态过程 2)无耗散效应
实际过程都是 不可逆过程 不平衡势差无限小
问题: 准平衡过程与可逆过程的区别和联系:
准平衡过程只要求系统内部平衡,不排斥耗 散效应。 可逆过程不仅要求系统内部平衡,而且要求 工质和外界可以无条件地逆复,过程进行时不存 在任何能量耗散。 可逆过程必是准平衡过程。准平衡过程只是 可逆过程的必要条件之一。 无任何耗散效应的准静态过程是可逆过程, 反之亦然。
1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 Pa
标准大气压(atm , 1atm=101325 Pa)
巴(bar,1bar=105Pa)
工程单位: 工程大气压(at) 毫米汞柱(mmHg) 毫米水柱(mmH2O) 单位变换 参见表1-1
压力计测压元 件处于某种环 境压力作用下, 因此测得的压 力是真实压力 与环境压力之 差。 绝对压力p ——工质的真实压力 表压力pe —— pe= p - pb (p > pb) 真空度pv
两过程初、终态 相同,但中间途 径不同,因而膨 胀功不同。
二、过程热量
热力系统与外界之间由于温度 不同而通过边界传递的能量。
对m kg工质,单位:J,kJ。 用 Q 表示。 对1 kg工质,单位:J/kg,kJ/kg。 用 q 表示。 规定:热力系吸热为正,放热为负。 可逆过程热量计算:
符号:T 单位:K (开尔文) (又称:绝对温标、 规定水的三相点温度为273.16K 开尔文温标)
其他温标,参见习题1-1、1-2
二、压力
F 压力(压强):单位面积上所受的垂直作用力 p A
压力计:测量工质压力的仪器。 常见的有U型管压力计和弹簧管压力计。
国际单位: 帕斯卡(帕) Pa 1 Pa=1N/m2
摩擦生热
p0 F
G p p = p0+F+G
二、可逆过程和不可逆过程
准平衡过程着眼于系统内部平衡,不排斥耗散效应。 引入一个更 彻底的理想 化过程
可逆过程
可逆过程的特征: 如果系统完成某一热力过程后,再沿原来路径 逆向运行时,能使系统和外界都返回到原来的状态, 而不留下任何变化,则这一过程称为可逆过程,否 则为不可逆过程。
解: p p
I
g ,C
pb 110 97 207kPa
pI pg , B pII
pII pI pg ,B 207 75 132kPa
pII pg , A pb
pg , A pII pb 132 97 35 kPa
思考判断题
1、如果容器中气体的压力保持不变,那么压力表 的读数一定也保持不变。 2、作为工质状态参数的应是绝对压力,还是表压 力(或真空度)?
——
p v= p b - p ( p < p b)
pe p pb pv p
当p pb时, p pb pe 当p pb时, p pb pv

某容器被一刚性壁分成两部分,在容器的不同部 位安装有压力计,如图所示,设大气压力为97kPa。
若压力表B、C的读数分别为 75kPa、0.11MPa,确定表A的读数 及两部分气体的绝对压力。
思考题
有人说,不可逆过程是热力系无法恢 复到初始状态的过程,这种说法对吗? 为什么? X
1-5 过程功和热量
功:力和力方向上位移的乘积。 一、准静态过程功
m kg 工质: W=
W Fdx
2 1
W12 Fdx
A pA dx =pdV
2
W pdV
1
p
p外
1 kg 工质: w =pdv
第一章 基本概念
1-1 热力系统
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
1-4 准静态过程和可逆过程
1-5 过程功和热量
1-6 热力循环
1-1
热力系统
人为分割出来作为热力学 分析对象的有限物质系统 热力系统以外的部分 系统与外界之间的分界面
热力系统 (热力系)
外界 界面(边界)
物质交换 能量交换
根据热力系与外界的相 互作用,热力系分为:
热量交换 功量交换
闭口系——和外界无物质交换(控制质量)
开口系——和外界有物质交换(控制容积、控制体) 绝热系——和外界无热量交换 孤立系——和外界无任何相互作用

m W 4
Q
1 开口系 1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
由可压缩流体构成
与外界交换的能量 只有热量和准静态容 积变化功
T、p、v、u、h、s两两相互独立
例如,以压力和温度为独立变化的状态参数时,
u f1 p, T s f 3 p, T
v f ( p, T )
h f 2 p, T
状态方程:三个可直 接测量的基本状态参 数间的关系
w pdv
1
2
体积变化功:通过工质体 积变化而和外界交换的功 包括膨胀功和压缩功
准静态过程功可用p-V图中 曲线下的面积表示。
p
1.
示功图 W
W
功为过程量,因其不仅与初终 态相关,且与过程相关。 过程量的微元用表示,状态 量的微元用d表示。积分后结果 不同。 w 1 pdv 仅适用于准静态 过程(包括可逆过程),非准静态 过程不可用,虚线下面积亦非功。
思考题
1、温度高的物体比温度低的物体具有更多的 热量,这种说法对吗?
2、热量是指储存于物体内部的热能量。
X
X
3、温度、压力、体积、膨胀功、热量中,哪 些是状态量,哪些是过程量?
判断对错
1、某过程可在p-v图中用实线表示,则必为准静态过程

2、某过程可在p-v图中用实线表示,则必为可逆过程。 X
3、某过程如图所示,则曲线
1
2
3
非孤立系+ 相关外界 =孤立系
判断题
1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。 2、孤立系一定是绝热闭口系。 3、绝热闭口系一定是孤立系。
X √ X
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
状态:工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况
状态参数:描述工质所处状态的宏观物理量
热力学中常用的6个状态参数:
系统与外界 通过边界进 行相互作用
热力系的选取主要决定于研究任务 。 选取热力系时注意: 热力系可以很大,但不能大到无限。
热力系可以很小,但不能小到只包含少量分子, 以致不能遵守统计平均规律。 边界可以是实际存在的, 也可以是假想的。 边界可以是固定的, 也可以是变动的。
系统与外界通过边界进行相互作用。
.2
dV p V

2
1.
.2
V
规定:热力系对外做功为正,外界对热力系 做功为负。
功的单位 :J, kJ ; 比功的单位: J/kg, kJ/kg
闭口系工质膨胀作出的功,一部分因摩擦而耗散, 一部用以反抗大气压力作功,余下的才是可被利用的 功,称为有用功。
Wu W Wr Wl
q Tds
q12 Tds
1 2
可逆过程热量可用T-s图 中曲线下面积表示。
热量为过程量,因其不 仅与初终态相关,且与过 程相关。
o 功和热量是过程量。只有在能量传递或转换 过程中才有功和热量。 o 说物系在某状态下有多少功或多少热量是 无意义的、错误的。
区分:过程量和状态量。
1 1, a , 2
2
dx

1,b , 2

2
1
dx x2 x1
dx 0
状态参数的循环 积分等于零。
状态参数都有以上特性。 反之,有以上特性之一, 即为状态参数。
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态 热力系在没有外界作用的情况下(重力场除 外),宏观性质不随时间变化的状态。
p
1.
下面积表示膨胀功。
X
2 .
V p
4、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。 X
5、可逆过程肯定是准静态过程。 √
. 1
b
6、如右图所示,有
w1a 2 w1b2 , T1a 2 T1b2
X
a
.
2 v
1-6 热力循环
要实现连续作功,必须构成循环。 热力循环:热力系经过一系列变化回到初态,这一系 列变化过程称为热力循环。 循环分类: 根据过程是否可逆: 可逆循环: 热力循环全部由可 逆过程组成 热力循环全部 或部分由不可 逆过程组成 锅 炉 汽轮机 发电机 凝 汽 器
F(p, v, T)= 0
三、状态参数坐标图 简单可压缩系统的平 衡(均匀)状态可用 两个相互独立的状态 参数来确定
由任意两个相互独立的 状态参数构成的平面坐 标系中的任意一点相应 于热力系的某一平衡 (均匀)状态
坐标图上一点代表一平衡状态
不平衡态无法在坐标图上表示
热力学中常用:
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