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第一章 基本概念(A)


Open system
热力系统选取的人为性
热力系的选取完全是按照人为的目的进行的。
锅 炉 boiler
过热器 (reheater)
汽轮机(turbine)
只交换功
发电机(generator)
凝汽器 (condenser)
既交换功 也交换热
只交换热
给水泵(pump)
2、边界特性
(Characteristics of Boundary)
⑵热力学最常见的功 容积变化功 :膨胀功 或压缩功。
混合过程
Unrestrained expansion
Mixing process
•• • • ••
• •• •••
真空
•• ••
• ••
★ ★★ ★
★ ★ ★
•• • •
••
•• ••
★★ ★ ★

★ ★
electric resistance(电阻)
inelastic deformation of solid(固体的塑性 变形)
由于机器及工质没有任何耗散 损失,过程终了将使工质及机 器都回复到各自的初始状态。 故是可逆过程。
(2)可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 耗散效应 或势差无限小
不平衡势差 不可逆根源
耗散效应
通过摩擦使功
变热的效应 (摩阻,电阻, 非弹性变形, 磁阻等)
⑶引入可逆过程的意义
准静态过程是实际过程的理想化过程, 但并非最优过程,可逆过程是最优过程。
可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达,可不考虑系统与外界 的复杂关系,易分析。
实际过程不是可逆过程,但为了研究方 便,先按理想情况(可逆过程)处理, 用系统参数加以分析,然后考虑不可逆 因素加以修正。
常见的不可逆过程
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
恢复平衡所需时间
(外部作用时间) >>
(驰豫时间)
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
例如:气缸活塞系统,气体分子运动的速度极大。 在0℃时,H2 的均方根平移运动速度达1828m/s,N2分子达 493 m/s,O2分子达461 m/s. 气体内部的压力传播速度也很大,通常达每秒几百米。 而活塞移动的速度通常不足10 m/s。
比参数:
vV m
比容
uU m
比热力学能
h H m
比焓
单位:/kg 具有强度参数的性质
s S m
比熵
§1-3 基本状态参数
(Basic State Properties)
压力 p、温度 T、比容 v (容易测量)
1、压力 p (Pressure ) ⑴ 物理中压强,单位: Pa , N/m2 ⑵常用单位:
⑴定义
系统经历某一过程后,如果能使系统与外界同 时恢复到初始状态,而不留下任何痕迹,则此过程 为可逆过程。
注意:可逆过程只是指可能性,并不是指必须 要回到初态的过程。
若假想机器内部没有摩擦, 工质内部也没有摩阻。工质膨 胀对外所作的功全部用来推动 飞轮,以动能的形式全部储存 在飞轮中。
当活塞逆行时,飞轮中储存的 能量逐渐释放出来用于推动活 塞沿工质原过程线逆向进行一 个压缩过程。
固定、活动
真实、虚构
3、热力系统分类 (Types of systems)
⑴以系统与外界关系划分:

是否传质
开口系
是否传热
非绝热系
是否传功
非绝功系
是否传热、功、质 非孤立系
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
⑵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
单元系 多元系
单相
相态 多相
[kg/m3]
§1-4 平衡状态
Equilibrium State
1、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。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
2、平衡的充要条件:系统内部及系统与外界 之间不存在不平衡势
稳定不一定平衡,但平衡一定稳定
4、平衡与均匀Even的比较
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
5、为什么引入平衡概念?
如果系统平衡,可用一组确定的参数 (压力、温度)描述
§1-5 状态方程、坐标图
1、状态公理 (The State Postulate)
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
§1-2 工质状态和状态参数
State and State Properties of working medium
1、状态定义:某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 2、状态参数定义:描述热力系状态的物理量,
如p,v,T,u , h , s等。
3、状态参数的特征: ⑴状态确定,则状态参数也确定,反之亦然
t T K 273.15
华氏温标Fahrenheit scale 和摄氏温标
tc 5 t F 32 9
t F 9 tc 32 5
3、比容v (Specific volume )
vV m
[m3/kg]
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度
v 1

chemical reactions(化学反应)
1、定义
§1-7 功 量
(Work)
⑴力学定义: 力 在力方向上的位移 ⑵热力学定义
指热力系通过边界和外界进行的机械能的交换 量。J,J/kg
例:火力发电装置
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
给水泵
2、功的表达式
⑴功的一般表达式
w Fdx w Fdx
想确切描述某个热力系,是否 需要所有状态参数?
状态公理:对组元一定的闭口系,独 立状态参数个数 N=n+1
独立参数数目N =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1
n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
简单可压缩系统:N = n + 1 = 2 绝热简单可压缩系统 N = ?
⑶绝对压力与相对压力
Absolute pressure and relative pressure
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe
Gage pressure
真空度 pv
Vacuum pressure
p pe pb p pb pv
pe
p
pv
pb
p
⑷环境压力与大气压力
Environmental pressure and Atmospheric
设 z =z (x , y) dz是全微分
dz


z x

y
dx


z y

x
dy
充要条件:
2z 2z xy yx
可判断是否是状态参数
4、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、比体积v,密度
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
⑵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
⑶状态参数的微分特征:全微分
状态参数的积分特征
状态参数变化量与路径无关,只与初终 态有关。
数学上:
2
2
2
a 1
dz dz dz z2 z1
2
1 1,a 1,b
b
dz 0 例:温度变化
状态参数的微分特征
3、平衡Equilibrium与稳定Steady 稳定:参数不随时间变化,但可能有外界作用。 例如,教室内与教室外
稳定不一定平衡,但平衡一定稳定
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+环 境)为系统,又如何?
⑶压力表3测得的是B室的相对压力,故
pg3 pB pb
⑸其它压力测量方法
高精度测量:活塞式压力计 工业或一般科研测量:压力传感器
活塞式压力计
压力传感器
2、温度Temperature
⑴定义:是描述热力平衡系统冷热状况的 物理量。从微观上,温度是标志物质内部 大量分子热运动的强烈程度的物理量。
1、准静态过程
(Quasi-static or Quasi-equilibrium process)
⑴热力学引入准静态(准平衡)过程?
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
无法简单描述
⑵定义
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0
p,T
突然去掉重物
最终
p2 = p0
T2 = T0
p
1.
.
2 v
p1 = p0+重物 T1 = T0

Frequently encountered irreversibilities
不等温传热 Heat transfer
节流过程 (阀门) Throttler
T1
Q
T1>T2
p1
p2
T2
p1>p2
常见的不可逆过程
Frequently encountered irreversibilities
自由膨胀
p0
p,T
假如重物有无限多层 每次只去掉无限薄一层 系统随时接近于平衡态
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