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工程热力学第一章(2017)


三、强度性参数与广延性参数 按照状态参数与物质数量的关系,状态参数分为 1、强度性参数:系统中单元体的参数值与整个系 统的参数值相同,与质量多少无关,没有相加性。 如温度T、压力p等。 2 、广延性参数:整个系统的某广延参数值等于 各个单元体该广延参数值之和。它们与系统中质 量多少有关,具有相加性。如热力学能U、焓H等
2、温度的微观概念
在物理学中理想气体热力学温度与分子平均动 能的关系式:
m 2
2
3 b T T 2
式中——分子平移运动的平均动能,其中m是一个分子的质 量, 是分子平移运动的均方根速度; b—— 比例常数; b=3k/2, 玻尔兹曼常数,k=1.38x10-23J/K。T——气体的热力 学温度。
2、压力的微观解释: 根据分子运动理论,气体压力是组成气体的大量分 子在紊乱的热运动对容器器壁频繁碰撞的总结果。 对于理想气体,可以得到如下关系式
2 m p n 3 2
2
2 3 n T nT 3 2
n 为分子浓度,即单位容积内含有气体的分子数, n=N/V,k是常数。
3、相对压力和绝对压力
系统与外界不发生任何物质交换和能量传递的系统。
简单可压缩系统
系统与外界只有一种形式的功量交换。只交换热 量和一种准静态的容积变化功。
功的形式:容(体)积变化功,电功,磁功,表 面张力功等。
热力系的选取的重要性和人为性
过热器 锅 炉
汽轮机
只交换功 开口系统 交换功和热 开口系统
只交换热 开口系统
发电机 凝 汽 器 给水泵
(3)热力学温标(开尔文温标)
T,单位为K。
热力学温标规定纯水三相点为基本定点,并指定 为273.16K,每1K为水三相点温度的1/273.16。
各温标之间的关系:
t T 273.15 T 273
5 t (t f 32) 9
朗肯温标:
T (oR) 1.8T ( K )
朗肯温标也是绝对温标, 且与开尔文温标一样具 有相同的绝对零度。
广延性参数除以系统的总质量,即单位质量的广 延参数称为比参数,如比体积、比热力学能等。 比参数是强度参数。
第三节 平衡状态、状态公理及状态方程
问题:(1)用状态参数描述系统是否有条件? (2)状态参数确定,则系统所处状态确定, 判断时是否需要考察所有参数? (3)基本状态参数之间是否存在某种关系。
(三)比体积(比容)
单位质量工质所占的容积称为工质的比体积。
V v m
m / kg
3
单位容积的工质所具有的质量称为工质的密度。 m ρ kg/m3 V 工质的比体积与密度互为倒数。比体积和密度 不是两个独立的状态参数。
v 1
(四) 热力学能(内能)
热力学能是组成系统的大量微观粒子本身所具有的 能量(不包括系统宏观运动的能量和外力场作用的 能量)。u [J/kg 或kJ/kg],U [J 或kJ]
温度表示物质内部大量分子热运动的强烈程度。
3、温标 温度的数值标尺,简称温标。 温标是温度测量的普遍基础。 目前经常使用的主要有三种: 摄氏温标,华氏温标,热力学温标。 (1)摄氏温标,符号为t,单位为oC。 摄氏温标的是指在一个大气压下纯冰的熔点为0oC, 沸点为100oC。
(2)华氏温标,符号tf,单位为oF。 华氏温标规定:在一个大气压条件下,在一个 大气压下纯冰的熔点为32oF,沸点为212oF。
闭口系统
热力系统总结
1 开口系 1
m Q
1+2 闭口系 2 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
W
4
3
非孤立系+相关外界 =孤立系
(二)按系统内部情况的不同可分为
(1) 单相系与复相系
相:系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的 部分。 相与相之间一般有明显的界限。 单相系:由单一相组成的系统。
为什么引入平衡概念? 如果系统平衡,可用一组确切的状态参数(如: 压力、温度等)描述系统。(用状态参数描述系 统的条件)
二、状态公理 问题:是否需判定所有状态参数一定,才能确定 系统状态一定,如果不是,那么需判定几个状态 参数? 状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 式中n中表示传递可逆功的形式,而加1表示能量 传递中的热量传递。
绝对压力:系统的真实压力。 绝对压力可按宏观和微观两个定义式计算得到。
工质的压力往往由压力计来测定。压力计一般只 能测量压差,不能直接测得绝对压力。
相对压力:系统绝对压力与当时当地的环境压力 的差值。 对于处于大气环境的压力计,相对压力是绝对 压力与当时当地的大气压的差值。 当 p > 态特性的各 种物理量。
状态参数的特征: 1、状态确定,则状态参数也确定,反之亦然。 (根本特征)。 状态参数只与所处状态有关,即是点函数。 状态参数的变化量与路径无关,只与初、 终态有关。 2、状态参数的积分特征:
dx x
1
2
2
x1
d x 0
二、 系统分类
(一)按系统与外界的质量和能量交换情况分类:
(1)闭口系统
热力系与外界没有物质交换的系统。 没有质量流入与流出,但可以有能量的输入与输 出,如热量。 (2)开口系统 有物质流穿过边界的系统。 必然伴随着能量交换。
(3)绝热系统 系统与外界没有热量传递的系统。 可以有其他形式能量交换,如功。 (4)孤立系统
是均匀的。 例:金属棒两端被不同温度加热,属于什么状态?
平衡状态、稳定与均匀的联系与区别:
均匀热力系内没有不平衡势存在。所以均匀必平 衡。反之平衡未必各参数都是均匀的(如相平 衡),即平衡未必均匀。所以均匀必平衡,平衡 未必均匀。
平衡状态是无外界影响下宏观性质不随时间变化的 状态,且热力系内无不平衡势差,而稳定是靠外界 影响使热力系宏观性质不随时间变化的状态,且热 力系内部存在不平衡势差,所以稳定未必平衡。平 衡必稳定。
热力学平衡状态的条件: (1)热平衡,√ (2)力平衡,√ (3)相平衡,
热力系内无 不平衡势差。
(4)化学平衡,
……
简单可压缩系统平衡的条件:热平衡和力平衡
平衡的本质:热力系内无不平衡势差(这里指p, t),也是平衡的充要条件。
稳定和均匀状态 稳定状态是指热力系统宏观性质不随时间变化
的状态。 均匀状态是指热力系统中空间一切宏观特性都
基本参数:压力、温度和比体积。
它们可以直接或间接的被测量。
(一)温度
1、温度测量的理论基础——热力学第零定律
热力学第零定律:如两物体分别和第三个物体处 于热平衡,则它们彼此之间也必然处于热平衡。
B 温度计
推论:相互间处于热平衡的系统必然具有一个在数 值上相等的热力学参数来描述这一热平衡特性,这 个参数就是温度。(温度定义) (用温度概念表述)热力学第零定律:当两热力 系各自的温度分别与第三个热力系的温度相等时, 则两热力系的温度也彼此相等。 小结: 热力学第零定律为温度测量提供了基础。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡 的物理量。
各种温标比较
问题:为什么建立热力学温标?
经验温标与绝对温标: 任选一种物质的某一测温属性,采用以上温标 的规定所得到的温标称为经验温标,经验温标依 赖于测温物质的物理性质。 热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物 质的性质的温标,即热力学绝对温标。 工程热力学中采用热力学温度,经验关联式除外。
(五)焓
焓是一个组合的状态参数。
H U pV
h u pv
表示: h [J/kg 或kJ/kg], H [J 或kJ]
(六)熵 熵是一个导出状态参数。
q r ev ds T
式中:qrev为工质在微小可逆过程中与热源交换 的热量;T是传热时工质的热力学温度[K]。单位: [kJ/(kg· K)]
复相系:有两个相以上组成的系统。
例:液相——单相系,汽液相——复相系
(2) 单元系和多元系 单元系: 由一种化学成分组成的系统。 多元系:由两种以上不同化学成分的系统。 纯物质就属于单元系,例如:纯水等。 单元系可以是单相系(液态水)或者多相系 (汽液两相)。
吸收式制冷系统使用的氨-水和溴化锂-水溶液则 属于多元系。 注意:对于化学性质稳定的混合物,常当作纯物 质对待。如不发生相变时的空气。
例:判别dz=2xydx+x2dy是否是状态参数 解:令M=2xy,N=x2,
������������ ������������ = ������������ ������������
则二者相等,因此z为状态参数。
二、状态参数 常用的参数:压力,比体积或密度,温度,热力 学能,焓和熵,还有火用、自由能和自由焓等。
这些将在这节给予回答。
一、平衡状态
(热力学)平衡状态是指热力系统在没有外界影响 的情况下宏观性质不随时间变化的状态。
外界影响是指热力系统与外界的能量交换和物质交 换,而不是指恒定的外场(如重力场)的作用。 热力学平衡包括: (1)热平衡,(2)力平衡, (3)相平衡,(4)化学平衡,等。
热平衡:在热力系统内的各部分之间不存在温度 差。(温度定义) 力平衡:在热力系统内的各部分之间不存在压力 差。(力学概念) 相平衡:物质在各相之间达到平 衡时,在各相之间没有物质的净 转移。即达到平衡后各相的组成 和数量不随时间而改变。 忽略气、液体深度产生的压差。
(3) 均匀系和非均匀系 均匀系:成分和相在整个系统空间呈均匀分布。 否则为非均匀系。
第二节 工质的热力状态和状态参数
问题:前面介绍了热力系统,那么如何描述系统? 用状态参数来描述系统。
一、状态与状态参数
(热力)状态:指系统在瞬间所呈现的全部宏观性 质的总称。
热力状态反映着大量分子热运动的平均特性。
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