【工程熱力學(xué)講義大全】

1、【工程熱力學(xué)講義大全】緒論 問(wèn)題：本課程是什么？干什么？有什么特點(diǎn)？一、 能源和動(dòng)力工程1、能源：人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)資源稱(chēng)為能源。人們的衣、 食、住、行，時(shí)時(shí)處處都離不開(kāi)能源。從某個(gè)角度來(lái)講，人類(lèi)的發(fā) 展史就是開(kāi)發(fā)和利用能源的歷史。而開(kāi)發(fā)和利用能源的先進(jìn)程度是 社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志。2、能源的利用 ：能源的利用方式可分為兩種，一是 直接利用 ，即將 自然界的能源不經(jīng)過(guò)形態(tài)轉(zhuǎn)換而利用。如曬太陽(yáng)、風(fēng)車(chē)、水車(chē)等。 自然界現(xiàn)有形態(tài)的能源稱(chēng)為 一次能源 。二是間接利用 ，將一次能源 經(jīng)過(guò)形態(tài)轉(zhuǎn)換再利用。如火力發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)等。這樣的能源稱(chēng)為 二 次能源 。在能源利用的發(fā)展史中，先是一次利用，后來(lái)發(fā)展二次利

2、 用，電能的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的。從節(jié)能和環(huán)保的觀點(diǎn)出發(fā)，能源一 次利用方式并非落后和將被淘汰，應(yīng)當(dāng)發(fā)展。3、動(dòng)力工程 ：由熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置稱(chēng)為 熱機(jī) ，所有熱機(jī)（蒸 汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽動(dòng)力裝置等）稱(chēng)為動(dòng)力工程。工程熱力學(xué)1、主要內(nèi)容：基本概念；基本理論；基本工質(zhì)；熱力過(guò)程；熱力循 環(huán)。工程熱力學(xué)是研究熱功轉(zhuǎn)換及其規(guī)律的科學(xué)。早期是隨著熱機(jī) 而誕生的，如今應(yīng)用已很廣，包括熱機(jī)、制冷、空調(diào)、化工等眾多 領(lǐng)域。2、研 究方法：宏觀方法 （宏觀定義、宏觀定律、宏觀參數(shù)）與合理 抽象、簡(jiǎn)化手段相結(jié)合。3、特點(diǎn)：用少量的宏觀基本定律演繹出豐富的內(nèi)容，具有應(yīng)用的廣 泛性和結(jié)論的準(zhǔn)確性。三、幾個(gè)問(wèn)題：1、

3、能量和能源一樣嗎？2、能量守恒嗎？什么是節(jié)能？如何節(jié)能？節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)是什么？第一章基本概念工程熱力學(xué)的概念較多，要注意理解。本章先介紹一些基本概念媒介熱",功工質(zhì)11工質(zhì)和熱力系一、工質(zhì)1、定義：實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)2、舉例:制冷劑（氟里昂）燃?xì)夤べ|(zhì)的物理特性：流體（氣體和液體）、大熱容、變比容工質(zhì)可分為兩大類(lèi)，氣體和蒸汽。氣體工質(zhì)一般作為理想氣體處理、熱力系1、定義：熱力學(xué)分析和研究的對(duì)象或范圍。例:2、系統(tǒng)、邊界、外界：系統(tǒng)是人為的，和外界是相對(duì)的。邊界是可以移動(dòng)的，可以是假想 的。3、意義：熱力學(xué)問(wèn)題的分析首先從建立熱力系開(kāi)始。拋開(kāi)研究對(duì)象的 外觀、結(jié)構(gòu)等，抽象為具有一定特征的

4、熱力系統(tǒng)。只關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)工 質(zhì)的變化。4、分類(lèi):(1)封閉系：Q W (m)例：(2)開(kāi)口系：QW m 例：(3)絕熱系：(Q)W m 例:抽象概念.(4)孤立系：(Q)(W)(m)例：抽象概念1 2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)：工質(zhì)在某一時(shí)刻的宏觀物理狀況。例：二、狀態(tài)參數(shù)：描述狀態(tài)的宏觀物理量。如 p v t u h s e a等。*狀態(tài)參數(shù)的物理特征：在某狀態(tài)下一定存在并且是唯一的。其數(shù)值與如何到達(dá)這一狀態(tài)、經(jīng)過(guò)什么路徑到達(dá)這一狀態(tài)無(wú)關(guān)。三、狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系：二者首先是同一事物的兩種描述方法。1、固定關(guān)系：狀態(tài)確定之后，所有的狀態(tài)參數(shù)都確定(狀態(tài) T 狀態(tài) 參數(shù)）。zi （狀態(tài)）一>

5、pi ti V1U1 hi si。狀態(tài)參數(shù)一定，狀態(tài)也一定。Pi ti Vi Ui hi Si Zi。但需要全部狀態(tài)參數(shù)才能決定狀態(tài)嗎？不需要。 最少需要幾個(gè)參數(shù)來(lái)決定狀態(tài)呢？ 狀態(tài)公理：需要n+i個(gè)參數(shù)。n是熱 力系中作功形式的個(gè)數(shù)。在我們的簡(jiǎn)單可壓縮物系內(nèi)，只有一種形式的 功一容積變化功，n =i。所以我們需要兩個(gè) 獨(dú)立參數(shù)來(lái)決定狀態(tài)?？杀?示為z=f（xy）。Z可以代表狀態(tài)，也可以代表狀態(tài)參數(shù)。3、變化關(guān)系：狀態(tài)變了，狀態(tài)參數(shù)要變化，但不一定全都變化。狀態(tài) 參數(shù)變了，只要一個(gè)參數(shù)變了，狀態(tài)就一定變化。四、平衡狀態(tài)1、定義：不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。（所有狀態(tài)參數(shù)都不變）2、條件：系統(tǒng)內(nèi)外勢(shì)差為

6、零。內(nèi)力平衡 P內(nèi)=0、p外T外內(nèi)熱平衡 T內(nèi)=014> 勢(shì)差 =0p內(nèi)T內(nèi) 內(nèi)、外熱平衡 T內(nèi)二T外'內(nèi)、外力平衡p內(nèi)=p外 '3、特點(diǎn)：（只有平衡狀態(tài)是可以描述的（有確定的狀態(tài)參數(shù)）。平衡狀態(tài)不會(huì)自行打破。/非平衡狀態(tài)會(huì)自動(dòng)趨于平衡五、狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特征1、點(diǎn)函數(shù)。如前所術(shù)，z=f（xy）。由狀態(tài)參數(shù)的物理意義可推出其數(shù)學(xué) 特征為點(diǎn)函數(shù)。點(diǎn)函數(shù)的所有數(shù)學(xué)性質(zhì)就是狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)。2、微分性質(zhì)：全微分。z = f（xy）dz =（三）ydx （三）xdy 令：（三）y=M （）x = N 則：exdyexbydz二Mdx Ndy （格林公式）且（也）x=（）y （二次偏導(dǎo)

7、與次序無(wú)關(guān)） cyex4、積分性質(zhì)：與路徑無(wú)關(guān)。2dz 二 z2 _ z1: dz = 01六、基本狀態(tài)參數(shù)定義:具有明顯的物理意義并且可以直接或間接測(cè)量的參數(shù)。 它們是: pvt。其余參數(shù)如：u h s等稱(chēng)為導(dǎo)出參數(shù)。1、比容:定義:單位:I密度:單位物量（公斤）物質(zhì)（工質(zhì)）具有的體積m3/kg立方米/公斤 mJkg/m3比容和密度是兩個(gè)相關(guān)參數(shù),相互不獨(dú)立,相當(dāng)于一個(gè)參數(shù) 2、壓力 （定義：?jiǎn)挝幻娣e上的垂直作用力。物理中的壓強(qiáng)國(guó)際單位：力F 牛頓N,面積A平方米m2，壓力p帕（斯卡）Pa1Mpa=10la1kpa=103pa1bar=10 5paI工程單位：物理大氣壓atm,工程大氣壓at

8、 ,毫米汞柱mmHg，米水柱mO, 1bar 1at?！皦毫Α迸c“壓力單位”要區(qū)別開(kāi) 絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力：|絕對(duì)壓力一工質(zhì)的真實(shí)壓力。p'相對(duì)壓力一相對(duì)于大氣壓力的值。Pg PvP=Pb+PgP=PbPv3、溫度廠宏觀：物體的冷熱程度定義： 微觀：物質(zhì)微粒熱運(yùn)動(dòng)的程度。*熱力學(xué)：熱平衡的標(biāo)志。宏觀定義中“冷、熱”似乎依賴(lài)于人體的感覺(jué)，而人體感覺(jué)相同溫度的不同物質(zhì)（如鐵和木頭）時(shí)是不一樣的。微觀定義中的“運(yùn)動(dòng)”是 不能等于零和負(fù)值的，所以溫度也不能是負(fù)值，但是近代科學(xué)已經(jīng)證實(shí) 負(fù)溫度的存在。前兩個(gè)定義不嚴(yán)密，熱力學(xué)定義是嚴(yán)密的。ABQ熱平衡：兩個(gè)物體接觸而沒(méi)有熱傳導(dǎo)時(shí)稱(chēng)之。當(dāng)兩個(gè)物體達(dá)到

9、熱平衡時(shí)，一定存在某一點(diǎn) 共性，某個(gè)狀態(tài)參數(shù)存在且數(shù)值相等。就把這一參數(shù)定義為溫度。f工具：溫度計(jì)測(cè)量： 原理：熱平衡原理（熱力學(xué)第零定律）：如果AB熱平衡，BC被測(cè)物體ABC溫度計(jì).熱平衡溫標(biāo)AC 一定也熱平衡溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示標(biāo)準(zhǔn)。攝氏溫標(biāo)*標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：水t彳定點(diǎn)溫度：物理大氣壓下的冰點(diǎn)為 0C,沸點(diǎn)為100C。分度方法：冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間100等份。華氏溫標(biāo) f標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：水彳定點(diǎn)溫度：物理大氣壓下冰點(diǎn)為 32 °F，沸點(diǎn)為212?'分度方法：冰點(diǎn)與沸點(diǎn)之間180經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)一一與測(cè)溫物質(zhì)有關(guān)的溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)都是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。其缺點(diǎn)是除了定點(diǎn)溫度之外其他溫度值都不準(zhǔn)。這是由

10、于等分溫冰點(diǎn)沸點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：水熱力學(xué)溫標(biāo) !定點(diǎn)溫度：三相點(diǎn)（固、液、汽三態(tài)共存）定為273.16K ,分度方法：從絕對(duì)0K至三相點(diǎn)分為273.16份熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)是絕對(duì)準(zhǔn)確的理論溫標(biāo)。 與測(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)。該溫標(biāo) 的理論依據(jù)是熱力學(xué)第二定律和卡諾熱機(jī)。（后面再詳述）由于卡諾熱機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，熱力學(xué)溫標(biāo)沒(méi)有直接測(cè)量的手段。熱力學(xué)攝氏溫標(biāo)：t=T 273.15*1熱力學(xué)絕對(duì)溫度=1熱力學(xué)攝氏溫度=1經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏度*以上是三相點(diǎn)取值273.16的原因。1 3工質(zhì)狀態(tài)（參數(shù)）的表示方法狀態(tài)要用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述，狀態(tài)的表示方法實(shí)際就是狀態(tài)參數(shù)的表 示方法?；蛘哒f(shuō)確定方法。一、解析法：z=f（xy） p=f1（Tv

11、） u=f2（pT） h=f3（Tv） 已知三個(gè)參數(shù)的解析關(guān)系，可由兩個(gè)已知參數(shù)求另一未知參數(shù)。特點(diǎn)：如果已知解析關(guān)系式，則利用關(guān)系式計(jì)算方便、準(zhǔn)確。但大多數(shù) 實(shí)際氣體沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系式可用，因此該方法一般只能用于理想氣體。例如理想氣體有狀態(tài)方程pv=RTo二、歹y表法：將各參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)整理成表,PtvhSu1 :23特點(diǎn)：方便、可靠。依賴(lài)于前人的大量工作。多用于實(shí)際氣體。三、圖示法:由z=f(xy)，建立笛卡爾坐標(biāo)圖特點(diǎn)：用點(diǎn)來(lái)表示平衡狀態(tài)，直觀、形象，沒(méi)有工質(zhì)限制。多用于定性 表示和分析 14準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程一、過(guò)程定義：工質(zhì)從一個(gè)平衡狀態(tài)變化到另一個(gè)平衡狀態(tài)的中間途徑。1.I意義：熱

12、功轉(zhuǎn)換需要過(guò)程。丨2二、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 1、引出：從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2可以有多條路徑。不同路徑的熱功轉(zhuǎn)立準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的概念2、模型：換情況不同。為此需要知道具體路徑，需要描述具體路徑。必須建PA1。中間沒(méi)有平衡狀態(tài)點(diǎn)。2當(dāng)厶p趨近于零時(shí)1 2成為連線(xiàn)，1 2過(guò)程成為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。3、定義：過(guò)程中的任何一個(gè)中間狀態(tài)都是平衡狀態(tài)的過(guò)程4、條件：勢(shì)差無(wú)限小、時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)、過(guò)程無(wú)限緩慢。5、 意義：有確切的路徑，可描述，可研究。（類(lèi)似于平衡狀態(tài)）6、實(shí)用性：從以上模型、定義、和條件看來(lái)，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程與實(shí)際過(guò)程相差甚遠(yuǎn)，沒(méi)有哪個(gè)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行的無(wú)限緩慢。但進(jìn)一步分析，只 要工質(zhì)恢復(fù)平衡的速度大于外界破壞平衡的速度即可

13、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò) 程。熱力設(shè)備中工質(zhì)恢復(fù)平衡的速度是音速，300m/s以上，而外界破壞平衡的速度是機(jī)械速度，要小地多。例如1500r/m的高速內(nèi)燃機(jī)的活塞移動(dòng)速度也只有每秒十幾米。因此，把實(shí)際過(guò)程當(dāng)作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程處理沒(méi)有問(wèn)題。1、模型:2、定義：某個(gè)可以反向進(jìn)行回到初態(tài)且不給外界留下任何痕跡的過(guò)程。3、條件 ：過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)、傳熱無(wú)溫差、作功無(wú)摩擦。 （舉例詳述） 即：沒(méi)有任何損失的理想過(guò)程。4、意義：可逆過(guò)程是不存在的，不可逆是必然的，但是不可逆性可以 減小，可逆性可以無(wú)限接近?？赡孢^(guò)程是過(guò)程的最理想目標(biāo)，是節(jié) 能的方向。四、可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的比較“同”：抽象、理想過(guò)程?！爱悺保海?）著眼點(diǎn)不同。

14、準(zhǔn)'過(guò)程著眼于工質(zhì)內(nèi)部， 可'過(guò)程著眼于工質(zhì)與外界的聯(lián)系。 （2）用途不同。準(zhǔn)'過(guò)程是熱力學(xué)研 究過(guò)程的工具?？?#39;過(guò)程是實(shí)際過(guò)程完善和改進(jìn)的目標(biāo)。14 能量、儲(chǔ)存能、轉(zhuǎn)移能一、 能量1、實(shí)質(zhì)：是運(yùn)動(dòng)。不同的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了能量的形態(tài)。2、轉(zhuǎn)換：改變運(yùn)動(dòng)形式就改變了能量形態(tài)，就轉(zhuǎn)換了能量。3、守恒： 能量在形態(tài)轉(zhuǎn)換中總量不變，數(shù)量守恒。4、不守恒： 能量在形態(tài)轉(zhuǎn)換中質(zhì)（品位、作功能力）下降。儲(chǔ)存能1、組成：E 二U Ek Ep其中Ekmc2、Ep二mgz屬于機(jī)械能。22、內(nèi)能：分子平移動(dòng)能一一f(t)分子轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能f(t)分子振動(dòng)動(dòng)能 f(t) 分子內(nèi)位能f(t,v)原子能一一化學(xué)能核能2* 是狀態(tài)參數(shù) u = f (t, v) du = u2 - U|- du = 01* 單位：J , J/kg , kJ/kg*零點(diǎn)：沒(méi)有零點(diǎn)。在熱力計(jì)算中需要的是內(nèi)能增量，所以零點(diǎn)可以任 意選定，一般選在攝氏零度或者絕對(duì)零度。三、轉(zhuǎn)移能1、推擠功：工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的作功1 r1pAz=pV2、流動(dòng)功:RMr2v2Wf = p2V2 - p1v13、焓(1) 數(shù)學(xué)定義：H=U+pV h=u+p