熱力學(xué)第一章

1、工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)是重要的是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué)的科學(xué)0-1 0-1 熱能及其利用熱能及其利用0-2 0-2 熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程0-3 0-3 工程熱力學(xué)的研究對象及工程熱力學(xué)的研究對象及 其主要內(nèi)容其主要內(nèi)容l一次能源一次能源：自然界中以原有形式存在的、未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能量資源。l二次能源二次能源：由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源燒煤爐做飯？煤氣？水能？水電？熱熱 能能電電 能能機(jī)機(jī) 械械 能能 風(fēng)風(fēng)能能水水力力能能化化學(xué)學(xué)能

2、能核核能能地地?zé)釤崮苣芴栮柲苣芤淮文茉匆淮文茉? (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變?nèi)紵紵囁囁啓C(jī)水輪機(jī)風(fēng)車風(fēng)車熱機(jī)熱機(jī)電動機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換直接利用直接利用供暖供暖0-2 0-2 熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程一、蒸汽動力裝置的工作原理一、蒸汽動力裝置的工作原理 鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 給水泵給水泵 凝凝汽汽器器過熱器過熱器 1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸工質(zhì)（水，蒸 汽）汽）3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放

3、熱) )二、燃?xì)廨啓C(jī)裝置二、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作原理的工作原理 l壓氣機(jī)壓氣機(jī) 從大氣環(huán)境吸從大氣環(huán)境吸氣，并將其壓縮，使得其壓氣，并將其壓縮，使得其壓力和溫度得以提高。力和溫度得以提高。l燃燒室燃燒室 空氣和燃料在空氣和燃料在其中混合并燃燒，得到高溫其中混合并燃燒，得到高溫高壓的燃?xì)?。高壓的燃?xì)狻渦輪機(jī)渦輪機(jī) 高溫高壓的燃高溫高壓的燃?xì)馔苿訙u輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)對外氣推動渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)對外輸出機(jī)械功。輸出機(jī)械功。l工質(zhì)（空氣、燃?xì)猓┰谘b置內(nèi)周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)工質(zhì)（空氣、燃?xì)猓┰谘b置內(nèi)周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)而實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的任務(wù)。而實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的任務(wù)。 1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（

4、燃?xì)猓┕べ|(zhì)（燃?xì)猓?3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )壓壓氣氣機(jī)機(jī)燃燃?xì)鈿廨嗇啓C(jī)機(jī)燃燒室燃燒室空空氣氣廢廢氣氣燃燃料料三、內(nèi)燃機(jī)的工作原理三、內(nèi)燃機(jī)的工作原理 l進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程 ：進(jìn)氣閥開，排氣閥關(guān)，活：進(jìn)氣閥開，排氣閥關(guān)，活塞下行，將空氣吸入氣塞下行，將空氣吸入氣 缸。缸。l壓縮過程壓縮過程 ：進(jìn)、排氣門關(guān)，活塞上行：進(jìn)、排氣門關(guān)，活塞上行壓縮空氣，使其溫度和壓縮空氣，使其溫度和 壓力得以升高。壓力得以升高。l燃燒過程燃燒過程 ：噴油嘴噴油，燃料燃燒，：噴油嘴噴油，燃料燃燒，氣體壓力和溫度急劇升高氣體壓力和溫度急劇升高 （燃料

5、的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）。（燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）。l膨脹過程膨脹過程 ：高溫高壓氣體推動活塞下：高溫高壓氣體推動活塞下行，曲軸向外輸出機(jī)械功。行，曲軸向外輸出機(jī)械功。l排氣過程排氣過程 ：活塞接近下死點(diǎn)時，排氣：活塞接近下死點(diǎn)時，排氣門開，在壓差的作用下廢氣門開，在壓差的作用下廢氣 流出氣缸。流出氣缸。隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣缸。缸。l重復(fù)上述過程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。重復(fù)上述過程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣壓縮壓縮點(diǎn)火點(diǎn)火膨脹膨脹排氣排氣內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)裝置裝置基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓┕べ|(zhì)（燃?xì)猓?

6、、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、加熱、加壓、加熱、 膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱)氣體膨脹做功氣體膨脹做功？四、蒸汽壓縮制冷裝置四、蒸汽壓縮制冷裝置 l壓氣機(jī)壓氣機(jī) 吸入來自蒸發(fā)器吸入來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽，將其壓縮的低壓蒸汽，將其壓縮 ( 耗耗功功 ) 產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽。產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽。l冷凝器冷凝器 使氣體冷凝，得使氣體冷凝，得到常溫高壓的液體。到常溫高壓的液體。l節(jié)流閥節(jié)流閥 使液體降壓，產(chǎn)使液體降壓，產(chǎn)生低壓低溫的液體。生低壓低溫的液體。l蒸發(fā)器蒸發(fā)器 工質(zhì)吸收冷藏庫工質(zhì)吸收冷藏庫內(nèi)的熱量，汽化為低壓氣內(nèi)的熱量，汽化為低壓氣體，使冷體，使冷 庫降溫。庫降溫。 制冷空調(diào)制冷空

7、調(diào)裝置裝置基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功得到容積變化功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、放熱、加壓、放熱、 膨脹、吸熱膨脹、吸熱)熱力熱力裝置裝置共同基本特點(diǎn)共同基本特點(diǎn) 1、熱源，冷源熱源，冷源 2、工質(zhì)工質(zhì) （實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時所需要的工作物質(zhì)）（實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時所需要的工作物質(zhì)） 3、容積變化功容積變化功 4、循環(huán)循環(huán) 1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律能量轉(zhuǎn)換的基本定律 2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程 3、簡單熱功轉(zhuǎn)換及其工作原理簡單熱功轉(zhuǎn)換及其工作原理l 抓住主線抓住主線l 理論聯(lián)系實際理論聯(lián)系實際l 重視基本技能訓(xùn)練重視基本技能訓(xùn)

8、練 分析計算能力、實驗技能分析計算能力、實驗技能 認(rèn)真完成作業(yè)認(rèn)真完成作業(yè)1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)1-2 狀態(tài)狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)1-3 熱力狀態(tài)參數(shù)熱力狀態(tài)參數(shù)1-4 狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1-5 準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程1-6 功和熱量功和熱量1-7 熱力循環(huán)熱力循環(huán)1-1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) 一、系統(tǒng)、外界與邊界一、系統(tǒng)、外界與邊界熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對象：人為地研究對象外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界邊界(界面界面)：系統(tǒng)與外界的分界面：系統(tǒng)與外界的分界面真實、虛構(gòu)真實、虛構(gòu)固定、活動固定

9、、活動封閉熱力系（閉口系）封閉熱力系（閉口系） 只與外界有能量交換而無物質(zhì)交換只與外界有能量交換而無物質(zhì)交換開口熱力系開口熱力系( (開口系開口系) ) 與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換孤立系孤立系 與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換二、熱力系的分類二、熱力系的分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系歸納：歸納： 其它分

10、類方式其它分類方式物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系工質(zhì)種類工質(zhì)種類多元系多元系單元系單元系相態(tài)相態(tài)多相多相單相單相最重要的最重要的系統(tǒng)系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)只交換只交換熱量熱量和和一種一種準(zhǔn)靜態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功容積變化功容積變化功壓縮功壓縮功膨脹功膨脹功1-2 狀態(tài)狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量。：描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量。二、平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)二、平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)：熱

11、力系宏觀性質(zhì)不隨時間變化。：熱力系宏觀性質(zhì)不隨時間變化。 非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)：熱力系宏觀性質(zhì)隨時間變化。：熱力系宏觀性質(zhì)隨時間變化。三、平衡狀態(tài)的判據(jù)三、平衡狀態(tài)的判據(jù)1、力平衡、力平衡 2、熱平衡、熱平衡 3、相平衡、相平衡 4、化學(xué)平衡、化學(xué)平衡1-3 熱力狀態(tài)參數(shù)熱力狀態(tài)參數(shù)一、定義：用于描述熱力系狀態(tài)的宏觀特性量。一、定義：用于描述熱力系狀態(tài)的宏觀特性量。二、特點(diǎn)二、特點(diǎn)1、與狀態(tài)一一對應(yīng)，完全取決于狀態(tài)。、與狀態(tài)一一對應(yīng)，完全取決于狀態(tài)。2、狀態(tài)變化時，狀態(tài)參數(shù)只取決于、狀態(tài)變化時，狀態(tài)參數(shù)只取決于初、終初、終兩態(tài)，兩態(tài)，與變化路徑無關(guān)。與變化路徑無關(guān)。三、分類三、分類1、強(qiáng)度參數(shù)

12、強(qiáng)度參數(shù)：與質(zhì)量無關(guān)，且不可相加的狀態(tài)：與質(zhì)量無關(guān)，且不可相加的狀態(tài)參數(shù)。如壓力參數(shù)。如壓力P、溫度、溫度T、密度、密度、比焓、比焓h、比熵、比熵s、比容、比容、比內(nèi)能、比內(nèi)能u2、廣延參數(shù)廣延參數(shù)：與質(zhì)量成正比且可以相加的狀態(tài)：與質(zhì)量成正比且可以相加的狀態(tài)參數(shù)。如容積參數(shù)。如容積V、內(nèi)能、內(nèi)能U、熵、熵S四、基本狀態(tài)參數(shù)四、基本狀態(tài)參數(shù)（一）壓力（一）壓力1、定義：單位面積上承受的垂直作用力。即、定義：單位面積上承受的垂直作用力。即該公式計算的是工質(zhì)的真正壓力，也稱絕對壓力。該公式計算的是工質(zhì)的真正壓力，也稱絕對壓力。微觀上看：工質(zhì)的壓力是物質(zhì)微觀粒子對器壁撞擊的微觀上看：工質(zhì)的壓力是物質(zhì)微

13、觀粒子對器壁撞擊的 總效果?？傂Ч?。 2、單位：、單位：1Pa=1N/m21kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa（？估算水銀密度？）（？估算水銀密度？）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm=760mmHg=1.01325 105 Pa工程大氣壓工程大氣壓1at=1kgf/cm2= 9.80665104 PaAFPn注意：注意：只有只有絕對壓力絕對壓力 p 才是才是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)當(dāng)當(dāng) p pb表壓力表壓力 pg當(dāng)當(dāng) p 有足夠時間恢復(fù)新平衡有足夠時間恢復(fù)新平衡 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程例：例：活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式

14、內(nèi)燃機(jī) 2000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分分 曲柄曲柄 2沖程沖程/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，0.15米米/沖程沖程活塞運(yùn)動速度活塞運(yùn)動速度=2000 2 0.15/60=10 m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350 m/s破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。具體工程問題具體分析。pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +fA如果如果 p外外微小微小 可視為可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程dx以汽缸中以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)工質(zhì)

15、為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功化對外界作的功 W = p A dx =pdV1kg工質(zhì)工質(zhì) w =pdvdx 很小很小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 p 不變不變pp外外2mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv121WpdV21wpdv注意：注意：上式僅適用于上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程pV. .12. .pp外外21mkg工質(zhì)：工質(zhì)： W =pdV21WpdV1kg工質(zhì)：工質(zhì)： w =pdv21wpdvWpV. .12. .2） p-V 圖上用圖上用面積面積表示表示3）功的大小與路徑有關(guān)，功的大小與路徑有關(guān)， 過程量過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：統(tǒng)一規(guī)定：dV

16、0，膨脹，膨脹 對外作功（對外作功（正正） dV0，壓縮，壓縮 對對內(nèi)作功（內(nèi)作功（負(fù)負(fù)）5）適于適于準(zhǔn)靜態(tài)下準(zhǔn)靜態(tài)下的的任何任何工質(zhì)（一般為流體）工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為單位為 kJ 或或 kJ/kgWw若有若有f 存在，就存在損失存在，就存在損失pp外外21系統(tǒng)對外作功系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功，外界得到的功W W若外界將得到的功若外界將得到的功W 再返還給系統(tǒng)，系再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功統(tǒng)得到的功WT2Q節(jié)流過程節(jié)流過程 (

17、 (閥門）閥門）p1p2p1p2混合過程混合過程 自由膨脹自由膨脹真空真空 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的理想化理想化過程，過程， 但并非但并非最優(yōu)最優(yōu)過程，可逆過程是過程，可逆過程是最優(yōu)最優(yōu)過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過程的功與熱完全完全可用可用系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)工質(zhì) 的的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界 的復(fù)雜關(guān)系，易分析。的復(fù)雜關(guān)系，易分析。（為什么？）（為什么？） 實際過程不是可逆過程，但為了研究方實際過程不是可逆過程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，）處理， 用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆

18、用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。1 1、力學(xué)力學(xué)定義定義: : 力力 在在力力方向上的位移方向上的位移2、熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義I：當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起唯一效果可歸結(jié)為舉起重物重物，此即為熱力系對外作功。，此即為熱力系對外作功。 熱力學(xué)熱力學(xué)定義定義II：功是系統(tǒng)與外界相互作用功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在的一種方式，在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運(yùn)動方運(yùn)動方式傳遞的能量式傳遞的能量。一、功一、功3、功的計算式、功的計算式 物理上為物理上為: W=Fx 若系統(tǒng)內(nèi)外力平衡若系統(tǒng)內(nèi)外力平衡FdxW pAdxpdVxp二、熱量二、熱量 1、定義：、定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作用的另是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在一種方式，在溫度溫度的推動下，以微觀的推動下，以微觀無序無序運(yùn)動運(yùn)動方式傳遞的方式傳遞的能量。能量。 2、熱量的表達(dá)式、熱量的表達(dá)式 考慮：考慮： W=pdV 式中：式中：p為壓差是作功的驅(qū)動力為壓差是作功的驅(qū)動力, dV表示表示熱力系是否作功熱力系是否作功 對于熱量對于熱量Q： 熱傳遞的