工程熱力學(xué)(5-11章)教案 - 沈道維版概要

1、 工程熱力學(xué) 【章節(jié)名稱】：第五章 熱力學(xué)第二定律【教學(xué)目標(biāo)】：使學(xué)生熟練掌握熱力學(xué)第二定律實質(zhì)、數(shù)學(xué)表達式，能進行熱力過程不可逆性的判定。 【教學(xué)重點】：熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)；卡諾循環(huán)及卡諾定理對熱功轉(zhuǎn)換效率的指導(dǎo)意義，熵參數(shù)定義，過程不可逆性與熵增之間的關(guān)系，利用熵方程進行熱力計算以及作功能力損失的計算?！窘虒W(xué)難點】：熱力過程的方向性與不可逆性的判定，熵的概念及其物理意義，孤立系統(tǒng)熵增原理對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)意義?！菊n時安排】：理論：6課時【教學(xué)環(huán)境及教具準(zhǔn)備】：多媒體教學(xué)，板書第11次課【教學(xué)內(nèi)容】：熱力學(xué)第一定律確定了各種能量的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移不會引起總能量的改變。創(chuàng)造能量（第一類永動機）不可能

2、，消滅能量也辦不到。總之，自然界中一切過程都必須遵守?zé)崃W(xué)第一定律。然而，是否任何不違反熱力學(xué)第一定律的過程都是可以實現(xiàn)的呢？事實上又并非如此。熱力學(xué)第二定律就是解決與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程進行的方向、條件和限度等問題的規(guī)律。熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第一定律共同構(gòu)成熱力學(xué)理論基礎(chǔ)。51 熱力學(xué)第二定律1. 自發(fā)過程的方向性不需外界幫助就能自動進行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有一定的方向性，典型的自發(fā)過程有溫差傳熱、摩擦生熱、自由膨脹、擴散混合等。這里并不是說這些非自發(fā)過程根本無法實現(xiàn)，而只是說，如果沒有外界的推動，它們是不會自發(fā)進行的。一個非自發(fā)過程的進行，必須有另外的自發(fā)過程來推

3、動，或者說必須以另外的自發(fā)過程的進行作為代價、作為補償條件。2. 可逆過程和不可逆過程一切自發(fā)過程都是不可逆過程。任何實際熱力過程在作機械運動時不可避免地存在著摩擦；電能輸送過程中存在電阻；在傳熱時必定存在著溫差，擴散混合存在濃度差。因此，實際的熱力過程必然具有這樣的特性：如果過程沿原路線反向進行，并使熱力系恢復(fù)到原狀態(tài)，將會給外界留下這種或那種影響這就是實際過程的不可逆性。人們把這樣的過程統(tǒng)稱為不可逆過程。我們把因摩擦使機械能轉(zhuǎn)化為熱能，或因電阻使電能轉(zhuǎn)化為熱能等的現(xiàn)象，稱為耗散效應(yīng)。所謂可逆過程是指具備如下特性的過程：過程進行后，如果使熱力系沿原過程路線反向進行并恢復(fù)到原狀態(tài)，將不會給外界

4、留下任何影響。因此，可逆過程的進行必須滿足下述條件： (1)熱力系內(nèi)部原來處于平衡狀態(tài)； (2)過程進行時無耗散效應(yīng)和有限勢差存在。3. 熱力學(xué)第二定律的表述在歷史上，熱力學(xué)第二定律曾以不同的陳述表達出來，但它們所表達的實質(zhì)是共同的、一致的，任何一種表述都是其它各種表述的邏輯上的必然結(jié)果。這里介紹兩種常用的說法?？藙谛匏沟谋硎觯骸安豢赡軐崃坑傻蜏匚矬w傳送到高溫物體而不引起其它變化”。開爾文普朗克的表述：“不可能制造出從單一熱源吸熱而使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难h(huán)發(fā)動機”。 52 卡諾循環(huán)和卡諾定理圖51所示的循環(huán)由兩個可逆的定溫過程(和)以及兩個可逆的絕熱(定熵)過程(和)組成，稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ循

5、環(huán)的熱效率為： (51)圖 51 圖 52圖52所示的循環(huán)由兩個可逆的定溫過程（和）以及兩個在溫熵圖中平行的、吸熱()和放熱()正好抵消的可逆過程()組成，稱為概括性卡諾循環(huán)。它的熱效率為： 由于 因此 (52)所以，工作在兩個恒溫?zé)嵩粗g的可逆熱機所進行的具體循環(huán)只能是卡諾循環(huán)或回?zé)峥ㄖZ循環(huán)(卡諾循環(huán)也可看作是回?zé)峥ㄖZ循環(huán)中的特例)。它們是一定溫度范圍(、)內(nèi)熱效率最高的循環(huán)。概括性卡諾循環(huán)要借助無限多個蓄熱器才能實現(xiàn)，這在實際熱力過程中很難做到，但它從原則上提出了減小不等溫傳熱損失以使過程可逆的一種方法。5-3. 卡諾定理卡諾定理是1824年由法國工程師卡諾提出的?？ㄖZ定理包含兩個定理：定

6、理一 工作在相同的恒溫高溫?zé)嵩?)和低溫?zé)嵩?)之間的循環(huán)，不管采用什么工質(zhì)，可逆熱機的熱效率恒高于不可逆熱機的熱效率。定理二 工作在相同的恒溫高溫?zé)嵩?)和低溫?zé)嵩矗ǎ┲g的循環(huán)，不管采用什么工質(zhì)，如果是可逆的，其熱效率相等?？ㄖZ定理在理論和實踐都具有重大的意義。首先它指出熱機熱效率的極限值；其次提出了提高熱機熱效率的途徑。同時，它也表明，任何一種將熱能轉(zhuǎn)換機械能、電能或其它能量的轉(zhuǎn)換裝置都受到熱力學(xué)第二定律的制約。對卡諾定理和卡諾循環(huán)的分析討論可以得出如下幾點對熱機具有原則指導(dǎo)意義的結(jié)論：(1) 不能期望熱機的熱效率達到100%。就拿熱效率最高的卡諾循環(huán)來說，要使熱效率達到100，則必須0

7、K或。然而，絕對零度是達不到的，無限高的溫度則是不可能的。所以，供給循環(huán)發(fā)動機的熱量不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。(2) 無論采用什么工質(zhì)和什么循環(huán)，也無論將不可逆損失減小到何種程度，在一定的溫度范圍到之間，不能期望制造出熱效率超過的熱機。最高熱效率也只能接近，而實際上不能達到。(3) 不能指望靠單一熱源供熱而使熱機循環(huán)不停地工作。因為當(dāng)時，0，也就是說，在單一熱源的情況下，不可能通過循環(huán)發(fā)動機從該熱源取得熱量而使之轉(zhuǎn)變?yōu)檎?第二類永動機不可能制成)。(4) 提高熱機循環(huán)熱效率的根本途徑是提高循環(huán)的平均吸熱溫度和降低循環(huán)的平均放熱溫度。第12次課【教學(xué)內(nèi)容】：5-4 熵、熱力學(xué)第二定律的表達式克勞

8、修斯積分式包括一個等式和個不等式： (53) 式中了為外界的溫度。等號對可逆循環(huán)而言；不等號對不可逆循環(huán)而言。它所表達的意思是：任何閉口熱力系，在進行了一個循環(huán)后，它和外界交換的微元熱量(有正、有負(fù))與參與這一微元換熱過程時外界溫度的比值(商)的循環(huán)積分不可能大于零，而只能小于零(如果循環(huán)是不可逆的)，或者最多等于零(如果循環(huán)是可逆的)。1. 狀態(tài)參數(shù)熵的導(dǎo)出1865年，克勞修斯將，這個新的狀態(tài)參數(shù)定義為熵，用符號S表示。即 （53）式（49）為狀態(tài)參數(shù)熵的定義式。1kg工質(zhì)的比熵為 （5-4）由此可得熵變的計算式為 （5-5）或 （5-6）2. 熱力學(xué)第二定律的表達式克勞修斯積分不等式： （

9、57）判斷循環(huán)是否可逆或可行： （58）克勞修斯積分等于零為可逆循環(huán)，小于零為不可逆循環(huán)，而大于零的循環(huán)則不能實現(xiàn)。判斷過程是否可逆或可行： （59）等于號時，表示系統(tǒng)可逆；大于號時，表示系統(tǒng)不可逆；小于號時，表示系統(tǒng)不可行。55 熵 方 程1. 熵流和熵產(chǎn) 對內(nèi)部平衡(均勻)的閉口系，在時間內(nèi)熵的變化dS可根據(jù)熵的定義式得出： = (510) 式中稱為熵流，它表示熱力系與外界交換熱量而導(dǎo)致的熵的流動量。熵流可正可負(fù)。2. 閉口系熵方程對熱力系而言，當(dāng)它從外界吸熱時，熵流為正；當(dāng)它向外界放熱時，熵流為負(fù)。 = （511）式中熵流 （可正可負(fù)）熵產(chǎn) （512） 3開口系熵方程 （513）將式（5

10、13）對時間積分，可得： （514）式(513)和(514)即熵方程的基本表達式。式中也是一種熵流，它是隨物質(zhì)流進或流出熱力系的熵流。流進熱力系為正，流出熱力系為負(fù)。這樣，熱力系的熵的變化就等于總的熵流與熵產(chǎn)之和。由式（514）知，引起系統(tǒng)發(fā)生熵變的原因有三種：1） 1） 熱力系與外界間的熱量交換引起的熵流，2） 2） 熱力過程的不可逆因素引起的熵產(chǎn)，3） 3） 熱力學(xué)與外界的物質(zhì)交換引起的熵流， 對穩(wěn)定流動的開口系來說，由于在d的時間內(nèi)流進和流出熱力系的質(zhì)量相等（），而這種開口系的總熵又不隨時間而變化(dS0)，因而式(425)簡化為： 如果取一段時間，在這段時間內(nèi)恰好有1kg流體流過開口系

11、，則該式又可進一步寫為：即 （515） 如果穩(wěn)定流動過程是絕熱的(0)，則可得： (516)不等號對不可逆絕熱穩(wěn)定流動過程而言；等號對可逆絕熱(定熵)穩(wěn)定流動過程而言。該式表明：絕熱的穩(wěn)定流動過程，其出口處的比熵比入口處的大（不可逆過程）或與出口處的比熵相等（可逆過程）。第13次課【教學(xué)內(nèi)容】：5-7孤立系的熵增原理絕熱閉口系或孤立系的熵只會增加，不會減少。這就是絕熱閉口系或孤立系的熵增原理。式中不等號對不可逆過程而言；等號對可逆過程而言；小于號對應(yīng)不可能過程。孤立系統(tǒng) = 非孤立系統(tǒng) + 相關(guān)外界a)孤立系統(tǒng)的熵可以增大,理想上也可以保持不變,但決不能減少b)孤立系統(tǒng)熵增原理可以判斷過程進行

12、的方向,凡使孤立系統(tǒng)熵增的過程,才有可能發(fā)生,使熵減少的任何過程都不可能發(fā)生c)孤立系統(tǒng)的熵增大,表示系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了不可逆變化,即系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了機械能損失5. 熵的小結(jié)為了對熵有一個系統(tǒng)性的了解，有必要對熵作一個小結(jié)。1） 熵是一個廣延的狀態(tài)參數(shù)，即與物質(zhì)有關(guān)。計算物質(zhì)的熵為kJ/K。為質(zhì)量流量，量綱為kg/s；s為比熵，量綱為kJ/ (kgK)。2） 由熵的定義可知，熵變是可逆過程同外界交換的熱量與熱力學(xué)溫標(biāo)之比。但這并不意味不可逆過程的熵變無法計算，因為熵是狀態(tài)參數(shù)，只要不可逆過程的初、終狀態(tài)是平衡的，就可在這兩個狀態(tài)之間假設(shè)一個可逆過程來計算不可逆過程的熵變。3） 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表

13、達式可寫為； ；4） 熵的物理意義a. 對于可逆過程，熵變是系統(tǒng)和外界能量和質(zhì)量交換的大小和方向，其表現(xiàn)形式為熵流，熵流可正，可負(fù)。b. 由孤立系統(tǒng)的熵增原理可知，孤立系統(tǒng)的熵的變化，表征過程的不可逆程度。過程不可逆性引起的熵變稱為熵產(chǎn)，熵產(chǎn)只增不減，即。熵產(chǎn)必然引起能量的貶值。5-7火用參數(shù)的基本概念、熱量火用熱能中可用能（即可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠郑┧嫉谋壤?，既和熱能所處的溫度水平有關(guān)，也和環(huán)境的溫度有關(guān)。(exergy)：在環(huán)境條件下，能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的 最高份額稱為該能量的；用Ex表示。熱力系只與環(huán)境相互作用、從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境平衡時，作出的最大有用功稱為該熱力系的 ?；馃o(

14、anergy)：系統(tǒng)中不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為火無；用An表示。熱量：在溫度為T0的環(huán)境條件下，系統(tǒng)（T T0 ）所提供的熱量Q中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值稱為熱量。用EX,Q表示。冷量：溫度低于環(huán)境溫度的系統(tǒng)（T T0 ） ，吸入熱量Q0所時作出的最大有用功稱為冷量 ，用EX,Q0表示 。熱量與熱量的比值的絕對值總小于1，冷量與熱量的比值的絕對值可以大于1。課后作業(yè)思考題：5-2、5-6；習(xí)題：5-1、5-7、5-8、5-9 工程熱力學(xué) 【章節(jié)名稱】：第七章 壓氣機的熱力過程【教學(xué)目標(biāo)】：使學(xué)生深入理解截面積變化對熱力流動的影響，能進行噴管絕熱穩(wěn)定流動的熱力計算?！窘虒W(xué)重點】：噴管內(nèi)絕熱

15、穩(wěn)定流動的基本特性，噴管出口的截面、流速和流量的計算，噴管的設(shè)計和校核計算，絕熱節(jié)流過程的特點?！窘虒W(xué)難點】：通過確定臨界壓力比，對噴管進行設(shè)計和校核的計算，理想氣體與蒸汽不同的流速和流量計算公式?！菊n時安排】：理論：2課時【教學(xué)環(huán)境及教具準(zhǔn)備】：多媒體教學(xué)，板書第14次課【教學(xué)內(nèi)容】：7-1 穩(wěn)定流動的基本方程式工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能，特別是噴管(nozzle; jet)、擴壓管(diffuser)及節(jié)流閥throttle valve)內(nèi)流動過程的能量轉(zhuǎn)換情況。穩(wěn)定流動：流體在流經(jīng)空間任何一點時，其全部參數(shù)都不隨時間而變化的流動過程。簡化假設(shè)：1、沿流動方向上的一維問題：取

16、同一截面上某參數(shù)的平均值作為該截面上各點該參數(shù)的值。2、可逆絕熱過程：流體流過管道的時間很短，與外界換熱很小，可視為絕熱，另外，不計管道摩擦。一、連續(xù)性方程穩(wěn)定流動中，任一截面的所有參數(shù)均不隨時間而變，故流經(jīng)一定截面的質(zhì)量流量應(yīng)為定值，不隨時間而變 。以上兩式為穩(wěn)定流動的連續(xù)方程式。它描述了流道內(nèi)的流速、比體積和截面積之間的關(guān)系。普遍適用于穩(wěn)定流動過程。1）對于氣體等可壓縮流體，流道的截面面積增加率，等于比體積增加率與流速增加率之差；流速的變化取決于截面和比體積的綜合變化。2）對于不可壓縮流體（dv = 0），如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面積A與流速cf成反比；二、穩(wěn)定流動能量

17、方程式1）氣體動能的增加等于氣流的焓降;2）任一截面上工質(zhì)的焓與其動能之和保持定值，把兩者之和定義為一個參數(shù)：總焓或滯止焓h0。三、過程方程式在穩(wěn)定流動過程中，若：1）任一截面上的參數(shù)不隨時間而變化；2）與外界沒有熱量交換；3）流經(jīng)相鄰兩截面時各參數(shù)是連續(xù)變化；4）不計摩擦和擾動。7-2 促使流速改變的條件一、力學(xué)條件dcf、dp的符號始終相反，即：氣體在流動過程中流速增加，則壓力下降；如壓力升高，則流速必降低。二、幾何條件Ma1時，dv/v1時，dv/vdcf /cf當(dāng)流速變化時，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化有關(guān)，還與當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)有關(guān)。Ma1,亞聲速流動,dA0,截面擴張；7-3 噴管

18、的設(shè)計一、流速計算1、噴管的設(shè)計計算：據(jù)給定條件（氣流初參數(shù)、流量及背壓），選擇噴管的外形及確定幾何尺寸。2、噴管的校核計算：已知噴管的形狀和尺寸及不同的工作條件，確定出口流速和通過噴管的流量。注意： 1）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì) ； 2）式中h單位是J/kg，cf是m/s，但一般資料提供h單位是kJ/kg。二、流量計算根據(jù)連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量相等。但各種形式噴管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收縮噴管的出口截面、縮放噴管的喉部截面）來計算流量，即：漸縮噴管：縮放噴管：課后作業(yè)無 工程熱力學(xué) 【章節(jié)名稱】：第八章 壓氣機的熱力過程【教學(xué)目標(biāo)】：使學(xué)生了解壓

19、氣機熱力過程?！窘虒W(xué)重點】：活塞式壓氣機工作原理，耗功量計算；余隙容積對壓氣機性能的影響；葉輪式壓氣機的工作原理?！窘虒W(xué)難點】：余隙容積對壓氣機性能的影響；【課時安排】：理論：3課時【教學(xué)環(huán)境及教具準(zhǔn)備】：多媒體教學(xué)，板書第16次課【教學(xué)內(nèi)容】壓氣機：壓氣機是生產(chǎn)壓縮氣體的設(shè)備，它不是動力機，而是用消耗機械能來得到壓縮氣體的一種工作機。按工作原理和構(gòu)造來分：1）活塞式壓氣機2）葉輪式壓氣機 3）特殊引射式壓縮器4）羅茨式壓氣機8-1 單級活塞式壓氣機的工作原理和理論耗功量工作原理：吸氣壓縮排氣三個過程。壓氣機耗功：壓縮氣體的生產(chǎn)過程包括氣體的流入、壓縮和輸出，所以壓氣機耗功應(yīng)等于壓縮過程耗功與

20、進、排氣過程推動功的代數(shù)和。定溫、定熵、多變壓縮消耗理論功的比較：8-2 余隙容積的影響余隙容積：當(dāng)活塞運動到上死點位置時，在活塞頂面與氣缸蓋間有一定的空隙，該空隙的容積稱為余隙容積。1） 對生產(chǎn)量的影響：降低排氣量。2） 對理論耗功的影響: 不論有無余隙，壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗的理論壓氣功相同。84葉輪式壓氣機的工作原理 與活塞式壓氣機相比，葉輪式壓氣機結(jié)構(gòu)緊湊，輸氣量大，輸氣均勻且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，效率高。缺點是單級增壓比小、摩擦損耗大。 葉輪式壓氣機分為離心式與軸流式兩種型式。軸流式壓氣機：離心式壓氣機：課后作業(yè)無 工程熱力學(xué) 【章節(jié)名稱】：第九章 氣體動力循環(huán)【教學(xué)目標(biāo)】：使學(xué)生掌握分析動力循

21、環(huán)的一般方法；了解活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的分析方法；了解燃?xì)廨啓C循環(huán)的分析方法。 【教學(xué)重點】：分析動力循環(huán)的一般方法；活塞式內(nèi)燃機循環(huán)分析;燃?xì)廨啓C裝置循環(huán)的分析方法?！窘虒W(xué)難點】：實際循環(huán)簡化成理想循環(huán)的方法。【課時安排】：理論：3課時【教學(xué)環(huán)境及教具準(zhǔn)備】：多媒體教學(xué)，板書第17次課【教學(xué)內(nèi)容】熱力裝置：動力裝置、制冷裝置、熱泵裝置。9-1 動力循環(huán)分析的一般方法一、分析動力循環(huán)的一般步驟和方法1、將實際循環(huán)抽象和簡化為理想循環(huán)2、將簡化好的理想可逆循環(huán)表示在p-v、T-s圖上3、對理想循環(huán)進行分析計算4、對理想循環(huán)進行分析計算5、定性分析各主要參數(shù)對理想循環(huán)的吸熱量、放熱量及凈功量的影響，進而分析對循環(huán)熱效率（或工作系數(shù)）的影響，提出提高循環(huán)熱效率（或工作系數(shù)）的主要措施。6、對理想循環(huán)的計算結(jié)果引入必要的修正7、對實際循環(huán)進行熱力學(xué)第一定律分析或者熱力學(xué)第二定律分析9-2 活塞式內(nèi)燃機的簡化1）燃燒過程和排氣過程的假設(shè)2）循環(huán)工質(zhì)的假設(shè)3）忽略節(jié)流損失4）膨脹和壓縮過程為絕熱9-3活塞式