三管輪“工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)”教案

1、第一章 基本概念第一節(jié) 工質(zhì)1 工質(zhì)定義：熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的媒介物。舉例。2 特點(diǎn)：良好的膨脹性、流動(dòng)性。一般為氣態(tài)物質(zhì)。2 系統(tǒng)的定義：由封閉表面包圍的質(zhì)量恒 定的物質(zhì)集合或空間的一部分，即研究 的對(duì)象。3 外界：系統(tǒng)以外的其他系統(tǒng)。4 邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。 特點(diǎn)：可真實(shí)存在，可假想設(shè)計(jì)，可固 定，可變化 二 系統(tǒng)的類型： 1 系統(tǒng)與外界的作用方式： 1）有物質(zhì)的交換 2）有功的交換 3）有熱量的交換 2 系統(tǒng)的分類： 1） 封閉系統(tǒng)：無(wú)物質(zhì)交換 2） 開口系統(tǒng)：有物質(zhì)交換 3） 絕熱系統(tǒng)：無(wú)熱量交換 4） 孤立系統(tǒng)：無(wú)物質(zhì)、功、熱量交換三 外界的分類 1 熱源：與系統(tǒng)只進(jìn)行熱交換

2、的外界。 特點(diǎn)：熱容量無(wú)限大，其溫度不變。 分類：1）高溫?zé)嵩?2）低溫?zé)嵩?熱量的規(guī)定：吸熱為正，放熱為負(fù) 熱量的符號(hào)：Q （KJ） q （KJ/kg） 2功源：與系統(tǒng)只進(jìn)行功交換的外界。 分類：1）容積功：封閉系統(tǒng)與功源交換的功。包括：膨脹功和壓縮功 符號(hào)：W （KJ） w （KJ/kg）2）軸功：開口系統(tǒng)與功源交換的功。 符號(hào)：Ws （KJ） ws （KJ/kg） 功的規(guī)定：系統(tǒng)對(duì)外界作功為正 外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)第二節(jié) 熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)1狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬時(shí)所處的宏觀物理狀態(tài)。2狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀特性的物理量。 狀態(tài)變則參數(shù)變；參數(shù)變則狀態(tài)也變。狀態(tài)不變參數(shù)不變

3、。參數(shù)與變化的途徑無(wú)關(guān)。2熱力學(xué)平衡態(tài)1平衡態(tài)的定義：在沒(méi)有外界影響的條件下，如封閉系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時(shí)間而改變，則系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡態(tài)。2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平衡態(tài)的條件：同時(shí)處于熱平衡和力學(xué)平衡，即無(wú)不平衡勢(shì)。 熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)溫差 力學(xué)平衡：系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)壓差3 平衡與穩(wěn)定、均勻的差別：平衡必穩(wěn)定，穩(wěn)定未必平衡；均勻必平衡，平衡未必均勻。3熱力狀態(tài)參數(shù) 常用的有六個(gè)：壓力、溫度、體積、內(nèi)能（熱力學(xué)能）、焓和熵。 狀態(tài)參數(shù)可分為：強(qiáng)度量和尺度量 強(qiáng)度量：描述系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)特征的狀態(tài)參數(shù)，與質(zhì)量無(wú)關(guān)，不具有可加性。 尺度量：描述系統(tǒng)總體特征的狀態(tài)參數(shù)，與質(zhì)量有關(guān)，具有可加性。 過(guò)程參數(shù)：與狀態(tài)和過(guò)程均有關(guān)的參數(shù)

4、。有：熱量、功。 基本狀態(tài)參數(shù)：壓力、溫度和比容。1壓力：定義：工質(zhì)指向系統(tǒng)表面單位面積上的垂直作用力。分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)：大量工質(zhì)分子撞擊壁面的宏觀表現(xiàn)；與單位體積內(nèi)的分子數(shù)和分子的平均移動(dòng)動(dòng)能成正比。1）單位：Pa 或 Mpa2）大氣壓力：pb 與緯度、高度、溫度、濕度有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義，符號(hào)atm3）表壓力、真空度、絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力：p 是狀態(tài)參數(shù)表壓力：pg=p- pb真空度：pv= pb-p2溫度定義：表示物體冷熱程度的物理量。1）熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）2）溫標(biāo)：溫度的表示方法。有三種方式：（1）攝氏溫標(biāo)：0度100度（2）華氏溫標(biāo)：32度212度（3）熱力學(xué)溫標(biāo)：從攝氏零下2

5、73.15度起三者間的換算。3 比容和密度4狀態(tài)公理 只要有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)就可確定系統(tǒng)的狀態(tài)。第三節(jié) 熱力過(guò)程1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（準(zhǔn)平衡過(guò)程）1定義：書上P132馳豫時(shí)間：恢復(fù)平衡所需的時(shí)間。3實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的充要條件：過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于馳豫時(shí)間。2可逆過(guò)程1實(shí)際過(guò)程的不可逆因素有：1）耗散效應(yīng)：功通過(guò)摩擦自發(fā)變成熱的現(xiàn)象。2）有限溫差下的熱傳遞：熱量自發(fā)的從高溫到低溫。3）自由膨脹：4）不同工質(zhì)的混合：工質(zhì)相互之間的自由擴(kuò)散。2可逆過(guò)程的定義：書上P14 熱傳遞過(guò)程中：無(wú)傳熱溫差是實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的條件。 系統(tǒng)對(duì)外作功過(guò)程中：無(wú)摩擦是實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的條件。 實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的充要條件是：內(nèi)外平衡。

6、 無(wú)耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程。3 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程均可在坐標(biāo)圖上用連續(xù)的實(shí)線表示。第三章 熱力學(xué)第一定律第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容及實(shí)質(zhì)1實(shí)質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換和守恒定律2內(nèi)容：輸入系統(tǒng)的能量系統(tǒng)輸出的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化量3第一類永動(dòng)機(jī)第二節(jié) 系統(tǒng)的儲(chǔ)存能量1內(nèi)部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能（內(nèi)能）熱力學(xué)能的定義：P19符號(hào)：U （KJ） 或 u （KJ/Kg）熱力學(xué)能取決于工質(zhì)的溫度和體積。2外部?jī)?chǔ)存能第二節(jié) 熱量和功一 熱量和T-S圖1熱量定義 q=Tds2熱量的性質(zhì)：溫差是驅(qū)動(dòng)力，是不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的能量傳方式。3T-S圖：示熱圖。系統(tǒng)與外界交換的熱量用圖中過(guò)程曲線下方的面積表示

7、。二 容積功和p-v圖1容積功定義 w=pdv2容積功的性質(zhì)：壓差是驅(qū)動(dòng)力，是規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量傳遞方式。3p-v圖：示功圖。系統(tǒng)與外界交換的容積功用圖中過(guò)程曲線下方的面積表示。第三節(jié) 封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律 一定質(zhì)量工質(zhì)，吸熱為Q，對(duì)外作功為W，內(nèi)能變化量為U，則 Q=U+W 對(duì)單位質(zhì)量的工質(zhì) q= u+w 對(duì)微元過(guò)程 dq=du+dw以上方程適用于任何工質(zhì)的任何過(guò)程。若過(guò)程為可逆過(guò)程，則Q= U+ pdV q= u+pdv dq=du+pdv第四節(jié) 開口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律1一元穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)能量分析2穩(wěn)定流動(dòng)能量方程和技術(shù)功1穩(wěn)定流動(dòng)能量方程2技術(shù)功：流動(dòng)動(dòng)能變化量與軸功之和。 技術(shù)功的

8、表示：p-v圖上過(guò)程曲線左邊的面積。3 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用1）換熱器2）噴管和擴(kuò)壓管3）氣輪機(jī)4）泵和壓縮機(jī)5）節(jié)流第三章 熱力學(xué)第二定律第一節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律研究的內(nèi)容：1熱功轉(zhuǎn)換的方向：根本性的問(wèn)題2熱變功的條件3熱變功的限度一 循環(huán)1熱機(jī)循環(huán)：正循環(huán)（順時(shí)針） 目的 熱效率2制冷循環(huán)：逆循環(huán)（逆時(shí)針） 目的 制冷系數(shù)3熱泵循環(huán)：逆循環(huán) 目的 供熱系數(shù)二 熱力學(xué)第二定律表述1開爾文說(shuō)法闡明了熱功轉(zhuǎn)換的方向性。熱功轉(zhuǎn)換的條件：至少要有兩個(gè)熱源熱功轉(zhuǎn)換的限度：熱效率低于100%第二類永動(dòng)機(jī)是造不成的2克勞修斯說(shuō)法闡明了熱量傳遞的方向性。熱量從低溫到高溫的條件：消耗外界的機(jī)械功

9、第二節(jié) 卡諾循環(huán)和卡諾定理一 卡諾循環(huán)1卡諾循環(huán)的定義2卡諾循環(huán)包括的過(guò)程：兩個(gè)等溫和兩個(gè)絕熱3卡諾循環(huán)的熱效率：只與溫度有關(guān)，永遠(yuǎn)小于100%2卡諾定理 分兩層意思三 提高熱效率的途徑1提高高溫?zé)嵩吹臏囟?降低低溫?zé)嵩吹臏囟?使實(shí)際過(guò)程盡可能向可逆循環(huán)靠攏第三節(jié) 逆卡諾循環(huán)一 逆卡諾循環(huán)1循環(huán)包括的過(guò)程：兩個(gè)等溫和兩個(gè)絕熱。2逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)：只與溫度有關(guān)，不可能為無(wú)窮大。2提高制冷系數(shù)的途徑1盡量提高冷庫(kù)溫度2盡量降低冷凝溫度3減少過(guò)程的不可逆性第四章 理想氣體第一節(jié) 理想氣體狀態(tài)方程1理想氣體的分子模型2實(shí)際氣體的理想化條件一 氣體的實(shí)驗(yàn)定律1波義耳馬略特定律2蓋呂薩克定律3查理定律

10、2理想氣體狀態(tài)方程：氣體常數(shù)R3通用氣體常數(shù)第二節(jié) 理想氣體比熱一 比熱及其分類1比熱定義2比熱分類 1）質(zhì)量比熱：質(zhì)量定壓比熱、質(zhì)量定容比熱 2）容積比熱 3）千摩爾比熱三者間的關(guān)系3理想氣體的比熱：與溫度有關(guān)，與壓力無(wú)關(guān)4真實(shí)質(zhì)量比熱5平均質(zhì)量比熱二 應(yīng)用比熱計(jì)算熱量1比熱與溫度成曲線關(guān)系2比熱與溫度成直線關(guān)系3比熱是定值 第三節(jié) 理想氣體的內(nèi)能和焓1理想氣體的內(nèi)能 理想氣體的內(nèi)能僅有內(nèi)動(dòng)能，無(wú)內(nèi)勢(shì)能。它是絕對(duì)溫度的單值函數(shù)。 du=cvdT 對(duì)實(shí)際氣體，該方程僅適用于定容過(guò)程。2理想氣體的焓 理想氣體的焓是絕對(duì)溫度的單值函數(shù)。 dh=cpdT 對(duì)實(shí)際氣體，該方程僅適用于定壓過(guò)程。三 邁耶

11、方程第四節(jié) 理想氣體的熱力過(guò)程一 定容過(guò)程1過(guò)程方程：p=常數(shù)2處終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系3p-v圖和T-s圖4能量計(jì)算分析 1）容積功：等于零 2）技術(shù)功：wt=v(p1-p2) 3）第一定律公式：q=u結(jié)論：外界加給封閉系統(tǒng)的熱量全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能。二 定壓過(guò)程1過(guò)程方程：p=常數(shù)2處終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系3p-v圖和T-s圖： T-s圖上定容線比定壓線陡。4能量計(jì)算分析 1）容積功：w=p(v2-v1) 2）技術(shù)功：等于零 3）封閉系統(tǒng)第一定律公式： q=cv(t2-t1)+p(v2-v1)結(jié)論：外界加給封閉系統(tǒng)的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能，其余用于系統(tǒng)對(duì)外界作膨脹功。 4）開口系統(tǒng)第一定律公式：

12、q=h結(jié)論：外界加給開口系統(tǒng)的熱量全部用來(lái)增加流動(dòng)工質(zhì)的焓。三 定溫過(guò)程1過(guò)程方程：T=常數(shù)2初終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系3p-v圖和T-s圖4能量計(jì)算分析 1）容積功等于技術(shù)功 2）內(nèi)能和焓的變化量：等于零 3）第一定律公式： q=w結(jié)論：定溫過(guò)程中，外界加給封閉系統(tǒng)的熱量全部用來(lái)對(duì)外作功。定溫膨脹是吸熱過(guò)程，定溫壓縮是放熱過(guò)程。四 絕熱過(guò)程1過(guò)程方程：pvk=常數(shù) k為絕熱指數(shù)，與溫度氣體有關(guān)2初終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系3p-v圖和T-s圖： p-v圖上絕熱線比定溫線陡。4能量計(jì)算分析 1）容積功 2）技術(shù)功：等于k倍的容積功。 3）第一定律公式： u=-w結(jié)論：絕熱過(guò)程中，封閉系統(tǒng)對(duì)外界作的功完全是系統(tǒng)內(nèi)能減少的結(jié)果。五 多變過(guò)程1過(guò)程方程：pvn=常數(shù) n為多變指數(shù) 當(dāng)n=0時(shí)，為定壓過(guò)程 當(dāng)n=1時(shí)，為定溫過(guò)程 當(dāng)n=k時(shí)，為絕熱過(guò)程 當(dāng)n=時(shí)，為定容過(guò)程2初終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系3能量計(jì)算4p-v圖和T-s圖5多變過(guò)程的比熱分析第五章 水蒸氣第一節(jié) 飽和壓力和飽和溫