過(guò)程流體機(jī)械-補(bǔ)充工程熱力學(xué)內(nèi)容

1、過(guò)程流體機(jī)械過(guò)程流體機(jī)械工程熱力學(xué)補(bǔ)充內(nèi)容工程熱力學(xué)補(bǔ)充內(nèi)容u本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容基本概念基本概念熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律理想氣體的性質(zhì)理想氣體的性質(zhì)理想氣體的熱力過(guò)程理想氣體的熱力過(guò)程1.1 1.1 工質(zhì)及熱力系工質(zhì)及熱力系1.2 1.2 熱力系的宏觀描述熱力系的宏觀描述1.3 1.3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)1.4 1.4 熱力過(guò)程及熱力循環(huán)熱力過(guò)程及熱力循環(huán)第一章第一章 熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念1.1 1.1 工質(zhì)及熱力系工質(zhì)及熱力系工工 質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)熱源（高溫?zé)嵩矗嵩矗ǜ邷責(zé)嵩矗?：工質(zhì)從中吸取熱能的

2、物系：工質(zhì)從中吸取熱能的物系冷源（低溫?zé)嵩矗├湓矗ǖ蜏責(zé)嵩矗?：接受工質(zhì)放出熱能的物系：接受工質(zhì)放出熱能的物系 為了研究問(wèn)題方便，熱力學(xué)中常把為了研究問(wèn)題方便，熱力學(xué)中常把分析對(duì)象分析對(duì)象從周?chē)鷱闹車(chē)矬w中分割出來(lái)，研究它與周?chē)矬w之間的能量和物物體中分割出來(lái)，研究它與周?chē)矬w之間的能量和物質(zhì)的傳遞。質(zhì)的傳遞。熱力系統(tǒng)（熱力系）：熱力系統(tǒng)（熱力系）：人為分割人為分割出來(lái)作為熱出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。外外 界：熱力系統(tǒng)以外的部分。界：熱力系統(tǒng)以外的部分。邊邊 界：界：系統(tǒng)與外界之間的分界面系統(tǒng)與外界之間的分界面。 邊界可以是實(shí)在的，也可以是假想的；邊界可

3、以是實(shí)在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動(dòng)的?？梢允枪潭ǖ模部梢允且苿?dòng)的。系統(tǒng)與邊界：系統(tǒng)與邊界： 以空間為系統(tǒng)，進(jìn)、以空間為系統(tǒng)，進(jìn)、出口邊界均為假想邊出口邊界均為假想邊界，系統(tǒng)與外界有物界，系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換質(zhì)交換以氣缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)以氣缸內(nèi)氣體為系統(tǒng), ,活塞表面上的邊界是移活塞表面上的邊界是移動(dòng)邊界，系統(tǒng)與外界沒(méi)動(dòng)邊界，系統(tǒng)與外界沒(méi)有物質(zhì)交換有物質(zhì)交換系統(tǒng)系統(tǒng)1-2 1-2 熱力系的宏觀描述熱力系的宏觀描述一一. . 熱力學(xué)狀態(tài)：熱力學(xué)狀態(tài)： 工質(zhì)在某一瞬間呈現(xiàn)出來(lái)的宏觀物理狀工質(zhì)在某一瞬間呈現(xiàn)出來(lái)的宏觀物理狀況，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。況，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。二二. . 狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：描

4、述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量。如溫度、描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量。如溫度、壓力等。壓力等。三三. . 狀態(tài)參數(shù)的特性：狀態(tài)參數(shù)的特性： 狀態(tài)參數(shù)都是宏觀的物理量。狀態(tài)參數(shù)都是宏觀的物理量。 狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)的單值函數(shù)，其值只取狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)的單值函數(shù)，其值只取決于初終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。決于初終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。四四. . 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變態(tài)能夠始終保持不變, ,則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)平衡的充要條件：實(shí)現(xiàn)平衡的充要條件： 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界之間的一切不平衡系統(tǒng)

5、內(nèi)部及系統(tǒng)與外界之間的一切不平衡勢(shì)差（力差、溫差、化學(xué)勢(shì)差）消失是系統(tǒng)實(shí)勢(shì)差（力差、溫差、化學(xué)勢(shì)差）消失是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱力平衡狀態(tài)的充要條件?，F(xiàn)熱力平衡狀態(tài)的充要條件。 自然界的物質(zhì)實(shí)際上都處于非平衡狀態(tài)，自然界的物質(zhì)實(shí)際上都處于非平衡狀態(tài)，平衡只是一種極限的理想狀態(tài)。平衡只是一種極限的理想狀態(tài)。 工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)。工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)。熱力平衡狀態(tài)滿足：熱力平衡狀態(tài)滿足：熱平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒(méi)有熱量的熱平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒(méi)有熱量的傳遞。傳遞。力平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒(méi)有相對(duì)位力平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒(méi)有相對(duì)位移。移。一一. . 溫標(biāo)溫標(biāo)

6、定義：溫標(biāo)是指溫度的數(shù)值表示法定義：溫標(biāo)是指溫度的數(shù)值表示法溫標(biāo)三要素：溫標(biāo)三要素：測(cè)溫物質(zhì)及其測(cè)溫屬性測(cè)溫物質(zhì)及其測(cè)溫屬性基準(zhǔn)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)分度方法分度方法1-3 1-3 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) 任選任選一種物質(zhì)一種物質(zhì)的某一的某一測(cè)溫屬性測(cè)溫屬性，采用以，采用以上溫標(biāo)的規(guī)定所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，上溫標(biāo)的規(guī)定所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)依賴于測(cè)溫物質(zhì)的物理性質(zhì)依賴于測(cè)溫物質(zhì)的物理性質(zhì)。熱力學(xué)理論指出可以建立一種不依賴于測(cè)溫?zé)崃W(xué)理論指出可以建立一種不依賴于測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)的溫標(biāo)物質(zhì)的性質(zhì)的溫標(biāo), ,即熱力學(xué)即熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)絕對(duì)溫標(biāo)。 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)與絕對(duì)溫標(biāo)：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)與絕對(duì)溫標(biāo)：熱力學(xué)

7、絕對(duì)溫標(biāo)熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)（熱力學(xué)溫度或絕對(duì)溫度）（熱力學(xué)溫度或絕對(duì)溫度） 開(kāi)爾文在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，從理論開(kāi)爾文在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，從理論上引入的上引入的與測(cè)溫物質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo)與測(cè)溫物質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo)。它可作為。它可作為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，一切經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)均可以用此溫標(biāo)來(lái)校正。標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，一切經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)均可以用此溫標(biāo)來(lái)校正。符號(hào)為符號(hào)為T(mén) T，單位為，單位為K(K(稱稱“開(kāi)爾文開(kāi)爾文”) ) 規(guī)定水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定此點(diǎn)的溫規(guī)定水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定此點(diǎn)的溫度為度為273.16K273.16K二二. . 壓力壓力定義：?jiǎn)挝幻娣e上所受的垂直作用力稱為壓力定義：?jiǎn)挝幻娣e上所受的垂直作用力稱為壓

8、力（即壓強(qiáng)（即壓強(qiáng)) )壓力計(jì)：測(cè)量工質(zhì)壓力的儀器。常見(jiàn)的壓力計(jì)有壓力計(jì)：測(cè)量工質(zhì)壓力的儀器。常見(jiàn)的壓力計(jì)有壓力表和壓力表和U U型管。型管。 由于壓力計(jì)的測(cè)壓元件處于某種環(huán)境壓力由于壓力計(jì)的測(cè)壓元件處于某種環(huán)境壓力的作用下，因此壓力計(jì)所測(cè)得的壓力是工質(zhì)的的作用下，因此壓力計(jì)所測(cè)得的壓力是工質(zhì)的真真實(shí)壓力實(shí)壓力 （或稱絕對(duì)壓力）與環(huán)境壓力（或稱絕對(duì)壓力）與環(huán)境壓力bpp之差之差，叫做表壓力，叫做表壓力ep或真空或真空度度vp壓力的單位：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位：帕斯卡壓力的單位：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位：帕斯卡( (簡(jiǎn)稱帕簡(jiǎn)稱帕) ) 符符號(hào)：號(hào)： ，211/apNmap工程單位：工程單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（a

9、tm , atm , 也稱物理大氣壓）也稱物理大氣壓）巴巴 (bar)(bar)工程大氣壓（工程大氣壓（atat）毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg)mmHg)毫米水柱（毫米水柱（mmHmmH2 2O)O)三三. . 比體積和密度比體積和密度比體積比體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積mVv 單位：?jiǎn)挝唬?/mkg密度密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Vm單位：?jiǎn)挝唬簁g/mkg/m3 3v v與與互成倒數(shù)，即：互成倒數(shù)，即：vv1 11.4 1.4 熱力過(guò)程及熱力循環(huán)熱力過(guò)程及熱力循環(huán)一一. . 熱力過(guò)程：熱力過(guò)程：熱力系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的全部過(guò)熱力系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)變化

10、到另一個(gè)狀態(tài)的全部過(guò)程。程。 就熱力系本身而言，熱力學(xué)僅對(duì)平衡狀態(tài)就熱力系本身而言，熱力學(xué)僅對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行描述。進(jìn)行描述。二、二、 過(guò)程量過(guò)程量- -功和熱量功和熱量 只要存在不平衡勢(shì)差的推動(dòng)作用，系統(tǒng)和外只要存在不平衡勢(shì)差的推動(dòng)作用，系統(tǒng)和外界就會(huì)發(fā)生能量的交換界就會(huì)發(fā)生能量的交換- -作功或傳熱作功或傳熱 功的力學(xué)定義：功的力學(xué)定義：功是力和力方向上位移的乘積。功是力和力方向上位移的乘積。功的熱力學(xué)定義：功的熱力學(xué)定義： 在力差推動(dòng)下，熱力系統(tǒng)通過(guò)邊界而傳遞的能在力差推動(dòng)下，熱力系統(tǒng)通過(guò)邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。21 21WFdxWF

11、dx氣缸活塞飛輪熱源觀察下面的過(guò)程觀察下面的過(guò)程,看熱能是如何看熱能是如何轉(zhuǎn)換為功的轉(zhuǎn)換為功的工質(zhì)、機(jī)器和熱源組成的工質(zhì)、機(jī)器和熱源組成的系統(tǒng)系統(tǒng)氣缸活塞飛輪熱源左止點(diǎn)1pv可逆過(guò)程模擬可逆過(guò)程模擬氣缸活塞飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)1pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41問(wèn)題：左圖中陰影部分的面積代表什么？作功：借作功來(lái)傳

12、遞能量總是和物體的宏觀位移有關(guān)。作功過(guò)程中往往伴隨著能量形態(tài)的變化。傳熱：借傳熱來(lái)傳遞能量不需要物體的宏觀移動(dòng)。傳熱是相互接觸的物體間存在溫差時(shí)發(fā)生的能量傳遞過(guò)程。氣缸飛輪熱源左止點(diǎn)右止點(diǎn)12pv續(xù)續(xù)41二、容積功二、容積功21wpdv可逆過(guò)程的容積功在pv圖中的表示21wpdv*強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)：pv0dv 0ww0dv 0ww0dv 0w 功的正負(fù)：功的正負(fù)： 熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正，熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)。外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)。功的單位功的單位: : 焦耳（焦耳（J J）mNJ11比功與功率比功與功率比功：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)所作的功，單位：比功：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物

13、質(zhì)所作的功，單位：J/kgJ/kgsJW/11mWw 功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的功，單位：功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的功，單位：W W（瓦）（瓦）有關(guān)功的說(shuō)明有關(guān)功的說(shuō)明功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初、終態(tài)，而且還和功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初、終態(tài)，而且還和過(guò)程的中間途徑有關(guān)，因此過(guò)程的中間途徑有關(guān)，因此功不是狀態(tài)參數(shù)，是功不是狀態(tài)參數(shù)，是過(guò)程量。過(guò)程量。 微元過(guò)程作出過(guò)程量用微元過(guò)程作出過(guò)程量用 表示，如微表示，如微功量用功量用 w（狀態(tài)參數(shù)為微增量，用（狀態(tài)參數(shù)為微增量，用d表示，如表示，如dp 、 dv 、 dT） 膨脹功、壓縮功均是通過(guò)膨脹功、壓縮功均是通過(guò)工質(zhì)體積變化與外界工質(zhì)體積變化與外界交換的

14、功交換的功，統(tǒng)稱為體積變化功。體積變化功只與，統(tǒng)稱為體積變化功。體積變化功只與氣體的壓力及體積的變化量有關(guān)，與形狀無(wú)關(guān)。氣體的壓力及體積的變化量有關(guān)，與形狀無(wú)關(guān)。熱量的定義熱量的定義 熱力系統(tǒng)與外界之間僅僅由于熱力系統(tǒng)與外界之間僅僅由于溫度差溫度差則通過(guò)則通過(guò)邊界傳遞的能量，用邊界傳遞的能量，用Q Q表示（比熱量為表示（比熱量為q q）熱量的正負(fù)熱量的正負(fù) 熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)熱量的單位熱量的單位國(guó)際單位：國(guó)際單位：J J（焦耳），工程單位：（焦耳），工程單位：kJkJ（千焦）（千焦） 定義定義: :熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而熱力系和

15、外界之間僅僅由于溫度不同而通過(guò)邊界傳遞的能量通過(guò)邊界傳遞的能量. . 計(jì)算公式計(jì)算公式: :Tdsq 2121TdsqdssT21s2s10熱量單位熱量單位:J,kJ:J,kJ可逆過(guò)程中熱量的計(jì)算：可逆過(guò)程中熱量的計(jì)算：2.1 2.1 循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第一定律循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第一定律2.2 2.2 閉口系的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式閉口系的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式2.3 2.3 開(kāi)口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式開(kāi)口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式第二章 熱力學(xué)第一定律一一. . 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)2.1 2.1 循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第一定律循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第一定律能量轉(zhuǎn)換與守恒定律定律指出：能

16、量轉(zhuǎn)換與守恒定律定律指出： 一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。定不變。 熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是：熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在在熱力學(xué)中的應(yīng)用，它確定了熱力過(guò)程中各種能量在數(shù)熱力學(xué)中的應(yīng)用，它確定了熱力過(guò)程中各種能量在數(shù)量上的相互關(guān)系。量上的相互關(guān)系。 在工程熱力學(xué)的范圍內(nèi)，主要考慮在工程熱力學(xué)的范圍內(nèi)，主要考慮熱能與機(jī)械能熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換與

17、守恒，因此熱力學(xué)第一定律可表述之間的相互轉(zhuǎn)換與守恒，因此熱力學(xué)第一定律可表述為：為： 熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，在相互轉(zhuǎn)變時(shí)熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，在相互轉(zhuǎn)變時(shí)能的總量是不變的。能的總量是不變的。 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，為了獲得機(jī)械能，則必須根據(jù)熱力學(xué)第一定律，為了獲得機(jī)械能，則必須花費(fèi)熱能或其他形式能量，第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)花費(fèi)熱能或其他形式能量，第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)的。 就是系統(tǒng)變化過(guò)程中的能量平衡方程式，任何就是系統(tǒng)變化過(guò)程中的能量平衡方程式，任何系統(tǒng)、任何過(guò)程均可根據(jù)以下原則建立能量方程式：系統(tǒng)、任何過(guò)程均可根據(jù)以下原則建立能量方程式：熱力學(xué)第一定律的熱力學(xué)第一定律

18、的能量方程式能量方程式：進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加2.2 2.2 閉口系的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式閉口系的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式一一. . 熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能是儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的能量，它與系統(tǒng)熱力學(xué)能是儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的能量，它與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)和粒子的空間位置有內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)和粒子的空間位置有關(guān)，是下列各種能量的總和關(guān)，是下列各種能量的總和: :分子熱運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)動(dòng)能分子熱運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)動(dòng)能: :它是溫度的函數(shù)。它是溫度的函數(shù)。分子間相互作用形成的內(nèi)位能分子間相互作用形成的內(nèi)位能: :它是比體積和溫度它是比體積和溫度 的函數(shù)。的函數(shù)。熱力學(xué)能：熱力學(xué)

19、能：符號(hào)：符號(hào)：U U法定計(jì)量單位：焦耳（法定計(jì)量單位：焦耳（J J）比熱力學(xué)能比熱力學(xué)能：（：（1kg1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能）物質(zhì)的熱力學(xué)能）符號(hào)：符號(hào)：u u單位：?jiǎn)挝唬篔/kgJ/kg熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。01221dUUUdUU外部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能 需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系測(cè)量的參數(shù)來(lái)表需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系測(cè)量的參數(shù)來(lái)表示的能量，稱為外部?jī)?chǔ)存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動(dòng)示的能量，稱為外部?jī)?chǔ)存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動(dòng)能和重力位能：能和重力位能：212kEmcmgzEp重力位能：重力位能：宏觀動(dòng)能：宏觀動(dòng)能：系統(tǒng)的儲(chǔ)存能系統(tǒng)的儲(chǔ)存

20、能熱力學(xué)能熱力學(xué)能 宏觀動(dòng)能宏觀動(dòng)能宏觀位能宏觀位能UkEPEEkPEUEE即即系統(tǒng)的儲(chǔ)存能系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能（簡(jiǎn)稱總能）系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能（簡(jiǎn)稱總能）1kg1kg工質(zhì)的總能為比總能：工質(zhì)的總能為比總能：212eucgz二二. . 閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式能量平衡關(guān)系式：能量平衡關(guān)系式：輸入系統(tǒng)的能量輸入系統(tǒng)的能量- -輸出系統(tǒng)的能量輸出系統(tǒng)的能量= =系統(tǒng)總儲(chǔ)存能系統(tǒng)總儲(chǔ)存能 量的變化量的變化閉口系：系統(tǒng)與外界閉口系：系統(tǒng)與外界沒(méi)有物質(zhì)交沒(méi)有物質(zhì)交換換，傳遞能量只有，傳遞能量只有熱量和功量熱量和功量?jī)蓛煞N形式。種形式。 在熱力過(guò)程中（如圖）系統(tǒng)在熱力過(guò)程中（如圖）

21、系統(tǒng)從外界熱源取得從外界熱源取得熱量熱量Q Q；對(duì)外界；對(duì)外界做做膨脹功膨脹功W W。12EEWQ2.3 2.3 開(kāi)口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式開(kāi)口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式（穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式）（穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式）實(shí)際熱力設(shè)備中實(shí)施的能量轉(zhuǎn)換往往是工質(zhì)實(shí)際熱力設(shè)備中實(shí)施的能量轉(zhuǎn)換往往是工質(zhì)在熱力裝置中循環(huán)不斷地流經(jīng)各相互銜接的在熱力裝置中循環(huán)不斷地流經(jīng)各相互銜接的熱力設(shè)備，完成不同的熱力過(guò)程后才能實(shí)現(xiàn)熱力設(shè)備，完成不同的熱力過(guò)程后才能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因此，分析這類(lèi)熱力設(shè)備時(shí)，常能量轉(zhuǎn)換。因此，分析這類(lèi)熱力設(shè)備時(shí)，常采用采用開(kāi)口系即控制容積的分析方法。開(kāi)口系即控制容積的分析方法。一一. . 穩(wěn)

22、定流動(dòng)與流動(dòng)功穩(wěn)定流動(dòng)與流動(dòng)功 工程上實(shí)施的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一般都是在工質(zhì)不工程上實(shí)施的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一般都是在工質(zhì)不斷流過(guò)熱工設(shè)備時(shí)進(jìn)行的。常用的熱工設(shè)備除了起斷流過(guò)熱工設(shè)備時(shí)進(jìn)行的。常用的熱工設(shè)備除了起動(dòng)、停止或者加減負(fù)荷外，動(dòng)、停止或者加減負(fù)荷外，大部分時(shí)間是在外界影大部分時(shí)間是在外界影響不變的條件下穩(wěn)定運(yùn)行的。響不變的條件下穩(wěn)定運(yùn)行的。這種流動(dòng)狀況稱為穩(wěn)這種流動(dòng)狀況稱為穩(wěn)定流動(dòng)，即開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)流體的熱力狀態(tài)和流動(dòng)定流動(dòng)，即開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)流體的熱力狀態(tài)和流動(dòng)情況都不隨時(shí)間變化。情況都不隨時(shí)間變化。 推動(dòng)功推動(dòng)功工質(zhì)在流過(guò)熱工設(shè)備時(shí)，必須受外力推動(dòng)，這種推動(dòng)工工質(zhì)在流過(guò)熱工設(shè)備時(shí)，必須受外力推

23、動(dòng)，這種推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)而作的功稱為質(zhì)流動(dòng)而作的功稱為推動(dòng)功推動(dòng)功，進(jìn)出系統(tǒng)的，進(jìn)出系統(tǒng)的推動(dòng)功之差稱推動(dòng)功之差稱為流動(dòng)功為流動(dòng)功（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功）。（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功）。如圖所示，當(dāng)質(zhì)量為如圖所示，當(dāng)質(zhì)量為m m的工質(zhì)在外力的推的工質(zhì)在外力的推動(dòng)下克服壓力動(dòng)下克服壓力p p移動(dòng)距離移動(dòng)距離h h，進(jìn)入截面積為，進(jìn)入截面積為A A的氣缸時(shí)，則外界所作的推動(dòng)功為的氣缸時(shí)，則外界所作的推動(dòng)功為pAhpVmpv 推動(dòng)功示意圖推動(dòng)功示意圖 流動(dòng)功流動(dòng)功（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功）：（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功）：流動(dòng)功是由泵或壓縮機(jī)加載給被輸送的工質(zhì)并隨著工質(zhì)流動(dòng)功

24、是由泵或壓縮機(jī)加載給被輸送的工質(zhì)并隨著工質(zhì)的的流動(dòng)而向前傳遞的一種能量。流動(dòng)而向前傳遞的一種能量。工質(zhì)從進(jìn)口到出口，從狀態(tài)工質(zhì)從進(jìn)口到出口，從狀態(tài)1 1膨脹膨脹到狀態(tài)到狀態(tài)2 2，膨脹功為，膨脹功為W W，在不計(jì)工，在不計(jì)工質(zhì)質(zhì)的動(dòng)能與位能變化時(shí)，開(kāi)系與外的動(dòng)能與位能變化時(shí)，開(kāi)系與外界界交換的功量應(yīng)為膨脹功與流動(dòng)功交換的功量應(yīng)為膨脹功與流動(dòng)功之之差差W W - - ( ( pv pv ) )()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 有有m m1 1的微元工質(zhì)的微元工質(zhì)流入進(jìn)口截面流入進(jìn)口截面1 11 1， 有有m m2 2的微元工質(zhì)流出出口截面的微

25、元工質(zhì)流出出口截面2 22 2 系統(tǒng)從外界接受熱量系統(tǒng)從外界接受熱量Q Q 系統(tǒng)工質(zhì)通過(guò)機(jī)器軸輸出功系統(tǒng)工質(zhì)通過(guò)機(jī)器軸輸出功W Ws s為軸功為軸功 E=Q+P1V1-WS-P2V2 =U+EK+EP Q=U+（P2V2-P1V1）+WS+EK+EP =U+（P2V2-P1V1）+Wt q=u+(pv)+wt =(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+wt 令令h=u+pv 則則q=h2-h1+wt=h+wt此三項(xiàng)為機(jī)械能，是技術(shù)上可資此三項(xiàng)為機(jī)械能，是技術(shù)上可資利用的功，稱為技術(shù)功，用利用的功，稱為技術(shù)功，用Wt 表示表示 焓等于熱力學(xué)能與推動(dòng)功之和。焓等于熱力學(xué)能與推動(dòng)功之和。焓的物理意義

26、表示每千克工質(zhì)沿流動(dòng)方向向前傳遞的總能焓的物理意義表示每千克工質(zhì)沿流動(dòng)方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分。量中取決于熱力狀態(tài)的那部分。pvuh焓的意義焓的意義： 焓是焓是物質(zhì)進(jìn)出開(kāi)口系統(tǒng)時(shí)帶入或帶出的熱力學(xué)能與推動(dòng)功物質(zhì)進(jìn)出開(kāi)口系統(tǒng)時(shí)帶入或帶出的熱力學(xué)能與推動(dòng)功之和，是隨物質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。之和，是隨物質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。 焓是一種宏觀存在的狀態(tài)參數(shù)，不僅在開(kāi)口系統(tǒng)中出現(xiàn)，焓是一種宏觀存在的狀態(tài)參數(shù)，不僅在開(kāi)口系統(tǒng)中出現(xiàn)，而且在分析閉口系統(tǒng)時(shí)，它同樣存在。而且在分析閉口系統(tǒng)時(shí)，它同樣存在。第一定律說(shuō)明能量傳遞或轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系第一定律說(shuō)明能量傳遞或轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系第二定律說(shuō)明能量的傳遞方向

27、第二定律說(shuō)明能量的傳遞方向自發(fā)過(guò)程：高品質(zhì)自發(fā)過(guò)程：高品質(zhì)-低品質(zhì)低品質(zhì)第三章第三章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律一、一、熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 克勞修斯說(shuō)法克勞修斯說(shuō)法（18501850） 不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化?；?。 開(kāi)爾文說(shuō)法開(kāi)爾文說(shuō)法（18511851） 不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不引起其它變化。引起其它變化? (第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可以實(shí)現(xiàn)的第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可以實(shí)現(xiàn)的) )二、熵的概念二、熵的概念熵的定義規(guī)定：物質(zhì)在可逆變化過(guò)程中，熵的增量為熵的

28、定義規(guī)定：物質(zhì)在可逆變化過(guò)程中，熵的增量為 dSdqTdq-對(duì)物質(zhì)增加的熱量對(duì)物質(zhì)增加的熱量T-為物質(zhì)的絕對(duì)溫度。為物質(zhì)的絕對(duì)溫度。 熵是物質(zhì)的熵是物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)，即狀態(tài)一定時(shí)，物質(zhì)的熵值也一定。從分子運(yùn)動(dòng)論的，即狀態(tài)一定時(shí)，物質(zhì)的熵值也一定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)系統(tǒng)的分子要從有序趨向無(wú)序分子要從有序趨向無(wú)序，熵變大表示熵變大表示分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的增加分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的增加。孤立系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際發(fā)生的過(guò)程，總是使系統(tǒng)的。孤立系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際發(fā)生的過(guò)程，總是使系統(tǒng)的熵增加熵增加。熵是熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的量度。系統(tǒng)無(wú)序程度的量度。熵增加原理

29、熵增加原理1、熵是一狀態(tài)參數(shù)、熵是一狀態(tài)參數(shù)具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)平衡態(tài)確定后，熵就確定了具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)平衡態(tài)確定后，熵就確定了 熵的改變只決定于初態(tài)、終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)熵的改變只決定于初態(tài)、終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān) 熵具有可加性熵具有可加性2、熵增加原理、熵增加原理-判斷任何過(guò)程能否進(jìn)行的判據(jù)。判斷任何過(guò)程能否進(jìn)行的判據(jù)。在孤立系統(tǒng)中，在孤立系統(tǒng)中，若為絕熱可逆過(guò)程，則若為絕熱可逆過(guò)程，則s=0，理論能自發(fā)進(jìn)行，理論能自發(fā)進(jìn)行 不可逆過(guò)程，不可逆過(guò)程，s0，能自發(fā)進(jìn)行，能自發(fā)進(jìn)行 s 常溫常溫，p p5MPa5MPa的雙原子分子的雙原子分子O O2 2, N, N2 2, Air, CO, H, Ai

30、r, CO, H2 2如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾热缙?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾?但是但是, , 當(dāng)實(shí)際氣體當(dāng)實(shí)際氣體 p p 很小很小, , V V 很大很大, , T T不太低時(shí)不太低時(shí), , 即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時(shí)即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時(shí), , 可視為理想氣體?？梢暈槔硐霘怏w。 三原子分子（三原子分子（H H2 2O, COO, CO2 2) )一般不能當(dāng)作理想氣體一般不能當(dāng)作理想氣體 特殊，如空調(diào)的濕空氣，高溫?zé)煔獾奶厥猓缈照{(diào)的濕空氣，高溫?zé)煔獾腃OCO2 2 ，可以當(dāng)，可以當(dāng)作理想氣體作理想氣體0pvRTpVmRTpVNR T理想氣體狀態(tài)方程：理想氣

31、體狀態(tài)方程：氣體熱力參數(shù)：氣體熱力參數(shù)： 壓力：壓力：p 溫度：溫度：T （T= t+273 K） 比體積：比體積： 內(nèi)能：內(nèi)能：u 氣體質(zhì)量：氣體質(zhì)量：m 焓：焓：h 熵：熵：s 熱量：熱量：q 功：功：W 氣體分子量：氣體分子量： 氣體常數(shù)：氣體常數(shù)：R 通用氣體常數(shù)：通用氣體常數(shù)：R0=MR 氣體摩爾質(zhì)量：氣體摩爾質(zhì)量：M （M=/1000） 氣體摩爾數(shù)：氣體摩爾數(shù)：N熱力學(xué)中給熱力學(xué)中給出了五種計(jì)出了五種計(jì)算方法：算方法：u等容過(guò)程等容過(guò)程u等壓過(guò)程等壓過(guò)程u等溫過(guò)程等溫過(guò)程u等熵過(guò)程等熵過(guò)程u多變過(guò)程多變過(guò)程一、等容過(guò)程一、等容過(guò)程 等容過(guò)程是工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中等容過(guò)程是工質(zhì)在狀態(tài)

32、變化過(guò)程中容容積保持不變積保持不變的熱力過(guò)程。的熱力過(guò)程。1.過(guò)程方程式：過(guò)程方程式： v = 定值定值2.初、始狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式：初、始狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式：21vv 1212TTpp3.過(guò)程中傳遞的能量過(guò)程中傳遞的能量 膨脹功膨脹功 熱量熱量（ 為定值，等容熱容）為定值，等容熱容）021pdvw)(12TTcuwuqvvc0pvRTpVmRTpVNR T0vvCTdSdTTdTCTdqdS等容過(guò)程中系統(tǒng)與外界沒(méi)有膨脹功的傳遞，等容過(guò)程中系統(tǒng)與外界沒(méi)有膨脹功的傳遞，過(guò)程加入的熱量全部用于增加氣體的熱力學(xué)能。過(guò)程加入的熱量全部用于增加氣體的熱力學(xué)能。0pvRTpVmRTpVNR Tp pv vT Ts

33、 s1 12 21 12 2220q 0q 0vvCTdSdTTdTCTdqdSp 2211TvTv12;pp過(guò)程定容過(guò)程斜率大于定壓開(kāi)口系vppppCCCTdsdTTTCTdqdsTCq 0pvRTpVmRTpVNR T等壓過(guò)程的等壓過(guò)程的pvpv圖和圖和T-sT-s圖圖v vs sp pT T1 12 21 12 2v v2 2 0q 0q 0w 0w 0pvRTpVmRTpVNR T三三. . 等溫過(guò)程等溫過(guò)程 過(guò)程方過(guò)程方程程T 定值定值狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 2112pvpv12;TT等溫過(guò)程的過(guò)程曲等溫過(guò)程的過(guò)程曲線線pv 定值定值由過(guò)程方程得由過(guò)程方程得1pv可知在可知在p

34、-vp-v圖上是一等邊雙曲線圖上是一等邊雙曲線, ,0pvRTpVmRTpVNR T曲線的斜率是曲線的斜率是Tppvv pT12120q 0q 2 2 vs0pvRTpVmRTpVNR T等溫膨脹過(guò)程中吸收的熱量，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀葴嘏蛎涍^(guò)程中吸收的熱量，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浌?；等溫壓縮時(shí)消耗的壓縮功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁Γ坏葴貕嚎s時(shí)消耗的壓縮功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊?Q=U+W 等溫過(guò)程等溫過(guò)程U=0TdqdS pvRTpVmRT由：、11112211221212222111;p vp vp vp vp vpvp Vp Vp Vm R Tm R TpVTppVTp常 數(shù)或1 11 12 21 12 212122221

35、11;pvpvpv pvpvpvpVpVpVmRT mRTpVTppVTp常 數(shù)或 膨脹過(guò)程功：膨脹過(guò)程功： pd012p2111lnppVpWi121lnVVmRTWi21pdVWi2111VdVVpWi由由0(1)vqdupdvc dTpdv而理想氣體狀態(tài)方程而理想氣體狀態(tài)方程或或pvcdvdpdvdpkcvpvp pvRT定值定值kpv 兩邊積分并整理得兩邊積分并整理得其微分形式其微分形式(2)pdvvdpdTR將將(2)(2)代入代入(1)(1)式式0vpdvvdpcpdvR0vcpdvvdpRpdv0pvc pdvc vdp四四. . 可逆絕熱過(guò)程（等熵過(guò)程）可逆絕熱過(guò)程（等熵過(guò)程）

36、TdqdS 狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 2112;kpvpv 12211;kkTpTp 等熵過(guò)程的過(guò)程曲線等熵過(guò)程的過(guò)程曲線等熵過(guò)程曲線的斜率：等熵過(guò)程曲線的斜率：sppkvv 由過(guò)程方程得由過(guò)程方程得1kpv可知在可知在p-vp-v圖上是一高次雙曲線圖上是一高次雙曲線12112kTvTv 等溫過(guò)程曲線的斜率：等溫過(guò)程曲線的斜率：Tppvv pvTs1212T22定值定值kpv k:理想氣體的等熵指數(shù)，僅為溫理想氣體的等熵指數(shù)，僅為溫度的函數(shù)，見(jiàn)教材圖度的函數(shù)，見(jiàn)教材圖1-2wip12絕熱過(guò)程功絕熱過(guò)程功 Wi 對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體,絕熱膨脹絕熱膨脹過(guò)程功：過(guò)程功：Q=U+W Q=0，所

37、以絕熱過(guò)程中工質(zhì)對(duì)外作的功所以絕熱過(guò)程中工質(zhì)對(duì)外作的功W以消耗工質(zhì)熱力學(xué)能以消耗工質(zhì)熱力學(xué)能U為代價(jià)為代價(jià)21121111121211( )111111kkikiipWpdvpvJkpvWmRTkvWmR TTJk1 五、多變過(guò)程五、多變過(guò)程 非等溫、非絕熱下的非等溫、非絕熱下的相對(duì)較實(shí)際的壓縮過(guò)程相對(duì)較實(shí)際的壓縮過(guò)程。 多變過(guò)程方程式：多變過(guò)程方程式： 多變膨脹過(guò)程功：多變膨脹過(guò)程功： 1 122(nnnnpVpVpVp Vn常數(shù)多變指數(shù)）11212122121211nnnnpVTVTppVTVTp1221 111111nnipWpdvpVJnp1、膨脹功：、膨脹功：w=pdv，即，即 w=

38、pdv ，故膨脹功就是過(guò)程曲線與，故膨脹功就是過(guò)程曲線與 v 軸投影所圍成的面積軸投影所圍成的面積；2、技術(shù)功：、技術(shù)功：wt=-vdp ，故，故wf=-vdp ，故技術(shù)功是過(guò)程曲線與，故技術(shù)功是過(guò)程曲線與 p 軸投影所圍成的面積軸投影所圍成的面積的負(fù)值；的負(fù)值；3、流動(dòng)功：、流動(dòng)功：wf=d(pv)=pdv+vdp ，即，即 wf=pdv -(-vdp) =w - wt，故流動(dòng)功是膨脹功，故流動(dòng)功是膨脹功與技術(shù)功之差；與技術(shù)功之差；4、技術(shù)功與膨脹功大小問(wèn)題。、技術(shù)功與膨脹功大小問(wèn)題。（1）兩者的大小與路徑有關(guān)，但兩者有密切的關(guān)系。如多變過(guò)程的膨脹功與技術(shù)功的）兩者的大小與路徑有關(guān)，但兩者有密切