第一章工程熱力學(xué)

第一章工程熱力學(xué)前言主要內(nèi)容：1、什么是工程熱力學(xué)?2、為什么要學(xué)習(xí)《工程熱力學(xué)》?3、本課程的研究對象及主要內(nèi)容；

1、什么是工程熱力學(xué)?

從工程技術(shù)觀點出發(fā)，研究工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機械能的規(guī)律和方法，以及如何合理而有效地利用熱能的一門學(xué)科。即提高機械能與熱能之間相互轉(zhuǎn)換的效率，以消耗最少的熱能，獲得最多的機械能，或者以花費最少的機械能，獲得最多的熱能。前言2、為什么要學(xué)習(xí)《工程熱力學(xué)》?熱現(xiàn)象是自然界與科技領(lǐng)域中最普遍的物理現(xiàn)象，熱能的轉(zhuǎn)換和利用仍然是人類有效利用能源的最主要方式。而《工程熱力學(xué)》正是研究熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律、熱能合理利用的科學(xué)。人均資源量少，能源利用效率低，環(huán)境污染嚴重，制約國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高。環(huán)保、節(jié)能意識甚至為解決這些問題而做出貢獻。汽車發(fā)動機，火箭、飛機、常規(guī)電站、核動力裝置、太陽能集熱器等的設(shè)計和分析中，熱力學(xué)起著非常重要的作用。所以掌握工程熱力學(xué)的基本原理和基本應(yīng)用是工程教育的重要部分。前言3、本課程的研究對象及主要內(nèi)容研究對象：研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的能量利用與轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。主要內(nèi)容：（1）基本理論：工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)、熱力學(xué)第一、二定律。（2）應(yīng)用：各種熱力裝置的工作過程，并對氣體和蒸汽循環(huán)、制冷循環(huán)進行熱力分析和計算，探討提高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑。前言1.1工質(zhì)及熱力系1.2熱力系的宏觀描述1.3基本狀態(tài)參數(shù)1.4理想氣體狀態(tài)方程第一節(jié)基本概念工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。

（1）要有好的流動性；（2）受熱后有顯著的膨脹性；（3）較大的熱容量及安全可靠。工程中最適于充當(dāng)工質(zhì)的是氣體或由液態(tài)過渡為氣態(tài)的蒸氣，如蒸汽輪機中的蒸汽，內(nèi)燃機中的燃氣，制冷裝置中的制冷劑等。充當(dāng)工質(zhì)的最基本條件是：1.1工質(zhì)及熱力系第一節(jié)基本概念熱源（高溫?zé)嵩矗汗べ|(zhì)從中吸取熱能的物系。冷源（低溫?zé)嵩矗航邮芄べ|(zhì)放出熱能的物系。為了研究問題方便，熱力學(xué)中常把分析對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。第一節(jié)基本概念熱力系統(tǒng)（熱力系）：人為分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。外界：熱力系統(tǒng)以外的部分。邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面。邊界可以是實在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動的。第一節(jié)基本概念系統(tǒng)與邊界：

開口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)以空間為系統(tǒng)，進、出口邊界均為假想邊界，系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換。以氣缸內(nèi)氣體為系統(tǒng),活塞表面上的邊界是移動邊界，系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換。第一節(jié)基本概念熱力系統(tǒng)的分類：根據(jù)系統(tǒng)與外界物質(zhì)交換、熱量交換的情況：閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量恒定不變，也稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，系統(tǒng)被劃定在一定容積范圍內(nèi)，也稱控制容積。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量交換，也無物質(zhì)交換。第一節(jié)基本概念物質(zhì)流進和流出熱力系統(tǒng)物質(zhì)交換能量交換傳熱和作功兩種形式熱力系外界若系統(tǒng)流進、流出工質(zhì)的質(zhì)量相同，即系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量保持不變，該系統(tǒng)是開口系統(tǒng)還是閉口系?第一節(jié)基本概念在進、排氣閥均關(guān)閉時，缸內(nèi)氣體為閉口系，在進氣閥（或排氣閥）開啟，吸（排）氣時氣缸-活塞系統(tǒng)為開口系。思考：若系統(tǒng)流進、流出工質(zhì)的質(zhì)量相同，即系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量保持不變，該系統(tǒng)是開口系統(tǒng)還是閉口系?答案：開口系，區(qū)分開口系和閉口系的關(guān)鍵是是否有質(zhì)量越過邊界，只要有質(zhì)量越過邊界就是開口系，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量的變化在這里沒有影響。閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)第一節(jié)基本概念絕熱系統(tǒng)保溫瓶中熱水向外界散熱很少，可近似作絕熱系統(tǒng)，而熱水袋則不是絕熱系，蒸汽管道外均包保溫材料，也可近似為絕熱系統(tǒng)。第一節(jié)基本概念思考1：絕熱系統(tǒng)可否與外界交換功？

答案:可以,只要系統(tǒng)與外界沒有熱量交換就是絕熱系統(tǒng)。

思考2：開口系可不可以是絕熱系？

答案：可以，工質(zhì)在越過邊界時其熱力學(xué)能也越過了邊界，但熱能不是熱量，只要系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，就是絕熱系。第一節(jié)基本概念A(yù)和B溫度不同時，兩物體發(fā)生能量傳遞，若取A+B為系統(tǒng)，則為孤立系。孤立系統(tǒng)（1）取A側(cè)氣體為系統(tǒng)，是什么系統(tǒng)？（2）取A側(cè)和B側(cè)全部氣體為系統(tǒng)（不包括電熱絲），是什么系統(tǒng)？（3）取A側(cè)和B側(cè)全部氣體和電熱絲，是什么系統(tǒng)？（4）取圖中虛線內(nèi)為系統(tǒng)，是什么系統(tǒng)？第一節(jié)基本概念活塞活塞可自由移動A、B中分別裝有某種氣體，但不能相互滲透。加熱絲通電后問：閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)孤立系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)1.2熱力系的宏觀描述一.熱力學(xué)狀態(tài)：

工質(zhì)在某一瞬間呈現(xiàn)出來的宏觀物理狀況，簡稱狀態(tài)。二.狀態(tài)參數(shù)：

描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量。如溫度、壓力等。第一節(jié)基本概念三.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)是熱力系統(tǒng)的單值函數(shù)，其值只取決于初終態(tài)，與過程無關(guān)。四.平衡狀態(tài)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,則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。第一節(jié)基本概念實現(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勢差（力差、溫差、化學(xué)勢差）消失是系統(tǒng)實現(xiàn)熱力平衡狀態(tài)的充要條件。第一節(jié)基本概念自然界的物質(zhì)實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)。

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：熱平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量的傳遞。力平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有相對位移。第一節(jié)基本概念實現(xiàn)條件：力平衡：無壓差△p→0

熱平衡：無溫差

△T→0

思考題：熱力系實現(xiàn)平衡的條件是什么？平衡態(tài)定義：在不受外界影響下，熱力系客觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)。第一節(jié)基本概念一.溫標(biāo)定義：溫標(biāo)是指溫度的數(shù)值表示法。溫標(biāo)三要素：測溫物質(zhì)及其測溫屬性基準(zhǔn)點分度方法1.3基本狀態(tài)參數(shù)第一節(jié)基本概念第一節(jié)基本概念如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也一定處于熱平衡，這個基本的實驗事實又稱為熱力學(xué)第零定律。這一定律為溫度這一概念的建立、溫度的測量以及建立溫度計量的標(biāo)尺提供了理論基礎(chǔ)。在溫度的測量中，溫度計即為第零定律中的第三個物體，當(dāng)溫度計與被測物體達到熱平衡時，溫度計所指示的溫度就是被測物體的溫度。熱力學(xué)第零定律任選一種物質(zhì)的某一測溫屬性，采用以上溫標(biāo)的規(guī)定所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗溫標(biāo)，經(jīng)驗溫標(biāo)依賴于測溫物質(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溫物質(zhì)的性質(zhì)的溫標(biāo),即熱力學(xué)絕對溫標(biāo)。

經(jīng)驗溫標(biāo)與絕對溫標(biāo)：第一節(jié)基本概念熱力學(xué)絕對溫標(biāo)（熱力學(xué)溫度或絕對溫度）開爾文在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，從理論上引入的與測溫物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)。是國際單位制（SI）的基本溫標(biāo)，它可作為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，一切經(jīng)驗溫標(biāo)均可以用此溫標(biāo)來校正。

符號為T，單位為K(稱“開爾文”)

規(guī)定水的三相點為基準(zhǔn)點，并規(guī)定此點的溫度為273.15K第一節(jié)基本概念攝氏溫度與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系是：T＝t＋273.15（K）

華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之間有以下關(guān)系：t＝5/9(tF-32)（℃）

第一節(jié)基本概念二.壓力定義：單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力（即壓強)壓力計：測量工質(zhì)壓力的儀器。常見的壓力計有壓力表和U型管。由于壓力計的測壓元件處于某種環(huán)境壓力的作用下，因此壓力計所測得的壓力是工質(zhì)的真實壓力（或稱絕對壓力）與環(huán)境壓力度之差，叫做表壓力或真空第一節(jié)基本概念真空度絕對壓力、表壓力、真空度及大氣壓力之間的關(guān)系：第一節(jié)基本概念壓力的單位：國際標(biāo)準(zhǔn)單位：帕斯卡(簡稱帕)符號：，

工程單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm,也稱物理大氣壓）巴(bar)工程大氣壓（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)第一節(jié)基本概念具體換算見教材表1-1PSI(Poundspersquareinch)

第一節(jié)基本概念例題1：如圖所示已知大氣壓Pb=101325Pa，U型管內(nèi)汞柱高度差H=300mm，壓力表B的讀數(shù)為0.2543MPa。求A室壓力PA及壓力表A的讀數(shù)PeA。三.比體積和密度比體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積單位：密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量單位：kg/m3v與ρ互成倒數(shù)，即：vρ＝1第一節(jié)基本概念1.4理想氣體狀態(tài)方程一、定義為了便于研究自然界中客觀存在的比較復(fù)雜的真實氣體，人們提出了理想氣體的概念。理想氣體：是一種假象的氣體模型，氣體分子是一些彈性的、不占體積的質(zhì)點，分子之間沒有相互作用力。工程中常用的氧氣、氮氣、氫氣、一氧化碳等及其混合氣體、燃氣、煙氣等工質(zhì)，在通常使用的溫度、壓力下都可作為理想氣體處理。實際氣體：不符合上述理想氣體兩個微觀假設(shè)條件的，則稱為實際氣體。如：水蒸氣、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它們距離液體較近，不能忽略分子本身的體積和分子間的作用力。第一節(jié)基本概念二、理想氣體狀態(tài)方程大量實驗證明，理想氣體的三個基本狀態(tài)參數(shù)間存在著一定的函數(shù)關(guān)系：1kg：mkg：1mol：nmol：R0為通用氣體常數(shù)，與氣體種類及狀態(tài)無關(guān)：R0＝8314J/(kmol·K)。R為氣體常數(shù)，與氣體種類有關(guān)：第一節(jié)基本概念作業(yè)：P111、2、3、4、5、6、7

下次課交2.1熱力過程2.2熱力學(xué)第一定律2.3穩(wěn)定流動能量方程與焓2.4熱力學(xué)第二定律2.5熱力學(xué)第三定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律2.1熱力過程一.熱力過程：過程是指系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)向另一個平衡狀態(tài)變化時經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總合。過程是系統(tǒng)平衡被破壞的結(jié)果。就熱力系本身而言，熱力學(xué)僅對平衡狀態(tài)進行描述。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律二.準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）定義：由一系列連續(xù)的平衡態(tài)組成的過程稱為準(zhǔn)平衡過程，也稱準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程特點：準(zhǔn)平衡過程是實際過程進行得足夠緩慢的極限情況。實現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程的條件：促使系統(tǒng)平衡被破壞的壓力差及溫度差為無限小，過程進行的時間非常長。“平衡”和“過程”這兩個矛盾的概念怎樣統(tǒng)一起來呢？這就需要引入準(zhǔn)平衡過程。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律T第二節(jié)熱力學(xué)基本定律為什么要引入準(zhǔn)平衡過程概念？有確定的狀態(tài)參數(shù)變化描述過程在參數(shù)坐標(biāo)圖上用一條連續(xù)曲線表示過程12pv第二節(jié)熱力學(xué)基本定律思考：用常溫的水放入冷庫制冰，這個過程是不是準(zhǔn)靜態(tài)過程？答案：不是，因為冷庫的溫度和水的溫度差不是無限小。三.可逆過程與不可逆過程如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向運行時,能使系統(tǒng)和外界都返回到原來的狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程，否則為不可逆過程。注意：判別系統(tǒng)是否經(jīng)歷了一個可逆過程的關(guān)鍵并不在于其是否能恢復(fù)到原狀態(tài)，而在于是否系統(tǒng)在回復(fù)到原狀態(tài)的同時不給外界留下任何影響。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律無耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程實現(xiàn)的充要條件。思考題：實現(xiàn)可逆過程的條件是什么？第二節(jié)熱力學(xué)基本定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律氣缸內(nèi)氣體膨脹做功，輸出有用功；轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪內(nèi)的動能，若

準(zhǔn)靜態(tài)過程由于摩擦損耗，飛輪內(nèi)儲存的動能不能把活塞推回原地，但施加斥力，仍可使活塞回到原來的位置，這就在外界留下影響，所以沒有摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程才可能是可逆過程。

可逆過程

運動無摩擦，傳熱無溫差的準(zhǔn)平衡過程是可逆過程。汽缸壓力P大氣壓力P0活塞面積A活塞與汽缸摩擦力f曲柄連桿作用力F可逆過程的實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)第二節(jié)熱力學(xué)基本定律可逆過程與準(zhǔn)平衡過程的區(qū)別：1.可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程；2.準(zhǔn)平衡過程不一定是可逆過程?！駥嶋H過程都是不可逆過程！第二節(jié)熱力學(xué)基本定律判斷：可以恢復(fù)到原來狀態(tài)的過程就是可逆過程。YesorNo一、過程量--功和熱量只要存在不平衡勢差的推動作用，系統(tǒng)和外界就會發(fā)生能量的交換-作功或傳熱，功是力和力方向上位移的乘積。功的熱力學(xué)定義：

在力差推動下，熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律2.2熱力學(xué)第一定律功的正負熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)對外界作功取為正，外界對系統(tǒng)作功取為負。功的單位:焦耳（J）比功與功率比功：單位質(zhì)量物質(zhì)所作的功，單位：J/kg功率：單位時間內(nèi)完成的功，單位：W（瓦）第二節(jié)熱力學(xué)基本定律可逆過程功的計算：第二節(jié)熱力學(xué)基本定律功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初、終態(tài)，而且還和過程的中間途徑有關(guān)，因此功不是狀態(tài)參數(shù)，是過程量。微元過程作出過程量用表示，如微功量用w（狀態(tài)參數(shù)為微增量，用d表示，如dp、

dv、

dT）膨脹功、壓縮功均是通過工質(zhì)體積變化與外界交換的功，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)，與形狀無關(guān)。有關(guān)功的說明第二節(jié)熱力學(xué)基本定律熱量的定義熱力系統(tǒng)與外界之間僅僅由于溫度差則通過邊界傳遞的能量，用Q表示（比熱量為q）熱量的正負熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負熱量的單位國際單位：J（焦耳），工程單位：kJ（千焦）第二節(jié)熱力學(xué)基本定律定義:熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量.

計算公式:sT21熱量單位:J,kJ可逆過程中熱量的計算：第二節(jié)熱力學(xué)基本定律二、比熱容

在熱工計算中，常常需要確定工質(zhì)在熱力過程中的所吸收或放出的熱量。熱量的計算可以通過工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)變化，也可利用比熱容（俗稱比熱）進行。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律1kg工質(zhì)溫度升高（或降低）1K時所吸收（或放出）的熱量稱為質(zhì)量熱容，又稱比熱容。用c表示，其定義式為：

或比定壓熱容、比定容熱容

經(jīng)驗表明，同一種氣體在不同的條件下，例如在保持體積不變或壓力不變的條件下加熱，同樣溫度升高1K所需的熱量是不同的，因此，比熱容的數(shù)值與加熱（或放熱）過程的性質(zhì)有關(guān)。工程上最常遇到的是氣體在壓力不變或容積不變的條件下加熱（或放熱），這時相應(yīng)的比熱容分別稱為比定壓熱容和比定容熱容，并分別在比熱容符號的下方以腳注p和V來區(qū)別。

氣體在定壓下受熱時，由于在溫度升高的同時，還要克服外力膨脹作功，而在定容過程中，并不膨脹對外做功，所以同樣升高1K，定壓時比在定容下受熱需要更多的熱量，因此氣體的比定壓熱容大于比定容熱容。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律三、顯熱與潛熱對物質(zhì)進行加熱或冷卻時，物質(zhì)的聚集狀態(tài)(相態(tài))不發(fā)生變化，物質(zhì)的溫度發(fā)生變化(升高或者降低)，此時物質(zhì)所吸收或放出的熱量稱為顯熱。

如果對物質(zhì)加熱或冷卻到一定程度，使物質(zhì)發(fā)生了相態(tài)變化，在此相變過程中所加給物質(zhì)的熱量(或物質(zhì)所放出的熱量)就稱為潛熱。

使液體變?yōu)闅怏w，那么該潛熱為汽化潛熱；

使氣體變?yōu)橐后w，則該潛熱稱為凝結(jié)潛熱。

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律內(nèi)動能取決于分子熱運動，是溫度的函數(shù)，而內(nèi)位能取決于分子間的距離，是比體積的函數(shù)，所以熱力學(xué)能是溫度和比體積的函數(shù)

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)能內(nèi)動能:包括分子移動、轉(zhuǎn)動、粒子振動運動的內(nèi)位能:分子間由于相互作用力的存在而具有的，故又稱內(nèi)能。四、熱力學(xué)能u＝f(T，v)或u＝f(T，P)u＝f(P，v)理想氣體u＝f(T)第二節(jié)熱力學(xué)基本定律２答案：不對，應(yīng)該是定量的理想氣體在等溫過程中熱力學(xué)能不變，因為一般地說，氣體的熱力學(xué)能是溫度和比體積的函數(shù)，等溫過程中雖然溫度不變，但比體積改變，故熱力學(xué)能要改變。思考：1.熱力學(xué)能就是熱量？2.定量氣體在等溫過程中熱力學(xué)能不變？

１答案：不對，熱力學(xué)能是物質(zhì)內(nèi)部所具有的各種能量的總和，是狀態(tài)參數(shù)，而熱量是傳遞過程中的熱能，不是狀態(tài)參數(shù)。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律五、熱力學(xué)第一定律任何形式的能量，既不能消滅也不能創(chuàng)造，只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，在轉(zhuǎn)換過程中能量的總量保持恒定，這就是能量守恒轉(zhuǎn)換定律。熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換在熱力系統(tǒng)中的應(yīng)用。它說明了熱能和其它形式的能量，特別是機械能，之間可以相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中總能量保持不變。

系統(tǒng)進入的能量E1=儲存能量的增量△E+離開的能量E2

Q=△E+W

熱力系第二節(jié)熱力學(xué)基本定律熱可變化功，功也可變?yōu)闊?；一定量的熱消失時，必產(chǎn)生一定的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之對應(yīng)的一定量的熱。第一類永動機不可能實現(xiàn)。

一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對外做功。閉口系能量方程及應(yīng)用q＝△u＋w

Q＝△U＋W

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)能解析式

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律表示了外界熱源向系統(tǒng)所提供熱量，一部分使得系統(tǒng)熱力學(xué)能發(fā)生變化，另一部分則用于系統(tǒng)與外界的功量交換，并且能量的總量是守恒的。

以上公式的意義：例題：氣體在某一過程中吸收了50kJ的熱量，同時熱力學(xué)能增加了84kJ，問此過程中氣體做功是多少？功是負值意味什么？

于是解：第二節(jié)熱力學(xué)基本定律2.3穩(wěn)定流動能量方程與焓1、開口系能量傳遞在控制容積中，能量轉(zhuǎn)換與傳遞主要表現(xiàn)為通過界面的功、熱交換和伴隨工質(zhì)連續(xù)流進、流出控制容積時的能量傳遞。

(1)通過界面?zhèn)鬟f的能量通過開口系統(tǒng)界面?zhèn)鬟f的能量是功量與熱量。與閉口系一樣，只要界面不絕熱，系統(tǒng)就會從外界吸熱(或向外界放熱)；而開口系的功量交換，往往不是通過系統(tǒng)容積變化來實現(xiàn)，而是通過熱力設(shè)備的機械軸與外界交換機械功，故被稱為軸功Ws，單位J。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律單位質(zhì)量工質(zhì)的軸功用ws表示，單位J/kg。通常規(guī)定系統(tǒng)輸出軸功為正功，所獲得的軸功為負功。(2)隨物流傳遞的能量隨物流傳遞的單位質(zhì)量的能量包括系統(tǒng)熱力學(xué)能u、宏觀動能c2/2、重力位能gz及流動功wf。流動功是連續(xù)流體流經(jīng)控制體界面時，為推開前面的流體而流進或流出控制體時所傳遞的能量，亦稱為推擠功。如圖1-12所示，Wf＝F×L＝PA×L＝P×AL＝PV，故wf＝PV。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律2、焓閉口系工質(zhì)可以計算焓值，但閉口系沒有工質(zhì)流進或流出，故能量方程中僅出現(xiàn)熱力學(xué)能，而不是焓。

熱力學(xué)中把

U＋PV兩項合并為一項，以

H

表示之，稱為焓，即

H＝U＋PV

1kg工質(zhì)的焓稱為比焓，用

h表示，單位為J/kg或kJ/kg。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律U—熱力學(xué)能PV—流動功

焓的物理意義

熱力學(xué)能u是工質(zhì)本身所具有的能量，推動功

PV

則是隨工質(zhì)流動而轉(zhuǎn)移的能量，因此焓代表工質(zhì)流入（或流出）開口系時傳遞入（或傳遞出）系統(tǒng)的能量。由于熱力工程中常碰到工質(zhì)連續(xù)不斷流過熱力設(shè)備的情況，隨工質(zhì)流動而轉(zhuǎn)移的能量中，取決于工質(zhì)熱力狀態(tài)的部分是焓不是熱力學(xué)能，因此焓的應(yīng)用比熱力學(xué)能更廣泛。工質(zhì)的焓和熱力學(xué)能一樣，無法測定其絕對值。在熱工計算中關(guān)心的是兩個狀態(tài)間焓的變化，因此，可選取某一狀態(tài)的焓值為零作為計算基準(zhǔn)。在狀態(tài)變化的過程中，工質(zhì)的焓變量為

：第二節(jié)熱力學(xué)基本定律3、穩(wěn)定流動能量方程

穩(wěn)定流動就是指工質(zhì)在流動情況下，流道中任何截面上的各種參數(shù)（溫度、壓力、比體積、流速等）及質(zhì)量流量都不隨時間而改變；系統(tǒng)在單位時間內(nèi)與外界的熱量及功量的交換也不隨時間而改變。實際熱機的工作過程大多可認為是穩(wěn)定過程。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律圖1-12穩(wěn)定流動能量方程推導(dǎo)工質(zhì)在進、出口截面處所具有的能量形式有：熱力學(xué)能u1、u2，宏觀動能，重力位能gz1、gz2，流動功P1v1、P2v2。、根據(jù)熱力學(xué)第一定律，工質(zhì)穩(wěn)定流入系統(tǒng)的能量總和應(yīng)等于流出系統(tǒng)的能量總和，即：h＝u＋Pv

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律能量方程：

Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

=△H+Ws

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

=△h+ws當(dāng)忽略系統(tǒng)宏觀動能和重力位能時，可得簡化公式第二節(jié)熱力學(xué)基本定律穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用示例：

(1)葉輪機械∵q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0

∴-ws=△h第二節(jié)熱力學(xué)基本定律因此單位質(zhì)量的工質(zhì)在壓氣機、泵和風(fēng)機等機械中被壓縮時，外界所提供的軸功等于工質(zhì)焓的增加。(2)噴管∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△z≈0；ws=0

∴

1/2△cf2=-△h第二節(jié)熱力學(xué)基本定律單位質(zhì)量的工質(zhì)在噴管中動能的增加等于焓的減少

(3)表面式熱交換器第二節(jié)熱力學(xué)基本定律∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

△cf2≈0；△z≈0；Ws=0(熱或冷流體)∴Q=△H

換熱器中單位質(zhì)量的工質(zhì)所吸收的熱量等于工質(zhì)的焓增，而放出的熱量等于工質(zhì)的焓降。(4)節(jié)流第二節(jié)熱力學(xué)基本定律∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0；ws=0

∴△h=0氣體或蒸汽在管道中流動時，由于遇到突然縮小的狹窄通道，如閥門、孔板等，而使流體壓力顯著下降的現(xiàn)象，稱為節(jié)流。如果流體在節(jié)流時，與外界沒有熱量交換，則稱為絕熱節(jié)流。熱力工程上常遇到的節(jié)流現(xiàn)象，基本上都可以認為是絕熱節(jié)流。

(5)混合式換熱器∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+WsQ=0；△cf2≈0；△z≈0；Ws=0

∴

△H=0

即

H3=H2+H1第二節(jié)熱力學(xué)基本定律例題2-1

一個裝有2kg工質(zhì)的閉口系經(jīng)歷如下過程：過程中系統(tǒng)散熱25kJ，外界對系統(tǒng)做功100kJ，比熱力學(xué)能減少15kJ/kg，并且整個系統(tǒng)被舉高1000m。試確定過程中系統(tǒng)動能的變化。解:

由于需要考慮閉口系統(tǒng)動能及位能的變化，所以應(yīng)用第一定律的一般表達式,即結(jié)果說明系統(tǒng)動能增加了85.4kJ

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律例題2-2

一活塞汽缸設(shè)備內(nèi)裝有５kg的水蒸氣，由初態(tài)的比熱力學(xué)能

，膨脹到

，過程中加給水蒸氣的熱量為80kJ，通過攪拌器的軸輸入系統(tǒng)18.5kJ的軸功。若系統(tǒng)無動能、位能的變化，試求通過活塞所做的功。

解：這是一閉口系，所以能量方程為：Q

=△H+W方程中W是總功，應(yīng)包括攪拌器的軸功和活塞膨脹功，則能量方程為Q

=△H+Ws+WpWp=Q-Ws-m(u2-u1)活塞功為正值，說明系統(tǒng)通過活塞膨脹對外做功

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律例2-3

氣缸內(nèi)儲有完全不可壓縮的流體，氣缸的一端被封閉，另一端是活塞。氣缸是絕熱靜止的。試問：（1）活塞能否對流體做功？（2）流體的壓力會改變嗎？（3）若使用某種方法把流體壓力從0.2提高到4，熱力學(xué)能有無變化？焓有無變化？第二節(jié)熱力學(xué)基本定律解：（1）汽缸活塞系統(tǒng)是閉口系統(tǒng)。由于流體不可壓縮，流體的體積不會變化，因此流體的體積變化功為零，活塞不能對流體做功。（2）根據(jù)牛頓第三定律，流體的壓力應(yīng)與外力時時相等，因此當(dāng)活塞上的作用力改變時，流體的壓力也隨之改變。（3）根據(jù)已知條件，汽缸活塞系統(tǒng)與外界無熱交換，Q=0又W=0，由能量方程,知，故流體熱力學(xué)能無變化。焓，當(dāng)U,V不變，p提高時，H應(yīng)增大。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律

H＝U＋PV

2.4熱力學(xué)第二定律遵循熱力學(xué)第一定律的熱力過程未必一定能夠發(fā)生，因為涉及熱現(xiàn)象的熱力過程具有方向性。熱力學(xué)第二定律揭示熱力過程具有方向性。它闡明了能量不但有“量”的多少問題，而且有“品質(zhì)”的高低問題，在能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程中能量的“量”守恒，但“質(zhì)”卻不守恒。

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律1.自發(fā)過程的方向性第二節(jié)熱力學(xué)基本定律只要Q'不大于Q，B向A傳熱并不違反第一定律電流通過電阻，產(chǎn)生熱量對電阻加熱，電阻內(nèi)產(chǎn)生反向

電流？

只要電能不大于加入熱能，不

違反第一定律。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律重物下落，水溫升高水溫下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降內(nèi)能減少，不違反第一定律。

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律熱工轉(zhuǎn)換自由膨脹擴散混合溫差傳熱第二節(jié)熱力學(xué)基本定律可以自動發(fā)生的過程稱為自發(fā)過程。熱力過程若要發(fā)生，必然遵循熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律決定著熱力過程能否實現(xiàn)。一個非自發(fā)過程的進行必須付出某種代價作為補償。如制冷。為提高能量利用的經(jīng)濟性，人們一直在最大限度地減少補償。

研究熱力過程的方向性，以及由此而引起的非自發(fā)過程的補償和補償限度等問題是熱力學(xué)第二定律的任務(wù)。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律能量轉(zhuǎn)換方向性的實質(zhì)是能質(zhì)有差異無限可轉(zhuǎn)換能—機械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能—熱能T=T0不可轉(zhuǎn)換能—環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能歸納：1）自發(fā)過程有方向性；

2）自發(fā)過程的反方向過程并非不可進行，而是要有附加條件；

3）并非所有不違反第一定律的過程均可進行。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律

不可能制造一個機器，使之在循環(huán)動作中把一重物升高，而同時使一熱源冷卻。2、熱力學(xué)第二定律的表述克勞修斯說法

不可能吧熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。開爾文說法普朗克說法

不可能從單一熱源取熱使之完全變成功而不產(chǎn)生其他影響。

熱力學(xué)第一定律否定了創(chuàng)造能量與消滅能量的可能性，宣告第一類永動機不可能制成。熱力學(xué)第二定律則指明第二類永動機，即利用大氣、海洋作為單一熱源，從中汲取熱量，轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臒釞C是不可能制造成功的。因為它雖然不違反熱力學(xué)第一定律，但違反了熱力學(xué)第二定律。

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律前面兩種說法的關(guān)鍵是“不引起其他變化”。制冷中，引起變化——外界消耗功；定溫膨脹引起系統(tǒng)狀態(tài)變化——氣體壓力降低。第二類永動機3、循環(huán)(1)正循環(huán)：熱效率ηt=W/Q1正循環(huán)狀態(tài)圖上沿順時針方向進行，消耗熱，獲得功。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律工質(zhì)由某一初態(tài)出，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)變化后，又回到原來初態(tài)的封閉熱力過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。制冷裝置制冷系數(shù)ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數(shù)ε'=Q1/W

(2)逆循環(huán)狀態(tài)圖上沿逆時針方向進行，消耗功，獲得熱。可逆循環(huán)由一系列可逆過程組成的循環(huán)。不可逆循環(huán)含有不可逆過程的循環(huán)。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律4、卡諾循環(huán)與卡諾定理最簡單的熱機必須至少有兩個熱源，那么熱效率最高極限是多少呢？卡諾定理解決了這一問題，并且指出了改進循環(huán)提高熱效率的途徑和原則。（1）卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是工作在恒溫的高、低溫?zé)嵩撮g的理想可逆正循環(huán)。它是由兩個定溫和兩個絕熱可逆過程所構(gòu)成。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律為了實現(xiàn)兩恒溫?zé)嵩撮g的可逆循環(huán)，必須消除循環(huán)過程中包括內(nèi)不可逆和外不可逆的所有不可逆因素。為此，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰岷拖虻蜏責(zé)嵩捶艧岜仨毷枪べ|(zhì)和熱源間溫差趨于零的定溫吸熱過程和定溫放熱過程，當(dāng)工質(zhì)溫度在熱源溫度和冷源溫度間變化時，不允許工質(zhì)與熱源進行有溫差的熱交換，且內(nèi)部無耗散效應(yīng)，故只能是可逆絕熱過程。如此構(gòu)成的原因是：熱效率p-v圖T-s圖12341234采用理想氣體為工質(zhì)的卡諾循環(huán)過程第二節(jié)熱力學(xué)基本定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律1.在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的可逆熱機的熱效率恒高于不可逆熱機的熱效率；2.在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的可逆熱機有相同的熱效率，而與工質(zhì)無關(guān)。

（2）卡諾定理卡諾定理的意義：

1.卡諾定理指出了熱效率的極限；

2.提高熱效率的根本途徑在于提高熱源溫度,降低冷源溫度，以及盡可能的減少不可逆因素。

3.溫度為T的熱源放出的熱量轉(zhuǎn)化為有用功為：

式中T0

為大氣環(huán)境溫度，Q為熱源放出的熱量。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律小結(jié)：

可逆熱機的熱效率：

不可逆熱機的效率恒低于可逆熱機的效率：

第二節(jié)熱力學(xué)基本定律例題2-3：自發(fā)過程是不可逆過程，非自發(fā)過程是可逆過程，這樣說對嗎？

解：這樣說是不全對，誠然自發(fā)過程是不可逆過程，但非自發(fā)過程卻并非是可逆過程，而是不可逆過程。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律例題2-4：指出循環(huán)熱效率公式和各自適用的范圍（T1和T2是指熱源的溫度）。

適用于任何工質(zhì)進行的任何循環(huán)解：適用于任何工質(zhì)進行的可逆卡諾循環(huán)（或可逆的回?zé)峥ㄖZ循環(huán)）。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律解：利用卡諾定理來判斷循環(huán)是否可行。若在T1和T2之間是一卡諾循環(huán)，則循環(huán)效率為

例題2-5：欲設(shè)計一熱機，使之能從溫度為973K的高溫?zé)嵩次鼰?000kJ，并向溫度為303K的冷源放熱800kJ，問此循環(huán)能否實現(xiàn)？

而欲設(shè)計循環(huán)的熱效率為即欲設(shè)計循環(huán)的熱效率比同溫度限間卡諾循環(huán)的低，所以循環(huán)可行。第二節(jié)熱力學(xué)基本定律第二節(jié)熱力學(xué)基本定律2.5熱力學(xué)第三定律人們在研究低溫物理現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度趨近于絕對零度時，凝聚系統(tǒng)（固體或液體）在可逆定溫過程中熵的變化等于零，即

這就是熱力學(xué)第三定律的一種表達。它還有另一種表述：不能用有限的步驟使一個系統(tǒng)的溫度降到絕對零度。

水蒸氣是人類在熱能間接利用中應(yīng)用最早的工質(zhì)。在制冷、空調(diào)中還常常用到其他蒸氣，如氨蒸氣、氟利昂蒸氣等等。蒸氣距液態(tài)較近，微觀粒子之間作用力大，分子本身也占據(jù)了相當(dāng)?shù)捏w積，而且在工作過程中往往有氣液間的相態(tài)變化。

第三節(jié)水蒸氣與濕空氣3.1水蒸氣（steam）

因此。蒸氣不能作為理想氣體來對待，它的物理性質(zhì)較理想氣體復(fù)雜得多，它的狀態(tài)方程、熱力學(xué)能、焓和熵的計算式都不像理想氣體的計算式那樣簡單。工程計算是直接查取為工程計算編制的蒸氣熱力性質(zhì)圖表。

第三節(jié)水蒸氣與濕空氣第三節(jié)水蒸氣與濕空氣1.汽化與凝結(jié)（1）汽化——由液相變成氣相的過程。包括蒸發(fā)、沸騰。

蒸發(fā)——在液體表面進行的比較緩慢的汽化。

蒸發(fā)是液體表面動能較大的分子脫離液面變成蒸氣分子的過程。蒸發(fā)在任何溫度下均可發(fā)生。液體溫度愈高，液體表面積愈大，液面上空蒸氣分子密度愈小，蒸發(fā)愈快。

沸騰——在液體表面和內(nèi)部進行的劇烈汽化現(xiàn)象。

對液體加熱，當(dāng)液體達到一定溫度時，液體內(nèi)部便產(chǎn)生大量氣泡，氣泡上升到液面破裂而放出大量蒸汽。液體沸騰時的溫度叫做沸點。實驗證明，定壓沸騰時，雖然對液體加熱，但其溫度保持不變。（2）凝結(jié)——物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程。它是汽化的反過程。在一定的壓力下，水蒸汽溫度要降到相應(yīng)壓力的沸點溫度時，才開始凝結(jié)。第三節(jié)水蒸氣與濕空氣飽和狀態(tài)：當(dāng)汽化速度=液化速度時，系統(tǒng)處于動態(tài)平衡，宏觀上氣、液兩相

保持一定的相對數(shù)量。飽和溫度：飽和狀態(tài)下的液體和蒸氣的溫度稱為飽和溫度。飽和壓力：與飽和溫度相對應(yīng)的飽和蒸氣的壓力稱為飽和壓力。第三節(jié)水蒸氣與濕空氣2、幾個名詞

飽和液(saturated

liquid)—處于飽和狀態(tài)的液體：t=ts

干飽和蒸汽(dry-saturated

vapor;

dry

vapor

)

—處于飽和狀態(tài)的蒸汽：t=ts

未飽和液(unsaturated

liquid)

—溫度低于所處壓力下飽和溫度的液體：t<ts

過熱蒸汽(superheated

vapor)

—溫度高于飽和溫度的蒸汽：t>ts,t–ts=d稱過熱度(degree

of

superheat)。

濕飽和蒸汽(wet-saturated

vapor;

wet

vapor

)

—飽和液和干飽和蒸汽的混合物：t=ts第三節(jié)水蒸氣與濕空氣水的p-T圖思考：1.除加熱還有其它使未飽和液體達到飽和的方法嗎？2.剛性絕熱容器內(nèi)水的壓力為0.1MPa，測得容器內(nèi)溫度為200℃，那么容器內(nèi)水不可能是液態(tài)？定義：濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分數(shù)，用w或x表示。

3、干度x0

1

飽和液

濕飽和蒸汽

干飽和蒸汽

4.水的定壓加熱汽化過程

(1)水的定壓加熱汽化過程的三個階段和五種狀態(tài)第三節(jié)水蒸氣與濕空氣a)→b)預(yù)熱階段b)→d)汽化階段d)→e)過熱階段圖1-19水的定壓汽化過程

水的溫度曲線圖第三節(jié)水蒸氣與濕空氣第三節(jié)水蒸氣與濕空氣(2)水的定壓加熱過程在P-v圖與T-s圖中的表示

第三節(jié)水蒸氣與濕空氣3.水蒸汽表和圖

(1)零點的規(guī)定在編制水及水蒸汽圖表時，對h、s、u等狀態(tài)參數(shù)需規(guī)定其計算起點，即零點。由于工程計算中，只需求其變化量，而不必求其絕對值，故可任選一起點。根據(jù)國際水蒸汽會議的規(guī)定，選定水的三相點(即273.16K的液相水)作為基準(zhǔn)點，規(guī)定在該點的液相水的u、s值為零，該基準(zhǔn)點的參數(shù)為：

t0＝0.01℃，P0＝611.659Pa，v0’＝0.00100021m3/kg，

u0’＝0kJ/kg，s0’＝0kJ/kgh0＝u0’

＋P0

v0’＝(0＋611.659×0.00100021)J/kg＝0.6117J/kg≈0kJ/kg

第三節(jié)水蒸氣與濕空氣水蒸汽表有三種：1)按溫度排列的飽和水與干飽和蒸汽表，如附表1（附錄A）所示。已知飽和溫度就可在表中依次查出Ps、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。2)按壓力排列的飽和水與干飽和蒸汽表，如附表2（附錄A）所示。已知飽和壓力便可查出ts、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。3)未飽和水與過熱蒸汽表，如附表3（附錄A）所示。已知壓力和溫度這兩個獨立參數(shù)，可從表中查出v、h、s。黑線上方是未飽和水的參數(shù)值，黑線下方是過熱蒸汽的參數(shù)值。表中參數(shù)角標(biāo)為“′”表示飽和水的參數(shù)，角標(biāo)為“″”表示干飽和蒸汽的參數(shù)。第三節(jié)水蒸氣與濕空氣(2)水蒸汽表例如：在飽和水蒸汽表中可查到：130℃對應(yīng)的飽和壓力為0.27012MPa,140℃對應(yīng)的飽和壓力為0.36136MPa，求133℃對應(yīng)的飽和壓力Ps？把上述問題轉(zhuǎn)化為：已知兩點坐標(biāo)A(130℃，0.27012MPa)，B(140℃，0.36136MPa)，求直線AB上點C(133℃，Ps)的縱坐標(biāo)Ps，如圖1-22所示。因為AB//AC，故直線AB的斜率kAB與直線AC的斜率kAC，即kAB＝kAC，也即:(yB－yA)/(xB－xA)＝(yC－yA)/(xC－xA)yC＝(yB－yA)(xC－xA)/(xB－xA)＋yA補充:二維表格的插值!(需3次直線插值)第三節(jié)水蒸氣與濕空氣3.2濕空氣(moist

air)一、基本概念濕空氣是水蒸氣和干空氣的混合物。完全不含水蒸氣的空氣稱為干空氣，干空氣本身是氮、氧及少量其它氣體的混合物，其成分比較穩(wěn)定。大氣中的空氣或多或少都含有水蒸氣，因此人們在日常