第1章 工程熱力學(xué)回顧

第0章工程熱力學(xué)?

回

顧一、基本概念1、工程熱力學(xué)研究對(duì)象2、熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的共同途徑——由媒介物通過(guò)吸熱—膨脹作功—排熱

3、系統(tǒng)——人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)?！镩]口系（控制質(zhì)量CM）—沒(méi)有質(zhì)量越過(guò)邊界?！镩_(kāi)口系（控制體積CV）

—通過(guò)邊界與外界有質(zhì)量交換★絕熱系—與外界無(wú)熱量交換;

孤立系—與外界無(wú)任何形式的質(zhì)能交換?！锖?jiǎn)單可壓縮系—由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界只有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。4、熱力學(xué)狀態(tài)—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合

狀態(tài)參數(shù)—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

a)狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，只有平衡態(tài)才有狀參。b)狀態(tài)參數(shù)的特性—狀態(tài)的單值函數(shù)物理上—與過(guò)程無(wú)關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分c)

狀態(tài)參數(shù)分類

—

廣延量；強(qiáng)度量d)系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：所有狀參一一對(duì)應(yīng)相等簡(jiǎn)單可壓縮系：兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等5、平衡狀態(tài)：

若無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)值不隨時(shí)間改變的狀態(tài)。熱力平衡的充要條件—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。6、可逆過(guò)程

★準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：

偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過(guò)程。進(jìn)行條件：破壞平衡的勢(shì)無(wú)窮小★可逆過(guò)程：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來(lái)狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過(guò)程?！锟赡?準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)★一切實(shí)際過(guò)程不可逆——內(nèi)部可逆過(guò)程7、功

★熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。★可逆過(guò)程功計(jì)算：★有用功8、熱量

定義：僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。9、熱力循環(huán)定義：封閉的熱力過(guò)程特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值內(nèi)可逆循環(huán)：二、氣體的性質(zhì)1、理想氣體★狀態(tài)方程★比熱容★邁耶公式和比熱容比★利用比熱容計(jì)算熱量★理想氣體的熱力學(xué)能和焓僅是溫度的函數(shù)★理想氣體的熵理想氣體變比熱熵差計(jì)算2、水蒸氣★飽和狀態(tài)★使未飽和液達(dá)飽和狀態(tài)的途徑：★干度——濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用x表示。★水定壓加熱汽化過(guò)程一點(diǎn)：臨界點(diǎn)兩線上界限線下界限線三區(qū)液汽液共存汽五態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽★水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)▲規(guī)定：三相點(diǎn)液態(tài)水熱力學(xué)能及熵為零▲濕飽和蒸汽：

由ts（或ps）與x共同確定▲未飽和水和過(guò)熱水蒸氣▲飽和水合干飽和蒸汽三、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律1、熱力學(xué)第一定律★第一定律的實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。★總（儲(chǔ)存）能和熱力學(xué)能★焓▲推動(dòng)功和流動(dòng)功

推動(dòng)功：系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)傳遞的功量。流動(dòng)功：系統(tǒng)維持流動(dòng)所花費(fèi)的代價(jià)▲焓——引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量?！锛夹g(shù)功★熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式加入系統(tǒng)的能量總和-熱力系統(tǒng)輸出的能量總和

=熱力系總儲(chǔ)存能的增量▲對(duì)于可逆過(guò)程▲對(duì)于循環(huán)★閉口系基本能量方程式★穩(wěn)定流動(dòng)能量方程2、熱力學(xué)第二定律★自發(fā)過(guò)程的方向性自發(fā)過(guò)程的反方向過(guò)程并非不可進(jìn)行，要有附加條件；并非所有不違反第一定律的過(guò)程均可進(jìn)行。能量轉(zhuǎn)換方向性的實(shí)質(zhì)是能質(zhì)有差異無(wú)限可轉(zhuǎn)換能—機(jī)械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能—熱能不可轉(zhuǎn)換能—環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能

能質(zhì)降低的過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行，反之需一定條件—補(bǔ)償過(guò)程，其總效果是總體能質(zhì)降低?！锏诙傻膬煞N典型表述▲克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價(jià)地從低溫物體傳向高溫物體?！_(kāi)爾文—普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機(jī)，只從一個(gè)熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而

不在外界留下任何影響。3、卡諾循環(huán)和卡諾定理★卡諾循環(huán)及其熱效率▲▲第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成；▲★卡諾定理定理1：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無(wú)關(guān)，與采用哪種工質(zhì)也無(wú)關(guān)。定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)熱效率。理論意義：

1）提高熱機(jī)效率的途徑：可逆、提高T1，降低T22）提高熱機(jī)效率的極限?！锬嫦蚩ㄖZ循環(huán)概括性卡諾循環(huán)★多熱源可逆循環(huán)▲平均吸（放）熱溫度1）Tm僅在可逆過(guò)程中有意義▲多熱源可逆循環(huán)循環(huán)熱效率歸納：4、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式★克勞修斯積分可逆“=”不可逆“<”

1）Tr是熱源溫度

2）工質(zhì)循環(huán)，故q的符號(hào)以工質(zhì)考慮。★第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可逆“=”不可逆，不等號(hào)5、熵方程與孤立系統(tǒng)熵增原理★熵流和熵產(chǎn)吸熱“+”放熱“–”系統(tǒng)與外界換熱造成系統(tǒng)熵變化。sg—熵產(chǎn)，非負(fù)不可逆“+”可逆“0”系統(tǒng)進(jìn)行不可逆過(guò)程造成系統(tǒng)熵的增加

★熵方程考慮系統(tǒng)與外界發(fā)生質(zhì)量交換，系統(tǒng)熵變除（熱）熵流，熵產(chǎn)外，還應(yīng)有質(zhì)量遷移引起的質(zhì)熵流，所以熵方程應(yīng)為：流入系統(tǒng)熵-流出系統(tǒng)熵+熵產(chǎn)=系統(tǒng)熵增熵方程核心：

熵可隨熱量和質(zhì)量遷移而轉(zhuǎn)移；可在不可逆過(guò)程中自發(fā)產(chǎn)生。由于一切實(shí)際過(guò)程不可逆，所以熵在能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中自發(fā)產(chǎn)生（熵產(chǎn)），因此熵是不守恒的，熵產(chǎn)是熵方程的核心?！锕铝⑾到y(tǒng)熵增原理▲閉口系熵方程：閉口絕熱系▲穩(wěn)定流動(dòng)開(kāi)口系熵方程▲孤立系統(tǒng)熵增原理可逆，“=”不可逆“>”孤立系統(tǒng)熵增原理：

孤立系內(nèi)一切過(guò)程均使孤立系統(tǒng)熵增加，其極限—一切過(guò)程均可逆時(shí)系統(tǒng)熵保持不變?！褚磺袑?shí)際過(guò)程都不可逆，所以可根據(jù)熵增原理判別過(guò)程進(jìn)行的方向；●孤立系統(tǒng)中一切過(guò)程均不改變其總內(nèi)部?jī)?chǔ)能，即任意過(guò)程中能量守恒。但各種不可逆過(guò)程均可造成機(jī)械能損失，而任何不可逆過(guò)程均ΔSiso>0，所以熵可反映某種物質(zhì)的共同屬性?！窆铝⑾奠卦鲆馕稒C(jī)械能損失。6、系統(tǒng)的作功能力（）及熵產(chǎn)與作功能力損失★熱源熱量的可用能

1）qa是環(huán)境條件下熱源傳出熱量中可轉(zhuǎn)化為功的最高分額，稱為熱量，qa與熱源放熱過(guò)程特征有關(guān)；

2）qun是理想狀況下熱量中仍不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠郑菬崮艿囊环N屬性，環(huán)境條件和熱源確定后不能消除減少稱為熱量；

3）與環(huán)境有溫差的熱源傳出的熱量具備作功能力，而環(huán)境介質(zhì)中的內(nèi)熱能全部是廢熱。★定質(zhì)量物系的作功能力

●相對(duì)于p0，T0，

wu,max是狀態(tài)參數(shù)，稱之為熱力學(xué)能，用Ex,U（ex,U）表示。●從狀態(tài)1狀態(tài)2，閉口系的最大有用功。3）真空系統(tǒng)作功能力★穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力

●

對(duì)于p0、T0，wu,max僅取決于狀態(tài)，稱之為焓

，Ex,H（ex,H）?！瘛袢艨紤]動(dòng)能，則稱之為物流★熵產(chǎn)與系統(tǒng)作功能力（）損失四、氣體的熱力過(guò)程和循環(huán)1、理想氣體的基本熱力過(guò)程★過(guò)程方程★在p-v圖及T-s圖上表示多變過(guò)程★比熱容★★w，wt和q★多變指數(shù)★參數(shù)在狀態(tài)參數(shù)圖上的變化及△h在T-s圖上表示2、壓氣機(jī)的熱力過(guò)程★壓氣機(jī)耗功▲壓氣機(jī)生產(chǎn)量通常用單位時(shí)間里生產(chǎn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)立方米表示，不同于進(jìn)氣或排氣狀態(tài)?！镉嘞度莘e的影響▲容積效率▲余隙容積對(duì)理論耗功的影響余隙存在使1）生產(chǎn)量下降

2）實(shí)際耗功增大★多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻★定溫效率★絕熱內(nèi)效率3、水蒸氣的基本過(guò)程過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)確定—圖表或?qū)Ｓ贸绦蛴?jì)算。功、熱量的計(jì)算式：★定壓過(guò)程▲熱量▲汽化潛熱★定熵過(guò)程水蒸氣★定體積過(guò)程4、活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)★空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)氣體動(dòng)力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過(guò)程吸熱和放熱過(guò)程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計(jì)★混合加熱理想循環(huán)▲特性參數(shù)▲循環(huán)熱效率▲定壓加熱理想循環(huán)▲定容加熱理想循環(huán)★活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較▲壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較▲循環(huán)pmax