工程熱力學-華東理工

工程熱力學魯錫蘭華東理工大學資源與環(huán)境工程學院第一章

基本概念1.系統(tǒng)、邊界與外界2.閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)3.絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)4.系統(tǒng)的內(nèi)部狀況①均勻系與非均勻系②單相系與復雜相系③單元系與多元系第一節(jié)

熱力系統(tǒng)1.狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)2.基本狀態(tài)參數(shù)

①溫度②壓力③比容與密度3.強度性參數(shù)與廣延性參數(shù)第二節(jié)

工質(zhì)的熱力狀況及其基本狀況參數(shù)1.平衡狀態(tài)2.狀態(tài)公理

▲▲確定純物質(zhì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立參數(shù)=n+13.狀態(tài)方程

F(v,T,P)=0第三節(jié)平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程1.準靜態(tài)過程2.可逆過程3.可逆過程的膨脹功(容積功)4.可逆過程的熱量第四節(jié)

準靜態(tài)過程與可逆過程第五節(jié)熱力循環(huán)1.正循環(huán)2.逆循環(huán)第二章氣體的性質(zhì)1.理想氣體與實際氣體2.理想氣體狀態(tài)方程

Pv=RTPV=mRT3.氣體常數(shù)與通用氣體常數(shù)

R=R0/M第一節(jié)理想氣體狀態(tài)方程第二節(jié)實際氣體狀態(tài)方程式1.范德瓦爾方程2.R-k方程3.實際氣體的通用狀態(tài)方程第三節(jié)理想氣體的比熱①定義:②分類:A.按物理量單位分為:a.質(zhì)量比熱,符號c,(kJ/kg.K)b.容積比熱,符號c’,(kJ/m3.K)c.摩爾比熱,符號Mc,(kJ/kmot.K)

三者關(guān)系:c’=Mc/22.4=cρ0B.按過程分類:cP和cV1.比熱的定義和分類2.cP和cV與梅耶公式的關(guān)系對于理想氣體,cP=f(T),cV=f(T)3.定值比熱、真實比熱與平均比熱第四節(jié)混合氣體的性質(zhì)1.混合氣體的分壓和分容定律2.混合氣體的成分表示方法及換算3.混合氣體的折合分子量與氣體常數(shù)4.混合氣體的比熱第三章熱力學第一定律本章要點:

能量守恒,能量是可以轉(zhuǎn)換的.

能量守恒定律:系統(tǒng)收入能量

-支出能量=系統(tǒng)儲存能增量第一節(jié)系統(tǒng)儲存能1.內(nèi)能：

在熱力學中只考慮內(nèi)動能和內(nèi)位能,不考慮化學反應、核裂變理想氣體：u=f(T)2.外儲存能：①宏觀動能：Ek=1/2mc2②重力位能：Ep=mgz3.系統(tǒng)的總儲存能

E=U+Ek+Ep系統(tǒng)儲存能:內(nèi)儲存能、外儲存能第二節(jié)系統(tǒng)與外界傳遞的能量1.熱量2.功量

①膨脹功(W)；②軸功(Ws)3.隨物質(zhì)流傳遞的能量①流動工質(zhì)本身具有的儲存能(E)②流動功(也稱推動功)，符號為Wf第三節(jié)閉口系統(tǒng)能量方程1.閉口系統(tǒng)能量方程表達式2.熱力學第一定律在循環(huán)過程中的應用不消耗能量而連續(xù)作功的所謂第一類永動機是不可能實現(xiàn)的。3.理想氣體內(nèi)能變化計算例1.1kg空氣從0.1MPa,100℃變化到0.5MPa、

1000℃，求△u和△h(設(shè)為理想氣體)①用定比熱②用平均比熱例2.一閉口系統(tǒng)經(jīng)歷了一個由四個過程組成的循環(huán)，試填充表中所缺數(shù)據(jù)，并判斷是正循環(huán)？逆循環(huán)？過程Q(kJ)W(kJ)△E(kJ)1-211000?2-30100?3-4-9500?4-10??例3.有一絕熱剛性容器，有隔板將它分成A、B兩部分，開始時，A中盛有TA=300K，PA=0.1MPa,VA=0.5m3的空氣；B中盛有

TB=350K，PB=0.5MPa,VB=0.2m3

的空氣。求打開隔板后兩容器達到平衡時的溫度和壓力。第四節(jié)開口系統(tǒng)能量方程1.穩(wěn)定的開口系統(tǒng)(舉例)2.不穩(wěn)定的開口系統(tǒng)(舉例)3.開系能量方程式的推導4.開系能量方程式例1.有一橡皮袋P1=0.8MPa,t1=27℃空氣，V1=8m3,

由于洩漏，球內(nèi)氣體壓力降到P2=0.75MPa,溫度不變，稱重后少了10kg，求Q。解：怎樣取系統(tǒng)？第五節(jié)開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程1.穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達式①②能量方程：或?qū)τ趩挝还べ|(zhì)：2.技術(shù)功引入技術(shù)功后，能量方程表達式可寫成：可逆過程：例2.空氣在某壓氣機中被壓縮，壓縮前空氣的參數(shù)是P1=100kPa,v1=0.845m3/kg,壓縮后的參數(shù)P2=800kPa,v2=0.175m3/kg。設(shè)在壓縮過程中每kg空氣的內(nèi)能增加

150kJ,同時向外界放出熱量50kJ，壓氣機每min生產(chǎn)壓縮空氣10kg。試求：

(1)壓縮過程中對每kg氣體所作的壓縮功；

(2)每生產(chǎn)1kg壓縮空氣所需的軸功；

(3)帶動此壓氣機要用多大功率的電動機？第六節(jié)穩(wěn)定穩(wěn)流能量方程的應用1.動力機得：2.壓氣機得：3.熱交換器得：4.噴管得：例1.供暖用風機連同加熱器,把溫度為t1=0℃

的冷空氣加熱到溫度為t3=250℃,然后送入建筑物的風道內(nèi),送風量為0.56kg/s,

風機軸上的輸入功率為1kW,設(shè)整個裝置與外界絕熱.試計算:(1)風機出口處空氣溫度t2;(2)空氣在加熱器中的吸熱量;(3)若加熱器中有阻力,空氣通過它時產(chǎn)生不可逆的摩擦擾動并帶來壓力降落,以上計算結(jié)果是否正確?第四章理想氣體的熱力

過程及氣體壓縮本章要點:①研究對象為理想氣體的等容、等壓、等溫、等熵及多變過程②基礎(chǔ)：理想氣體狀態(tài)方程，能量守恒定律③掌握各熱力過程的過程方程、狀態(tài)參數(shù)變化值的計算、功量和熱量的計算、在P-v和T-S圖上直觀表示各熱力過程④掌握壓氣機的工作原理和理論壓縮軸功的計算第一節(jié)理想氣體的熱力過程1.Pvn=const(多方過程或多變過程)普遍式

n=0為等壓過程

n=1為等溫過程

n=k為等熵過程

n=±∞為等容過程

n=n為多變過程2.重點討論內(nèi)容：各熱力過程的過程特征、過程方程、P-V圖、T-S圖、△u、△h、△S、W、Wt、q的計算3.關(guān)于多變過程①多變指數(shù)n如何求??？②多變過程熱量qn計算4.在P-v圖或T-S圖上確定過程量的變化。①在P-v圖上可直觀看出P、v的變化，而在T-S圖上如何判斷？②在T-S圖上可直觀看出T、S的變化，能直觀判斷過程是放熱或吸熱，而在P-v圖上將如何判斷？例1如圖所示：求△uab、△uac哪個大？例2.將P-v圖表示的循環(huán)，表示在T-S

圖上，圖中2-3，5-1為定容過程；

1-2，4-5為定熵過程，3-4為定壓過程(作定性分析)。例3.封閉氣缸中P1=8MPa,t1=1300℃,可逆多變膨脹過程P2=0.4MPa,t2=400℃,R=0.287kJ/kg.K,

比熱cV=0.716kJ/kg.K，求q例4.(綜合題)

有1kg空氣，初始狀態(tài)為P1=0.5MPa,t1=150℃,進行下列過程:(1)可逆絕熱膨脹到P2=0.1MPa;(2)不可逆絕熱膨脹到P2=0.1MPa,T2=300K;(3)可逆等溫膨脹到P2=0.1MPa;(4)可逆多變膨脹到P2=0.1MPa，多變指數(shù)n=2;

試求出上述各過程中的膨脹功及熵的變化，并將各過程的相對位置畫在同一P-v圖和T-S圖上。第二節(jié)壓氣機的熱力過程★壓氣機的應用舉例★壓氣機的分類①按工作原理分成兩大類：

a.活塞式

b.葉輪式②按氣體壓頭分：

通風機(<115kPa)

鼓風機(115-350kPa)

壓氣機(>350kPa)1.單級活塞式壓氣機工作原理和理論耗功量計算①單級活塞式壓氣機，其工作原理分為三個階段：吸氣過程壓縮過程排氣過程②理論壓氣過程的條件(假設(shè))a.不存在余隙；

b.壓縮過程是可逆的；

c.氣體流過進、排氣閥時沒有阻力損失③理論壓氣軸功的計算(板書)2.余隙容積①為何存在余隙

a.進、排氣閥安裝；

b.公差配合需要；

c.熱脹冷縮的需要；②余隙對生產(chǎn)量的影響

a.余隙的百分比

b.容積效率③討論影響容積效率的影響因素3.余隙對理論壓氣軸功的影響(討論)4.多級壓縮及中間冷卻5.級間壓力的確定例1.空氣，三級壓縮，從0.1MPa,20℃

壓縮到12.5MPa,假定進入每級氣缸時空氣溫度相等，各級多變指數(shù)n=1.3，m=120kg/h。求：①β1，β2，β3

②各級排氣溫度及壓氣機最小功率

③假如單級壓縮，則出口氣體溫度及功率第五章熱力學第二定律本章要點：

1.過程進行的方向和條件

2.第二定律的表述方法

3.熵方程(第二定律數(shù)學表達式)4.和的概念第一節(jié)熱力學第二定律1.自發(fā)過程不可逆(舉例)①熱量從高溫低溫②摩擦發(fā)熱，機械能熱能③自由膨脹④電熱2.第二定律的表述方法①克勞修斯說法(從熱量傳遞方向性)

不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。②開爾文—普朗克表述(從熱能和機械能轉(zhuǎn)換)

不可能制造只從一個熱源取熱使之完全變成機械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機(第二類永動機)第二節(jié)卡諾循環(huán)和卡諾定理1.卡諾循環(huán)

P-v圖;T-S圖;卡諾循環(huán)的熱效率分析2.逆卡諾循環(huán)

P-V圖;T-s圖;制冷系數(shù)分析;供熱系數(shù)分析制冷系數(shù)：供熱系數(shù)：3.卡諾定理解決兩個問題：

a.可逆與不可逆循環(huán)

b.卡諾循環(huán)的經(jīng)濟性指標與工質(zhì)無關(guān)

(1)所有工作于同溫熱源與同溫冷源之間的一切熱機，以可逆熱機的熱效率為最高；

(2)在同溫熱源與同溫冷源之間的一切可逆熱機，起熱效率均相等。例：某項專利申請書上提出一種熱機，它從167℃的熱源吸熱向7℃的冷源排熱。熱機每接受1000kJ熱量，能發(fā)出

0.12kW.h-1的電力，請問制定專利局是否應接受申請。第三節(jié)熵和第二定律數(shù)學表達式1.克勞修斯積分式根據(jù)卡諾定理的推論，所有熱機循環(huán)應服從下列關(guān)系。如?。何鼰醧1為正，放熱q2為負則：對于多熱源：2.熵是狀態(tài)參數(shù)據(jù)上述，對任意可逆循環(huán)1-A-2-B-1狀態(tài)參數(shù)：

如果1-A-2-B-1為不可逆循環(huán)，其中1-A-2為不可逆，2-B-1為可逆過程，則克勞修斯積分式綜合得：例：某循環(huán)在700K的熱源和400K冷源工作，已知：求：①判斷循環(huán)正、逆向？②可逆、不可逆？3.不可逆過程中熵的變化①熵流Sf的意義、分析討論②熵產(chǎn)Sg的意義、分析討論③不可逆過程中熵的變化與Sf和Sg的關(guān)系4.熵方程①熵方程的推導②閉系的熵方程③閉系絕熱的熵方程④孤立系的熵方程⑤穩(wěn)流開口系熵方程例1.導熱良好的氣缸內(nèi)有0.05kg空氣，

P1=0.5MPa,t1=27℃,①可逆等溫膨脹到P2=0.1MPa,②不可逆等溫膨脹到P2=0.1MPa,不可逆過程中作的功是可逆過程中作功的80%，分別求△S、Sf、Sg(T0=300K)。例2.判斷下列情況的熵變①閉口系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△S=?②穩(wěn)流開系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△Scv=?③穩(wěn)流開系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△S12=?a.+;b.-;c.±;d.無法判斷5.系統(tǒng)熵變化的計算小結(jié)①氣體②固體及液體③熱源及冷源④工質(zhì)循環(huán)后熵不變第四節(jié)孤立系統(tǒng)熵增原理1.孤立系統(tǒng)熵增原理孤立系統(tǒng):

前述:

即舉例說明:①傳熱過程(推導)②熱能機械能(推導)2.孤立系統(tǒng)作功能力的損失該公式的推導(板書)

例1.有兩個質(zhì)量均為100kg,比熱為1kJ/kg.K,但溫度不同的物體A和B,物體A的溫度TA=1000K,物體B的溫度TB=500K.將物體A作為熱源,物體B作為冷源,使一個可逆熱機在物體A及物體B之間進行工作,直至該兩個物體溫度相等為止.求其最大作功能力W0,max,又如兩個物體直接接觸進行熱交換直至熱平衡為止,求其平衡溫度及孤立系統(tǒng)熵增。例2.某熱機循環(huán)工作于熱源t1=500℃

及冷源t2=20℃之間，進行的是一個

a-b-c-d-a不可逆循環(huán)，入圖所示。a-b為可逆等溫吸熱，b-c為不可逆絕熱膨脹，工質(zhì)熵增加0.1kJ/kg.K，c-d為可逆等溫放熱過程，d-a為定熵壓縮過程。循環(huán)工質(zhì)為1kg空氣，熱源放熱量

q1=1000kJ/kg。求循環(huán)凈功及鼓勵系統(tǒng)作功能力損失，并是否符合公式

L=T0△Siso。圖7-1凝固時體積膨脹的物質(zhì)的p-t圖圖7-2凝固時體積縮小的物質(zhì)的p-t圖第六章水蒸汽圖7-3水蒸汽定壓發(fā)生過程示意圖

圖7-4水蒸氣的p-v圖圖7-5水蒸氣的T-s圖圖7-6水蒸氣的T-s圖例1.試確定:(1)P=0.8MPa,v=0.22m3/kg(2)P=0.6MPa,t=190℃(3)P=1MPa,v=179.88℃

以上三種情況下是什么樣的蒸汽?例2.在容積為85L的容器中,

盛有0.1kg的水及0.7kg的干飽和蒸汽,求容器中的壓力.思考題:1.150℃的液態(tài)水放在密閉容器內(nèi),試問其壓力范圍?2.剛性容器中濕蒸汽加熱時,干度增大還是減小?思考題:3.試在P-v圖和T-S圖上表示出下列過程

(1)過熱蒸汽在定壓下冷卻到剛開始形成液體;(2)x=0.6的濕飽和蒸汽在定容下加熱到x=1;(3)x=0.5的濕飽和蒸汽在200℃下定溫加熱到體積增加4.67倍.圖7-7水蒸氣的h-s圖水蒸汽的基本熱力過程1.要點和重點:(1)能在h-s圖上表示各過程

(2)確定狀態(tài)參數(shù)

(3)應用第一及第二定律,確定過程熱量、功量和內(nèi)能等.2.基本熱力過程

(1)定壓過程

(2)定容過程

(3)定溫過程

(4)絕熱過程(可逆與不可逆)例3.將2kg水盛于容積為0.2m3的抽空了的密閉剛性容器中,然后加熱到200℃,試求容器中

(1)壓力;(2)焓;(3)蒸汽的質(zhì)量和體積.本章要點

(分三部分):第一部分:基本概念及基本公式第二部分:濕空氣的焓濕圖第三部分:濕空氣的過程第七章濕空氣

1.濕空氣的成分及壓力

2.飽和空氣與未飽和空氣

3.濕空氣的分子量及氣體常數(shù)

4.絕對濕度與相對濕度第一部分:基本概念圖8-1濕空氣中水蒸氣的p-v圖(5)含濕量(6)飽和度(7)濕空氣的密度(8)焓(9)濕球溫度圖8-3干、濕球溫度計圖8-2空氣的絕熱飽和例1.有溫度t=30℃,相對濕度φ=60%的濕空氣10000m3,當時的大氣壓力

B=0.1MPa.求露點td、絕對濕度ρv、含濕量d、濕空氣的密度ρ

、干空氣的密度ρa、濕空氣總焓及濕空氣的質(zhì)量m.圖8-4濕空氣中的h-d圖第二部分:濕空氣的焓濕圖(h-d圖)要點:在h-d圖上表示

(1)等焓線與等含濕量線

(2)等溫線

(3)等相對濕度線

(4)水蒸汽分壓力線

(5)熱濕比圖8-5h-d圖四個區(qū)域的特征例2.2m3,30℃,1bar的濕空氣中含有的40g的水蒸汽,

求(1)濕空氣的相對濕度

(2)濕空氣的密度例３．要求房間空氣的狀態(tài)保持為

t2=20℃，

φ2=50%.設(shè)房間內(nèi)有工作人員10人在輕度勞動，每人每小時散熱量為530kJ/h,散濕量為80g/h.經(jīng)計算圍護結(jié)構(gòu)與設(shè)備進入房間的熱量為4700kJ/h,散濕量為1.2kg/h.實際送入房間的空氣溫度t1＝12℃．試確定送風點的狀態(tài)參數(shù)，求每小時送入室內(nèi)的濕空氣質(zhì)量．當時大氣壓力Ｂ＝1013×102Pa第三部分:濕空氣的基本熱力過程

一、加熱過程(等d過程)二、冷卻過程(等濕或析濕冷卻)三、絕熱加濕過程(等h過程)四、定溫加濕過程五、濕空氣的混合六、冷卻塔中的熱濕交換過程圖8-6冷卻塔示意圖例１．二股氣流

第一股來自冷卻盤管t=10℃,φ＝100％，第二股(戶外)38℃，φ=30％，戶外空氣２0％（戶外空氣占冷空氣２０％）,求φ３例2.t1=20,φ1=60%空氣在加熱器加熱到t2=50，進干燥器，流出干燥器時

t3=37.7,P=0.1MPa(假定干燥器是一個等焓過程，即絕熱加濕過程)，求：

①φ3=？②每蒸發(fā)１kg水分，需ma

干空氣？③ma=5000kg/h時，Ｑ加熱＝？第八章氣體和蒸汽的流動一、絕熱流動的基本方程1.穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流2.連續(xù)性方程3.絕熱穩(wěn)定流動能量方程4.定熵過程方程式5.音速與馬赫數(shù)1.穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流速度場：C＝C(x,y,z,τ)

溫度場：t=t(x,y,z,τ)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流C＝C(x,y,z)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流t=t(x,y,z)一維C＝C(x)一維t=t(x)二、促使流速改變的條件1.力學條件(dC/C∝dP/P)(內(nèi)部條件)-dp/p=KM2dc/c2.幾何條件(dC/C∝df/f)(外部條件)

df/f=(M2–1)dC/C圖9-1噴管中各參數(shù)沿軸向變化的示意圖三、噴管計算１、定熵滯止參數(shù)２、氣體的流速計算３、臨界壓力比及臨界流速４、流量的計算及分析(氣體和水蒸汽)５、噴管設(shè)計計算(確定噴管外型及截面積)圖9-2質(zhì)量流量隨壓力比的變化例1.有一氣柜,氫氣,P1=4.9MPa,t1=100℃,氫氣流經(jīng)一漸縮噴管.

①流入背壓為3.9MPa的空間

②背壓為0.1MPa,

已知Cp=14.32kJ/kg,f2=20mm2,

求C2,m例2.如圖所示,氣體充分膨脹,P1=0.65MPa,T1=350K(air),fx=2.6×10-3m2,Mx=0.6,

Pb=0.30MPa,β=0.528。求:f2=?11xx22四、擴壓管要點：氣體在擴壓管中的定熵流動過程正好是噴管的反過程，有關(guān)噴管定熵流動的基本關(guān)系式，管道截面變化規(guī)律的關(guān)系式，均適用于擴壓管。例：空氣流經(jīng)某擴壓管，已知進口狀態(tài)

P1=0.1MPa,T1=300K,C1=500m/s.在擴壓管中定熵壓縮，出口處的氣流速度

C2=50m/s.問應采用什么形式的擴壓管，并求出口壓力.如流經(jīng)擴壓管的質(zhì)量流量m=1kg/s，計算擴壓管各處的截面積.五、具有摩擦的流動摩阻對流速的影響:①速度系數(shù)②噴管效率③動能損失例：某種理想氣體Cp=1.159kJ/(kg.K),R=0.3183kJ/(kg.K),P1=0.6MPa,t1=800℃,流經(jīng)一收縮噴管而進入壓力為0.2MPa的空間，f2=2400mm2,C1=100m/s.求：

①等熵流動C2，m

②φ=0.92,C2及m,

③如果環(huán)境溫度為27℃，試問作功能力損失。六、絕熱節(jié)流節(jié)流概念：氣體在管道中流過突然縮小的截面，如閥門或孔口等，而又未及與外界進行熱量交換的過程稱為絕熱節(jié)流，或簡稱節(jié)流。圖9-3絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化圖9-4氣體絕熱節(jié)流過程圖9-5水蒸汽絕熱節(jié)流過程①dT＜0,＞0,冷效應②dT=0,=0,零效應③dT＞0,＜0,熱效應第九章動力循環(huán)一、朗肯循環(huán)1、裝置與流程2、朗肯循環(huán)能量分析及熱效率3、提高朗肯循環(huán)熱效率的基本途徑(蒸汽動力基本循環(huán))圖10-1(a)朗肯循環(huán)工作原理圖圖10-1(b)朗肯循環(huán)p-v圖圖10-1(c)朗肯循環(huán)T-s圖圖10-1d朗肯循環(huán)h-s圖圖10-2平均吸熱溫度圖10-3提高初壓的T-s圖圖10-4提高初溫的T-s圖圖10-5降低放熱溫度的T-s圖二、回熱循環(huán)與再熱循環(huán)1、回熱循環(huán)2、再熱循環(huán)(a)工作原理圖(b)T-s圖圖10-6汽回熱循環(huán)圖(a)工作原理圖(b)T-s圖圖10-7再熱循環(huán)圖例1.設(shè)有以蒸汽為工質(zhì)的回熱循環(huán)，蒸汽進入汽輪機的參數(shù)為10MPa、550，在5kPa下排入凝汽器。蒸汽在0.8MPa和0.2MPa下抽出，分別去兩個混合式給水回熱器加熱給水，給水離開每個回熱器的溫度為抽汽壓力下的飽和溫度。在凝汽器及每個回熱器之后都有水泵將工質(zhì)壓力提高至所需值。求:(1)抽汽率а1和а2；

(2)循環(huán)功量及熱效率；

(3)與相同參數(shù)的朗肯循環(huán)小比較。三、熱電循環(huán)1、背壓式熱電循環(huán)2、調(diào)節(jié)抽汽式熱電循環(huán)(a)工作原理圖(b)T-s圖圖10-8背壓式熱電循環(huán)圖圖10-9調(diào)節(jié)抽汽式熱電循環(huán)四、內(nèi)燃機循環(huán)1、定容加熱循環(huán)2、定壓加熱循環(huán)