朱明善清華大學(xué)工程熱力學(xué)課件全集

工程熱力學(xué)2021/6/271教材與參考書(shū)教材：《工程熱力學(xué)》朱明善等編參考書(shū)：《工程熱力學(xué)》（第二版）龐麓鳴等編

《工程熱力學(xué)》（第四版

）沈維道編2007年

《工程熱力學(xué)》嚴(yán)家騄編2007年2021/6/272緒論工程熱力學(xué)是重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課工程熱力學(xué)

是一門(mén)研究熱能有效利用及

熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)2021/6/273

主要內(nèi)容0-1熱能及其利用0-2熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過(guò)程0-3工程熱力學(xué)的研究對(duì)象及其主要內(nèi)容0-4熱力學(xué)的研究方法2021/6/2740-1熱能及其利用熱能電能機(jī)械能風(fēng)能水力能化學(xué)能核能地?zé)崮芴?yáng)能一次能源(天然存在)二次能源光電轉(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵?chē)水輪機(jī)風(fēng)車(chē)熱機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)換直接利用供暖能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系2021/6/275風(fēng)力發(fā)電2021/6/276水力發(fā)電2021/6/277火力發(fā)電2021/6/278江蘇田灣核電站2021/6/2792021/6/27100-2熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過(guò)程一、蒸汽動(dòng)力裝置的工作原理

2021/6/27112021/6/2712火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn)鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器

1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)2021/6/2713二、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作原理

壓氣機(jī)—從大氣環(huán)境吸氣，并將其壓縮，使得其壓力和溫度得以提高。燃燒室—空氣和燃料在其中混合并燃燒，得到高溫高壓的燃?xì)狻u輪機(jī)—高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)外輸出機(jī)械功。工質(zhì)（空氣、燃?xì)猓┰谘b置內(nèi)周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的任務(wù)。燃燒室2021/6/27142021/6/2715燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣燃料2021/6/2716三、內(nèi)燃機(jī)的工作原理

進(jìn)氣過(guò)程：進(jìn)氣閥開(kāi)，排氣閥關(guān)，活塞下行，將空氣吸入氣缸。壓縮過(guò)程：進(jìn)、排氣門(mén)關(guān)，活塞上行壓縮空氣，使其溫度和壓力得以升高。燃燒過(guò)程：噴油嘴噴油，燃料燃燒，氣體壓力和溫度急劇升高（燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）。膨脹過(guò)程：高溫高壓氣體推動(dòng)活塞下行，曲軸向外輸出機(jī)械功。排氣過(guò)程：活塞接近下死點(diǎn)時(shí)，排氣門(mén)開(kāi)，在壓差的作用下廢氣流出氣缸。隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣缸。重復(fù)上述過(guò)程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。2021/6/2717內(nèi)燃機(jī)裝置空氣、油廢氣吸氣壓縮點(diǎn)火膨脹排氣2021/6/2718內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)

(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)2021/6/2719四、蒸汽壓縮制冷裝置

壓氣機(jī)—吸入來(lái)自蒸發(fā)器的低壓蒸汽，將其壓縮(耗功)產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽。冷凝器—使氣體冷凝，得到常溫高壓的液體。節(jié)流閥—使液體降壓，產(chǎn)生低壓低溫的液體。蒸發(fā)器—工質(zhì)吸收冷藏庫(kù)內(nèi)的熱量，汽化為低壓氣體，使冷庫(kù)降溫。2021/6/2720制冷空調(diào)裝置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán)

(加壓、放熱、膨脹、吸熱)2021/6/2721熱力裝置共同基本特點(diǎn)1、熱源，冷源

2、工質(zhì)

3、容積變化功

4、循環(huán)2021/6/27220-3工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容

1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過(guò)程3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理

4、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2021/6/27231、宏觀方法：連續(xù)體，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣經(jīng)典（宏觀）熱力學(xué)

0-4工程熱力學(xué)研究方法√2021/6/27242、微觀方法：從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué)

工程熱力學(xué)研究方法2021/6/2725工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)方法

抓住主線理論聯(lián)系實(shí)際重視基本技能訓(xùn)練分析計(jì)算能力、實(shí)驗(yàn)技能認(rèn)真完成作業(yè)2021/6/2726緒論完

2021/6/2727第一章基本概念1-1熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)平衡狀態(tài)1-3熱力狀態(tài)參數(shù)1-4狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1-5

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)2021/6/2728第一章基本概念

主要內(nèi)容1-1熱力系統(tǒng)1-2狀態(tài)平衡狀態(tài)1-3熱力狀態(tài)參數(shù)1-4狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1-5準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)2021/6/27291-1熱力系統(tǒng)

一、系統(tǒng)、外界與邊界熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對(duì)象外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面2021/6/2730邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)2021/6/2731封閉熱力系（閉口系）只與外界有能量交換而無(wú)物質(zhì)交換開(kāi)口熱力系(開(kāi)口系)

與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換孤立系與外界既無(wú)能量交換又無(wú)物質(zhì)交換二、熱力系的分類(lèi)以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：2021/6/2732

有無(wú)是否傳質(zhì)開(kāi)口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系歸納：2021/6/27331234mQW1

開(kāi)口系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系2021/6/2734熱力系統(tǒng)其它分類(lèi)方式

其它分類(lèi)方式物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類(lèi)多元系單元系相態(tài)多相單相2021/6/2735簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功2021/6/27361-2狀態(tài)

平衡狀態(tài)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量。二、平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)：熱力系宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化。非平衡狀態(tài)：熱力系宏觀性質(zhì)隨時(shí)間變化。三、平衡狀態(tài)的判據(jù)1、力平衡2、熱平衡3、相平衡4、化學(xué)平衡2021/6/27371-3熱力狀態(tài)參數(shù)一、定義：用于描述熱力系狀態(tài)的宏觀特性量。二、特點(diǎn)1、與狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，完全取決于狀態(tài)。2、狀態(tài)變化時(shí)，狀態(tài)參數(shù)只取決于初、終兩態(tài)，與變化路徑無(wú)關(guān)。三、分類(lèi)1、強(qiáng)度參數(shù)：與質(zhì)量無(wú)關(guān)，且不可相加的狀態(tài)參數(shù)。如壓力P、溫度T、密度ρ、比焓h、比熵s、比容ν、比內(nèi)能u2、廣延參數(shù)：與質(zhì)量成正比且可以相加的狀態(tài)參數(shù)。如容積V、內(nèi)能U、熵S2021/6/2738四、基本狀態(tài)參數(shù)（一）壓力1、定義：?jiǎn)挝幻娣e上承受的垂直作用力。即該公式計(jì)算的是工質(zhì)的真正壓力，也稱(chēng)絕對(duì)壓力。微觀上看：工質(zhì)的壓力是物質(zhì)微觀粒子對(duì)器壁撞擊的總效果。2、單位：1Pa=1N/m21kPa=1000Pa，1MPa=106Pa，1bar=105Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm=760mmHg=1.01325×105Pa工程大氣壓1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa2021/6/2739注意：只有絕對(duì)壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)壓力p測(cè)量2021/6/2740絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力當(dāng)p

>pb表壓力

pg當(dāng)p

<pb真空度pvpbpgppvp2021/6/2741（二）比容單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積。2021/6/2742（三）溫度1、定義：溫度是物系間達(dá)到熱平衡的判據(jù)習(xí)慣上：物體冷熱程度的度量。熱力學(xué)第零定律:

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B溫度計(jì)2021/6/2743溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量

溫度。

溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量2021/6/27442、溫標(biāo)：指溫度的標(biāo)度或溫度的定量表示法。熱力學(xué)溫標(biāo)（單位：開(kāi)爾文，符號(hào)K），攝氏溫標(biāo)℃，華氏溫標(biāo)℉朗肯溫標(biāo)

R

熱力學(xué)溫標(biāo)T——不依賴(lài)于測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)。

選用熱力學(xué)溫度，以水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定它的溫度為273.16K，即每單位開(kāi)爾文等于水三相點(diǎn)的1/273.16。2021/6/2745常用溫標(biāo)之間的關(guān)系絕對(duì)K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.672021/6/2746溫標(biāo)的換算2021/6/27471-4

狀態(tài)方程、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖一、狀態(tài)方程

足夠的狀態(tài)參數(shù)就能確定一個(gè)狀態(tài),而一旦狀態(tài)確定,該狀態(tài)的所有狀態(tài)參數(shù)也就確定了。

熱力學(xué)的研究結(jié)果告訴我們,對(duì)于可壓縮純物質(zhì)只要兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)就足夠了。那么從數(shù)學(xué)上就應(yīng)有:v=f(p,t)u=f(p,t)h=f(p,t)s=f(p,t)(設(shè)已知狀態(tài)參數(shù)為p,t)

以上這一系列方程都可稱(chēng)為狀態(tài)方程,但在不作說(shuō)明的情況下它通常指p,v,T組成的方程。2021/6/2748二、

狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)可確定一個(gè)狀態(tài),那么就可以畫(huà)一些二維坐標(biāo)圖,其橫縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)參數(shù),其上點(diǎn)即為狀態(tài)點(diǎn)。注:對(duì)非平衡態(tài)由于其各部分狀態(tài)參數(shù)不盡相同,故無(wú)法繪在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上。2021/6/27491-5準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無(wú)法簡(jiǎn)單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程2021/6/2750一、基本概念

1、過(guò)程

—熱力系由一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的集合。

2、非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)的過(guò)程。

3、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列無(wú)限接近平衡狀態(tài)過(guò)程。

2021/6/2751準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有實(shí)際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問(wèn)：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？2021/6/2752準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程2021/6/2753準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=2000

2

0.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）>>恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程具體工程問(wèn)題具體分析。2021/6/2754準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果

p外微小

可視為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程dx以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對(duì)外界作的功

W

=p

A

dx=pdV1kg工質(zhì)

w

=pdvdx很小，近似認(rèn)為p不變2021/6/2755準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdv1注意：上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程2021/6/2756示功圖(p-V圖)pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：

W=pdV1kg工質(zhì)：

w=pdvW2021/6/2757準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說(shuō)明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，

過(guò)程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對(duì)外作功（正）

dV<0，壓縮對(duì)內(nèi)作功（負(fù)）5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無(wú)限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無(wú)f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww2021/6/2758摩擦損失的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。2021/6/2759摩擦損失的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對(duì)外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。2021/6/2760二、可逆過(guò)程

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。注意可逆過(guò)程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。2021/6/2761可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)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(shì)差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)2021/6/2762常見(jiàn)的不可逆過(guò)程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過(guò)程

(閥門(mén)）p1p2p1>p22021/6/2763常見(jiàn)的不可逆過(guò)程混合過(guò)程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????2021/6/2764引入可逆過(guò)程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。

可逆過(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。

實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。2021/6/27651-6

功和熱量1、力學(xué)定義:力

在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義I：當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，此即為熱力系對(duì)外作功。

熱力學(xué)定義II：功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。一、功2021/6/27663、功的計(jì)算式①物理上為:W=Fx②若系統(tǒng)內(nèi)外力平衡2021/6/2767二、熱量

1、定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。

2、熱量的表達(dá)式考慮：δW=pdV

式中：p為壓差是作功的驅(qū)動(dòng)力,dV表示熱力系是否作功對(duì)于熱量Q：熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力是溫度T，若dS表示熱力系是否傳熱應(yīng)有:2021/6/2768熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過(guò)程量過(guò)程量推動(dòng)力壓力p

溫度T標(biāo)志

dV,dv

dS

,ds公式條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆2021/6/2769熵的定義比參數(shù)

[kJ/kg·K]ds:

可逆過(guò)程

qrev除以傳熱時(shí)的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵”廣延量

[kJ/K]2021/6/2770熵的說(shuō)明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過(guò)程

傳熱的大小與方向2、符號(hào)規(guī)定系統(tǒng)吸熱時(shí)為正

Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)

Q<0dS<04、用途：判斷熱量方向計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量2021/6/2771示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖2021/6/27721-7熱力循環(huán)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：

熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過(guò)程稱(chēng)為熱力循環(huán)。2021/6/2773循環(huán)和過(guò)程循環(huán)由過(guò)程構(gòu)成不可逆循環(huán)可逆過(guò)程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)2021/6/2774正循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)外作功凈效應(yīng)：吸熱順時(shí)針?lè)较?112動(dòng)力循環(huán)2021/6/2775逆循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆時(shí)針?lè)较?112制冷循環(huán)2021/6/2776熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動(dòng)力循環(huán)：熱效率2021/6/2777熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)制熱循環(huán)：制熱系數(shù)2021/6/2778第一章小結(jié)基本概念：

熱力系

平衡態(tài)

準(zhǔn)靜態(tài)、可逆

過(guò)程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)

功量、熱量、熵

p-V圖、T-S圖

循環(huán)、評(píng)價(jià)指標(biāo)2021/6/2779第一章討論課

熱力系種類(lèi)：閉口系、開(kāi)口系、絕熱系、孤立系

熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。

一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。2021/6/2780例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開(kāi)口系，畫(huà)出充氣前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。2021/6/2781(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對(duì)活塞作功WWQ熱量：氣體通過(guò)活塞從外界吸熱Q2021/6/2782(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對(duì)放逸氣體作功W’W’Q’熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q’2021/6/2783(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W

+W’熱量：Q+Q’WQW’Q’2021/6/2784(4)以容器為系統(tǒng)開(kāi)口系功量：W’熱量：Q’W’Q’2021/6/2785(5)以氣缸活塞為系統(tǒng)開(kāi)口系功量：W+W’’熱量：Q+Q’’W’’Q’’WQ2021/6/2786思考題有人說(shuō)，不可逆過(guò)程是無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？不對(duì)。關(guān)鍵看是否引起外界變化?？赡孢^(guò)程指若系統(tǒng)回到初態(tài)，外界同時(shí)恢復(fù)到初態(tài)?？赡孢^(guò)程并不是指系統(tǒng)必須回到初態(tài)的過(guò)程。2021/6/2787可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的區(qū)別和聯(lián)系可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不一定是可逆過(guò)程可逆過(guò)程＝準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程＋無(wú)耗散可逆過(guò)程完全理想，以后均用可逆過(guò)程的概念。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程很少用。2021/6/2788判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（1）以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱外部溫差傳熱準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)部等溫傳熱，無(wú)耗散內(nèi)可逆外不可逆2021/6/2789判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（2）蒸汽流經(jīng)減壓閥進(jìn)入汽輪機(jī)典型的不可逆過(guò)程，因有漩渦，產(chǎn)生耗散是不是準(zhǔn)靜態(tài)，取決于開(kāi)度2021/6/2790判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（3）帶活塞的氣缸中，水被緩慢加熱緩慢加熱，每一時(shí)刻水有確定的溫度準(zhǔn)靜態(tài)加熱火與水有溫差外不可逆以水為系統(tǒng)內(nèi)可逆以水＋活塞為系統(tǒng)活塞與壁面無(wú)摩擦內(nèi)可逆活塞與壁面有摩擦內(nèi)不可逆2021/6/2791判斷是否準(zhǔn)靜態(tài)與可逆（4）電或重物電或重物帶動(dòng)攪拌器加熱容器中氣體電功熱機(jī)械功熱耗散是否準(zhǔn)靜態(tài)，看加熱快慢但不可逆2021/6/2792有用功氣缸中氣體膨脹對(duì)外作功，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程氣體對(duì)外作功若不考慮摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp2021/6/2793可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功加熱A腔中氣體，B被壓縮，B中理想氣體BA1）以B中氣體為系統(tǒng)絕熱，無(wú)摩擦緩慢壓縮準(zhǔn)靜態(tài)無(wú)摩擦可逆B中氣體（理想氣體，可逆，絕熱）B得到的功遵循2021/6/2794可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功加熱A腔中氣體，B被壓縮，B中理想氣體BA2）以A中氣體為系統(tǒng)絕熱，無(wú)摩擦緩慢加熱準(zhǔn)靜態(tài)無(wú)摩擦內(nèi)可逆3）以A腔為系統(tǒng)4）以A＋B腔為系統(tǒng)電功耗散為熱不可逆電功耗散為熱不可逆2021/6/2795自由膨脹過(guò)程剛性，絕熱真空?????????????????ABB中沒(méi)有氣體，不能取做系統(tǒng)以A中原有氣體為系統(tǒng)A中氣體非準(zhǔn)靜態(tài)A中氣體沒(méi)有作功沒(méi)有作功對(duì)象后進(jìn)去的對(duì)先進(jìn)去的氣體作功了嗎？2021/6/2796氣體混合過(guò)程剛性，絕熱，pA>>pB?????????????????AB非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，非可逆過(guò)程取A或B中氣體為系統(tǒng)可逆熱力學(xué)沒(méi)法計(jì)算相互有功的作用取A＋B氣體為系統(tǒng)，無(wú)功2021/6/2797靈活處理功的計(jì)算充氣球若準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程若取進(jìn)入氣球的氣體為系統(tǒng)但pV的關(guān)系不知？若看外部效果，pb不變外界得到功pbV=氣體作功2021/6/2798第一章完2021/6/2799第二章熱力學(xué)第一定律

主要內(nèi)容2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)2-2儲(chǔ)存能2-3閉口系統(tǒng)能量方程

2-4開(kāi)口系統(tǒng)能量方程2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用2021/6/27100

2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)一、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律

定義：能量既不能創(chuàng)造也不能被消滅。只能由一種形式向另一種形式轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)換中，能的總量不變。2021/6/27101

二、熱力學(xué)第一定律

1、內(nèi)容：當(dāng)熱能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)化時(shí)，能的總量保持不變。（在熱力系中，消耗等量的熱必產(chǎn)生等量的功。反之消耗等量的功必產(chǎn)生等量的熱。）

2、實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用3、數(shù)學(xué)表達(dá)式

Q=W2021/6/27102閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式要想得到功，必須花費(fèi)熱能或其它能量熱一律又可表述為“第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”2021/6/27103三、熱力學(xué)第一定律的解析式1、Q=W的不足

(1)只表明熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)意義，但未考慮熱力系的能量變化，無(wú)法應(yīng)用于工程計(jì)算。

(2)只體現(xiàn)了Q，W之間的量的關(guān)系，還不能區(qū)分二者之間質(zhì)的不同。

2、熱力學(xué)第一定律的解析式若考慮熱力系的能量變化，則有：輸入熱力系的能-輸出熱力系的能=熱力系內(nèi)部?jī)?chǔ)存能的變化量2021/6/271042-2

儲(chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能一、從宏觀上看：宏觀能（外部?jī)?chǔ)存能）2021/6/27105二、從微觀上看：微觀能（內(nèi)部能）對(duì)于熱力系的內(nèi)部能，熱力學(xué)上稱(chēng)之為內(nèi)能，用u表示它包括：①微觀動(dòng)能：由分子熱運(yùn)動(dòng)之和構(gòu)成，由溫度T來(lái)反映②微觀位能：由分子間相互作用力引起，由比容v和溫度來(lái)反映所以：u=f(T,v)

內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù)。

2021/6/27106三、系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能（總能）總能：E=U+Ek+Ep比總能量：

e=u+ek+ep系統(tǒng)總能變化量可以寫(xiě)為：2021/6/27107內(nèi)能的導(dǎo)出內(nèi)能的導(dǎo)出閉口系循環(huán)2021/6/27108內(nèi)能的導(dǎo)出對(duì)于循環(huán)1a2c1對(duì)于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc2021/6/27109內(nèi)能及閉口系熱一律表達(dá)式定義dU=

Q

-

W

內(nèi)能U

狀態(tài)參數(shù)

Q=

dU

+

WQ=

U

+

W閉口系熱一律表達(dá)式！?。煞N特例

絕功系

Q

=

dU

絕熱系

W=-

dU2021/6/27110內(nèi)能U的物理意義dU=

Q

-

W

W

Q

dU

代表某微元過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)邊界交換的微熱量與微功量?jī)烧咧钪?，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能）2021/6/27111內(nèi)能的說(shuō)明

內(nèi)能是狀態(tài)量U:

廣延參數(shù)[kJ]

u

:

比參數(shù)[kJ/kg]

內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能零點(diǎn)人為定2021/6/27112熱一律的文字表達(dá)式熱一律:能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化-2021/6/271132-3閉口系統(tǒng)能量方程

W

Q一般式

Q

=dU

+

W

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w單位工質(zhì)適用條件：

1）任何工質(zhì)

2)任何過(guò)程2021/6/27114準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

w=pdv簡(jiǎn)單可壓縮系可逆過(guò)程

q=Tds

q

=

du

+

pdv

q

=

u

+

pdv熱一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=

u+pdv熱力學(xué)恒等式2021/6/27115門(mén)窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱2021/6/27116門(mén)窗緊閉房間用空調(diào)降溫以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程T空調(diào)Q2021/6/271172-4開(kāi)口系能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原則進(jìn)入系統(tǒng)的能量

-離開(kāi)系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化2021/6/27118推進(jìn)功的引入

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符少了推進(jìn)功2021/6/27119推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v沒(méi)有變化2021/6/27120對(duì)推進(jìn)功的說(shuō)明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在2、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，而由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量2021/6/27121開(kāi)口系能量方程的推導(dǎo)

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv

minpvout2021/6/27122開(kāi)口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2

+

gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2

+gz)out

=

dEcv工程上常用流率2021/6/27123開(kāi)口系能量方程微分式當(dāng)有多條進(jìn)出口：流動(dòng)時(shí)，總一起存在2021/6/27124焓的引入定義：焓

h

=u

+

pvhh開(kāi)口系能量方程2021/6/27125焓的說(shuō)明

定義：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是狀態(tài)量2、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h為比參數(shù)3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功)

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量4、物理意義：開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。2021/6/271262-5

穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動(dòng)條件1、2、3、軸功每截面狀態(tài)不變4、2021/6/27127穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動(dòng)條件02021/6/27128穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)1kg工質(zhì)2021/6/27129穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程2021/6/27130技術(shù)功動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用軸功機(jī)械能位能2021/6/27131單位質(zhì)量工質(zhì)的開(kāi)口與閉口wsq穩(wěn)流開(kāi)口系閉口系(1kg)容積變化功等價(jià)技術(shù)功2021/6/27132穩(wěn)流開(kāi)口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt閉口穩(wěn)流開(kāi)口等價(jià)軸功ws推進(jìn)功

(pv)幾種功的關(guān)系？2021/6/27133幾種功的關(guān)系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws2021/6/27134對(duì)功的小結(jié)2、開(kāi)口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wws

wt2021/6/27135準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二2021/6/27136技術(shù)功在示功圖上的表示2021/6/27137機(jī)械能守恒對(duì)于流體流過(guò)管道，

壓力能

動(dòng)能

位能機(jī)械能守恒柏努利方程2021/6/27138

2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例熱力學(xué)問(wèn)題經(jīng)常可忽略動(dòng)、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的h2=2676kJ/kg2021/6/27139例1：透平機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)2021/6/27140透平機(jī)械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的2021/6/27141

q=Δh+wt

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

現(xiàn)q=0;Δc=0;Δz=0

故ws=-Δh=h1-h22021/6/27142例2：壓縮機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)水泵制冷空調(diào)壓縮機(jī)2021/6/27143壓縮機(jī)械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?021/6/27144泵與風(fēng)機(jī)

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

現(xiàn)

q=0Δc=0Δz=0

故ws=-Δh=h2-h1（壓縮功）

2021/6/27145例3：換熱設(shè)備火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器2021/6/27146換熱設(shè)備熱流體放熱量：沒(méi)有作功部件熱流體冷流體h1h2h1’h2’冷流體吸熱量：焓變2021/6/27147鍋爐

q=Δh+wt

現(xiàn)wt=0∴q=Δh=h2-h12021/6/27148例4：絕熱節(jié)流管道閥門(mén)制冷空調(diào)膨脹閥、毛細(xì)管2021/6/27149絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流過(guò)程，前后h不變，但h不是處處相等h1h2沒(méi)有作功部件絕熱2021/6/27150例5：噴管和擴(kuò)壓管火力發(fā)電蒸汽輪機(jī)靜葉核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)靜葉2021/6/27151噴管和擴(kuò)壓管?chē)姽苣康模簤毫档?，速度提高擴(kuò)壓管目的：動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換速度降低，壓力升高動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略2021/6/27152第二章小結(jié)1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化-2021/6/27153第二章小結(jié)通用式2、熱一律表達(dá)式：2021/6/27154第二章小結(jié)穩(wěn)流：dEcv/

=0通用式2021/6/27155第二章小結(jié)閉口系：

通用式2021/6/27156第二章小結(jié)

通用式循環(huán)dEcv

=0out

=in2021/6/27157第二章小結(jié)孤立系：

通用式

2021/6/27158第二章小結(jié)3、熱力學(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件任何工質(zhì)，任何過(guò)程任何工質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程任何工質(zhì)，任何穩(wěn)流過(guò)程或忽略動(dòng)、位能變化2021/6/27159第二章小結(jié)4、準(zhǔn)靜態(tài)下兩個(gè)熱力學(xué)微分關(guān)系式

適合于閉口系統(tǒng)和穩(wěn)流開(kāi)口系統(tǒng)后續(xù)很多式子基于此兩式2021/6/27160第二章小結(jié)5、u與h

U,H

廣延參數(shù)u,

h

比參數(shù)

U

系統(tǒng)本身具有的內(nèi)部能量H

不是系統(tǒng)本身具有的能量，開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的，取決于狀態(tài)參數(shù)的能量

2021/6/27161第二章小結(jié)6、四種功的關(guān)系

準(zhǔn)靜態(tài)下閉口系過(guò)程開(kāi)口系過(guò)程2021/6/27162第二章作業(yè)2-152-162-182021/6/27163第二章完2021/6/27164第三章理想氣體的性質(zhì)與過(guò)程

主要內(nèi)容3-1理想氣體狀態(tài)方程

3-2熱容3-3理想氣體的內(nèi)能、焓和比熱容3-4理想氣體的熵3-5研究熱力過(guò)程的目的和方法3-6絕熱過(guò)程3-7基本熱力過(guò)程的綜合分析3-8活塞式壓氣機(jī)的過(guò)程分析2021/6/27165工程熱力學(xué)的兩大類(lèi)工質(zhì)

1、理想氣體

可用簡(jiǎn)單的式子描述

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)狻⒖照{(diào)中的濕空氣等2、實(shí)際氣體

不能用簡(jiǎn)單的式子描述，真實(shí)工質(zhì)

火力發(fā)電的水和水蒸氣、制冷空調(diào)中制冷工質(zhì)等2021/6/27166一、理想氣體

1.氣體的分子是一些彈性的,不占體積的質(zhì)點(diǎn)

2.氣體分子之間沒(méi)有相互作用力二、研究理想氣體的意義

1.理論上引入它可簡(jiǎn)化分析，簡(jiǎn)化計(jì)算

2.工程上部分氣體按理想氣體處理與實(shí)際出入不大3-1理想氣體狀態(tài)方程2021/6/27167三、理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程:

pv=RT----又稱(chēng)克拉貝龍方程其中：

p為絕對(duì)壓力Pav為比容m3/kgT為開(kāi)氏溫度KR為氣體常數(shù)J/kg·k2021/6/27168四種形式的克拉貝龍方程：注意:

Rm

與R

摩爾容積Vm狀態(tài)方程統(tǒng)一單位2021/6/27169摩爾容積(Vm)阿伏伽德羅假說(shuō):

相同p

和T

下各理想氣體的摩爾容積Vm相同在標(biāo)準(zhǔn)狀況下Vm常用來(lái)表示數(shù)量2021/6/27170

Rm與R的區(qū)別Rm——通用氣體常數(shù)R——?dú)怏w常數(shù)M-----摩爾質(zhì)量例如與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)與氣體種類(lèi)有關(guān)2021/6/27171計(jì)算時(shí)注意事項(xiàng)

1、絕對(duì)壓力2、溫度單位

K3、統(tǒng)一單位（最好均用國(guó)際單位）2021/6/27172計(jì)算時(shí)注意事項(xiàng)實(shí)例V=1m3的容器有N2，溫度為20℃

，壓力表讀數(shù)1000mmHg，pb=1atm，求N2質(zhì)量。1）2）3）4）√2021/6/271731.

分子之間沒(méi)有作用力2.

分子本身不占容積

但是,當(dāng)實(shí)際氣體p

很小,V

很大,T不太低時(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。

理想氣體模型現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有理想氣體2021/6/27174

當(dāng)實(shí)際氣體p

很小,V

很大,T不太低時(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。

哪些氣體可當(dāng)作理想氣體T>常溫，p<7MPa的雙原子分子理想氣體O2,N2,Air,CO,H2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臃肿樱℉2O,CO2)一般不能當(dāng)作理想氣體特殊可以，如空調(diào)的濕空氣，高溫?zé)煔獾腃O2

2021/6/271753-2

(比)熱容計(jì)算內(nèi)能,焓,熱量都要用到熱容定義:比熱容單位物量的物質(zhì)升高1K或1oC所需的熱量

其大小取決于:①工質(zhì)數(shù)量②加熱的過(guò)程③工質(zhì)性質(zhì)④工質(zhì)的狀態(tài)2021/6/27176

比熱容c:

質(zhì)量比熱容Cm:摩爾比熱容C’:

容積比熱容Cm=M·c=22.414C’2021/6/27177Ts(1)(2)1

K比熱容是過(guò)程量還是狀態(tài)量?c1c2用的最多的某些特定過(guò)程的比熱容定容比熱容定壓比熱容2021/6/27178定容比熱容cv任意準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程u是狀態(tài)量，設(shè)

定容2021/6/27179定壓比熱容cp任意準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程h是狀態(tài)量，設(shè)

定壓2021/6/27180cv和cp的說(shuō)明1、

cv和cp

，過(guò)程已定,可當(dāng)作狀態(tài)量。2、前面的推導(dǎo)沒(méi)有用到理想氣體性質(zhì)3、

h、u

、s的計(jì)算要用cv和cp

。適用于任何氣體。cv物理意義：v時(shí)1kg工質(zhì)升高1K內(nèi)能的增加量cp物理意義：p時(shí)1kg工質(zhì)升高1K焓的增加量2021/6/271813-3理想氣體的u、h、s和熱容一、理想氣體的u

1843年焦耳實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理想氣體p

v

T不變

AB絕熱自由膨脹真空2021/6/27182理想氣體的內(nèi)能u理氣絕熱自由膨脹

p

v

T不變

2021/6/27183理想氣體內(nèi)能的物理解釋內(nèi)能＝內(nèi)動(dòng)能＋內(nèi)位能T,v

理想氣體無(wú)分子間作用力，內(nèi)能只決定于內(nèi)動(dòng)能?

如何求理想氣體的內(nèi)能uT理想氣體u只與T有關(guān)2021/6/27184理想氣體內(nèi)能的計(jì)算理想氣體，任何過(guò)程理想氣體

實(shí)際氣體2021/6/27185理想氣體的焓理想氣體實(shí)際氣體理想氣體h只與T有關(guān)理想氣體，任何過(guò)程2021/6/27186熵的定義:

可逆過(guò)程

理想氣體理想氣體的熵pv=RT僅可逆適用？T1p1v1s1T2p2v2s212理想氣體，任何過(guò)程2021/6/271871.由δq=du+pdv

代入

δq=Tds,du=cvdT,p=RT/v

有：兩邊同除T2021/6/271882.由δq=dh-vdp

代入δq=Tds,dh=cpdT,v=RT/p得兩邊同除T2021/6/271893.對(duì)于pv=RT

兩邊微分有

pdv+vdp=RdT

兩邊同除pv有根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pv=RT

得1/T=R/pv則：將上式代入熵的計(jì)算式：2021/6/27190合并同類(lèi)項(xiàng)得：將邁耶公式cp=cv+R代入上式得到新的熵表達(dá)式2021/6/27191

結(jié)論：①Δs只取決于p、v、T中任何兩個(gè)，即只與狀態(tài)有關(guān)②工程上只關(guān)心Δs而很少涉及絕對(duì)熵的問(wèn)題，故這里暫不提熵的零點(diǎn)問(wèn)題③上面Δs的計(jì)算式雖然由可逆條件下導(dǎo)出，但它也可用于不可逆過(guò)程4.總結(jié)：根據(jù)以上推導(dǎo)得：2021/6/27192一般工質(zhì):

理想氣體：邁耶公式理想氣體的熱容令比熱比2021/6/271931、按定比熱

2、按真實(shí)比熱計(jì)算3-4理想氣體熱容、u、h和s的計(jì)算3、按平均比熱法計(jì)算理想氣體熱容的計(jì)算方法：h、u

、s的計(jì)算要用cv和cp2021/6/27194分子運(yùn)動(dòng)論1、按定比熱計(jì)算理想氣體熱容運(yùn)動(dòng)自由度單原子雙原子多原子Cv,m[kJ/kmol.K]Cp,m

[kJ/kmol.K]k1.671.41.292021/6/271952、按真實(shí)比熱計(jì)算理想氣體的熱容根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理理想氣體2021/6/271963、按平均比熱計(jì)算理想氣體的熱容t

t2

t1

c(cp,cv)

附表3，4，5，6

c=f(t)

攝氏℃求O2在100-500℃平均定壓熱容2021/6/271971.

2.

cv為真實(shí)比熱3.

cv為平均比熱理想氣體

u的計(jì)算4.

若為空氣，直接查附表2理想氣體，任何過(guò)程T1u1T2u2122021/6/271981.

2.

cp為真實(shí)比熱3.

cp為平均比熱理想氣體

h的計(jì)算4.

若為空氣，直接查附表2理想氣體，任何過(guò)程2021/6/271991、若定比熱理想氣體

s的計(jì)算理想氣體，任何過(guò)程2021/6/27200理想氣體

s的計(jì)算2、真實(shí)比熱取基準(zhǔn)溫度T0若為空氣，查附表2得2021/6/27201§3-5

研究熱力學(xué)過(guò)程的目的與方法目的提高熱力學(xué)過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換效率熱力學(xué)過(guò)程受外部條件影響

主要研究外部條件對(duì)熱功轉(zhuǎn)換的影響利用外部條件,合理安排過(guò)程，形成最佳循環(huán)對(duì)已確定的過(guò)程，進(jìn)行熱力計(jì)算2021/6/27202研究熱力學(xué)過(guò)程的對(duì)象與方法對(duì)象1)參數(shù)(p,T,v,u,h,s

)變化2)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,

q

,w,wt方法抽象分類(lèi)2)可逆過(guò)程(不可逆再修正)基本過(guò)程2021/6/27203研究熱力學(xué)過(guò)程的依據(jù)2)理想氣體3)可逆過(guò)程

1)熱一律穩(wěn)流2021/6/27204研究熱力學(xué)過(guò)程的步驟1)確定過(guò)程方程------該過(guò)程中參數(shù)變化關(guān)系5)計(jì)算w

,

wt,

q4)求3)用T-s

與p-v

圖表示2)根據(jù)已知參數(shù)及過(guò)程方程求未知參數(shù)2021/6/272051、過(guò)程方程v=constdv=02、狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式現(xiàn)v1=v2

則：一、定容過(guò)程2021/6/272063、曲線對(duì)于T-S圖1-2過(guò)程曲線，因?yàn)閐v=0

，根據(jù)公式：得：即：1-2過(guò)程曲線斜率為T(mén)/cv2021/6/27207△u=cv△T△h=cp△T5.功與熱①閉口系dw=pdv=0q=Δu+pdv=Δu4.u，h，s變化量2021/6/27208②開(kāi)口系2021/6/27209二、定壓過(guò)程現(xiàn)p1=p2

，

則：1、過(guò)程方程p=constdp=02、狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式2021/6/272103.曲線因此，如圖所示，定壓線斜率小于定容線斜率?，F(xiàn)dp=0故：比較定容與定壓過(guò)程，有>pvTs2021/6/272115.功與熱①開(kāi)口系dwt=vdp=0q=Δh-vdp=Δh=cpΔT②閉口系4.u，h，s變化量△h=cp△T△u=cv△T2021/6/272123-6理想氣體的等熵過(guò)程(2)不僅,s處處相等

絕熱可逆s說(shuō)明:(1)不能說(shuō)絕熱過(guò)程就是等熵過(guò)程,

必須是可逆絕熱過(guò)程才是等熵過(guò)程。2021/6/27213三個(gè)條件:

(1)理想氣體(2)可逆過(guò)程(3)

k為常數(shù)理想氣體s

的過(guò)程方程當(dāng)理想氣體2021/6/272143.曲線顯然：代入pv=RT得：故在p~v圖上定熵線較定溫線陡。對(duì)于p-v圖因?yàn)閐s=0

根據(jù)公式：得：由于定溫時(shí)：2021/6/272154.u，h，s變化量

u=cvΔTh=cpΔTΔS=02021/6/272165.功與熱①閉口系因pvk

為常數(shù)，所以：2021/6/27217同時(shí)，因pv=RT由式得：因?yàn)閏v=R/(k-1)，所以這個(gè)式子也可以變?yōu)閣=cv(T1-T2)關(guān)于熱量q因?yàn)榻^熱所以熱量為零2021/6/27218②開(kāi)口系因pvk

為常數(shù)，所以：2021/6/27219同時(shí)，因pv=RT由式得：因?yàn)閏p=kR/(k-1)，所以這個(gè)式子也可以變?yōu)閣t=cp(T1-T2)可見(jiàn)對(duì)于絕熱過(guò)程wt

是w

的k倍。關(guān)于熱量q因?yàn)榻^熱所以熱量為零。2021/6/272203-7理想氣體熱力過(guò)程的綜合分析理想氣體的多變過(guò)程過(guò)程方程n是常量，每一過(guò)程有一n值nn=ks2021/6/27221理想氣體n

w,wt,q的計(jì)算多變過(guò)程比熱容2021/6/27222(1)

當(dāng)n=0

(2)

當(dāng)n=1多變過(guò)程與基本過(guò)程的關(guān)系(3)

當(dāng)n=k

(4)

當(dāng)n=

pTsvnpTsv基本過(guò)程是多變過(guò)程的特例2021/6/27223

基本過(guò)程的計(jì)算是我們的基礎(chǔ)，要非常清楚，非常熟悉?；疽螅耗脕?lái)就會(huì)算參見(jiàn)書(shū)上表3－4

公式匯總理想氣體基本過(guò)程的計(jì)算2021/6/27224斜率理想氣體過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppp2021/6/27225斜率理想氣體過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppvvv2021/6/27226斜率理想氣體過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppTvvTT2021/6/27227理想氣體過(guò)程的p-v,T-s圖sTvpppsvvTTss2021/6/27228理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖sTvpppvvTTss2021/6/27229u在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpuT=

u>0

u>02021/6/27230h在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvphT=

u>0

u>0

h>0

h>02021/6/27231w在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>02021/6/27232wt在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>02021/6/27233q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>02021/6/27234u,h,w,wt,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>02021/6/27235p-v,T-s圖練習(xí)（1）sTvp壓縮、升溫、放熱的過(guò)程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？2021/6/27236p-v,T-s圖練習(xí)（2）sTvp膨脹、降溫、放熱的過(guò)程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？2021/6/27237p-v,T-s圖練習(xí)（3）sTvp膨脹、升溫、吸熱的過(guò)程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？2021/6/272383-8活塞式壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程分析壓氣機(jī)的作用生活中：自行車(chē)打氣。工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等型式結(jié)構(gòu)活塞式(往復(fù)式)離心式，渦旋軸流式，螺桿連續(xù)流動(dòng)壓力范圍通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)出口當(dāng)連續(xù)流動(dòng)2021/6/27239理論壓氣功(可逆過(guò)程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程技術(shù)功wt2021/6/27240(1)、特別快，來(lái)不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。(3)、實(shí)際壓氣過(guò)程是

可能的壓氣過(guò)程sTn2021/6/27241

三種壓氣過(guò)程的參數(shù)關(guān)系2021/6/27242

三種壓氣過(guò)程功的計(jì)算最小重要啟示2021/6/27243兩級(jí)壓縮中間冷卻分析有一個(gè)最佳增壓比

省功2021/6/27244最佳增壓比的推導(dǎo)

省功2021/6/27245最佳增壓比的推導(dǎo)

省功欲求w分級(jí)最小值，可證明若m級(jí)最佳增壓比2021/6/27246分級(jí)壓縮的其它好處

潤(rùn)滑油要求t<160~180℃,高壓壓氣機(jī)必須分級(jí)2021/6/27247分級(jí)壓縮的級(jí)數(shù)省功分級(jí)降低出口溫多級(jí)壓縮達(dá)到無(wú)窮多級(jí)(1)不可能實(shí)現(xiàn)(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(成本高)一般采用2~4

級(jí)壓縮T2021/6/27248壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算需要壓氣機(jī)，想設(shè)計(jì)一臺(tái)已知：要求：配馬達(dá)功率，

出口溫度。？sn？根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有無(wú)冷卻水套假定，理論功s2021/6/27249壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際過(guò)程有摩擦機(jī)械效率經(jīng)驗(yàn)值

70％2021/6/27250壓氣機(jī)的校核計(jì)算已有壓氣機(jī)，實(shí)測(cè)要求：壓氣機(jī)效率太低，則壓氣機(jī)報(bào)廢或修理2021/6/27251活塞式壓氣機(jī)的余隙影響避免活塞與進(jìn)排氣閥碰撞，留有空隙余隙容積壓縮過(guò)程排氣，狀態(tài)未變殘留氣體膨脹進(jìn)新氣，狀態(tài)未變2021/6/27252活塞式壓氣機(jī)的余隙影響活塞排量研究VC對(duì)耗功和產(chǎn)氣量的影響新氣量產(chǎn)氣量有效吸氣容積2021/6/27253余隙容積VC對(duì)理論壓氣功的影響設(shè)12和43兩過(guò)程n相同功＝面積12341＝面積12561－面積435642021/6/27254余隙容積VC對(duì)理論壓氣功的影響余隙對(duì)單位產(chǎn)氣量耗功不影響2021/6/27255余隙容積VC對(duì)產(chǎn)氣量的影響定義容積效率令余隙比工程上一般＝0.03~0.082021/6/27256余隙容積VC對(duì)產(chǎn)氣量的影響討論：（1）一定，c

（2）c

和n一定，極限2021/6/27257余隙影響例題已知：求（1）有余隙時(shí)的排氣量和耗功（2）無(wú)余隙時(shí)的排氣量和耗功解：（1）有效容積2021/6/27258例題(1)有余隙影響2021/6/27259余隙影響例題解：（2）無(wú)余隙時(shí)的排氣量和耗功2021/6/27260第三章小結(jié)1、什么樣的氣體是理想氣體？2、理想氣體狀態(tài)方程的正確使用3、理想氣體比熱、內(nèi)能、焓的的特點(diǎn)和計(jì)算4、理想氣體各種可逆過(guò)程的特性，參數(shù)變化，功，熱的計(jì)算。5、