三管轮“工程热力学和传热学”教案

1、第一章 基本概念第一节 工质1 工质定义：热能和机械能相互转换的媒介物。举例。2 特点：良好的膨胀性、流动性。一般为气态物质。2 系统的定义：由封闭表面包围的质量恒 定的物质集合或空间的一部分，即研究 的对象。3 外界：系统以外的其他系统。4 边界：系统与外界的分界面。 特点：可真实存在，可假想设计，可固 定，可变化 二 系统的类型： 1 系统与外界的作用方式： 1）有物质的交换 2）有功的交换 3）有热量的交换 2 系统的分类： 1） 封闭系统：无物质交换 2） 开口系统：有物质交换 3） 绝热系统：无热量交换 4） 孤立系统：无物质、功、热量交换三 外界的分类 1 热源：与系统只进行热交换

2、的外界。 特点：热容量无限大，其温度不变。 分类：1）高温热源 2）低温热源 热量的规定：吸热为正，放热为负 热量的符号：Q （KJ） q （KJ/kg） 2功源：与系统只进行功交换的外界。 分类：1）容积功：封闭系统与功源交换的功。包括：膨胀功和压缩功 符号：W （KJ） w （KJ/kg）2）轴功：开口系统与功源交换的功。 符号：Ws （KJ） ws （KJ/kg） 功的规定：系统对外界作功为正 外界对系统作功为负第二节 热力状态和状态参数1状态与状态参数1状态：热力系统在某一瞬时所处的宏观物理状态。2状态参数：描述系统宏观特性的物理量。 状态变则参数变；参数变则状态也变。状态不变参数不变

3、。参数与变化的途径无关。2热力学平衡态1平衡态的定义：在没有外界影响的条件下，如封闭系统的状态不随时间而改变，则系统处于热力学平衡态。2系统实现平衡态的条件：同时处于热平衡和力学平衡，即无不平衡势。 热平衡：系统内部无温差 力学平衡：系统内部无压差3 平衡与稳定、均匀的差别：平衡必稳定，稳定未必平衡；均匀必平衡，平衡未必均匀。3热力状态参数 常用的有六个：压力、温度、体积、内能（热力学能）、焓和熵。 状态参数可分为：强度量和尺度量 强度量：描述系统内部各点特征的状态参数，与质量无关，不具有可加性。 尺度量：描述系统总体特征的状态参数，与质量有关，具有可加性。 过程参数：与状态和过程均有关的参数

4、。有：热量、功。 基本状态参数：压力、温度和比容。1压力：定义：工质指向系统表面单位面积上的垂直作用力。分子运动论的观点：大量工质分子撞击壁面的宏观表现；与单位体积内的分子数和分子的平均移动动能成正比。1）单位：Pa 或 Mpa2）大气压力：pb 与纬度、高度、温度、湿度有关。标准大气压定义，符号atm3）表压力、真空度、绝对压力绝对压力：p 是状态参数表压力：pg=p- pb真空度：pv= pb-p2温度定义：表示物体冷热程度的物理量。1）热平衡定律（热力学第零定律）2）温标：温度的表示方法。有三种方式：（1）摄氏温标：0度100度（2）华氏温标：32度212度（3）热力学温标：从摄氏零下2

5、73.15度起三者间的换算。3 比容和密度4状态公理 只要有两个相对独立的状态参数就可确定系统的状态。第三节 热力过程1准静态过程（准平衡过程）1定义：书上P132驰豫时间：恢复平衡所需的时间。3实现准静态过程的充要条件：过程进行的时间远大于驰豫时间。2可逆过程1实际过程的不可逆因素有：1）耗散效应：功通过摩擦自发变成热的现象。2）有限温差下的热传递：热量自发的从高温到低温。3）自由膨胀：4）不同工质的混合：工质相互之间的自由扩散。2可逆过程的定义：书上P14 热传递过程中：无传热温差是实现可逆过程的条件。 系统对外作功过程中：无摩擦是实现可逆过程的条件。 实现可逆过程的充要条件是：内外平衡。

6、 无耗散效应的准静态过程是可逆过程。3 状态参数坐标图：准静态过程和可逆过程均可在坐标图上用连续的实线表示。第三章 热力学第一定律第一节 热力学第一定律的内容及实质1实质：能量转换和守恒定律2内容：输入系统的能量系统输出的能量=系统储存能量的变化量3第一类永动机第二节 系统的储存能量1内部储存能热力学能（内能）热力学能的定义：P19符号：U （KJ） 或 u （KJ/Kg）热力学能取决于工质的温度和体积。2外部储存能第二节 热量和功一 热量和T-S图1热量定义 q=Tds2热量的性质：温差是驱动力，是不规则热运动的能量传方式。3T-S图：示热图。系统与外界交换的热量用图中过程曲线下方的面积表示

7、。二 容积功和p-v图1容积功定义 w=pdv2容积功的性质：压差是驱动力，是规则运动的能量传递方式。3p-v图：示功图。系统与外界交换的容积功用图中过程曲线下方的面积表示。第三节 封闭系统的热力学第一定律 一定质量工质，吸热为Q，对外作功为W，内能变化量为U，则 Q=U+W 对单位质量的工质 q= u+w 对微元过程 dq=du+dw以上方程适用于任何工质的任何过程。若过程为可逆过程，则Q= U+ pdV q= u+pdv dq=du+pdv第四节 开口系统的热力学第一定律1一元稳定流动开口系统能量分析2稳定流动能量方程和技术功1稳定流动能量方程2技术功：流动动能变化量与轴功之和。 技术功的

8、表示：p-v图上过程曲线左边的面积。3 稳定流动能量方程的应用1）换热器2）喷管和扩压管3）气轮机4）泵和压缩机5）节流第三章 热力学第二定律第一节 热力学第二定律热力学第二定律研究的内容：1热功转换的方向：根本性的问题2热变功的条件3热变功的限度一 循环1热机循环：正循环（顺时针） 目的 热效率2制冷循环：逆循环（逆时针） 目的 制冷系数3热泵循环：逆循环 目的 供热系数二 热力学第二定律表述1开尔文说法阐明了热功转换的方向性。热功转换的条件：至少要有两个热源热功转换的限度：热效率低于100%第二类永动机是造不成的2克劳修斯说法阐明了热量传递的方向性。热量从低温到高温的条件：消耗外界的机械功

9、第二节 卡诺循环和卡诺定理一 卡诺循环1卡诺循环的定义2卡诺循环包括的过程：两个等温和两个绝热3卡诺循环的热效率：只与温度有关，永远小于100%2卡诺定理 分两层意思三 提高热效率的途径1提高高温热源的温度2降低低温热源的温度3使实际过程尽可能向可逆循环靠拢第三节 逆卡诺循环一 逆卡诺循环1循环包括的过程：两个等温和两个绝热。2逆卡诺循环的制冷系数：只与温度有关，不可能为无穷大。2提高制冷系数的途径1尽量提高冷库温度2尽量降低冷凝温度3减少过程的不可逆性第四章 理想气体第一节 理想气体状态方程1理想气体的分子模型2实际气体的理想化条件一 气体的实验定律1波义耳马略特定律2盖吕萨克定律3查理定律

10、2理想气体状态方程：气体常数R3通用气体常数第二节 理想气体比热一 比热及其分类1比热定义2比热分类 1）质量比热：质量定压比热、质量定容比热 2）容积比热 3）千摩尔比热三者间的关系3理想气体的比热：与温度有关，与压力无关4真实质量比热5平均质量比热二 应用比热计算热量1比热与温度成曲线关系2比热与温度成直线关系3比热是定值 第三节 理想气体的内能和焓1理想气体的内能 理想气体的内能仅有内动能，无内势能。它是绝对温度的单值函数。 du=cvdT 对实际气体，该方程仅适用于定容过程。2理想气体的焓 理想气体的焓是绝对温度的单值函数。 dh=cpdT 对实际气体，该方程仅适用于定压过程。三 迈耶

11、方程第四节 理想气体的热力过程一 定容过程1过程方程：p=常数2处终状态参数关系3p-v图和T-s图4能量计算分析 1）容积功：等于零 2）技术功：wt=v(p1-p2) 3）第一定律公式：q=u结论：外界加给封闭系统的热量全部用于增加系统的内能。二 定压过程1过程方程：p=常数2处终状态参数关系3p-v图和T-s图： T-s图上定容线比定压线陡。4能量计算分析 1）容积功：w=p(v2-v1) 2）技术功：等于零 3）封闭系统第一定律公式： q=cv(t2-t1)+p(v2-v1)结论：外界加给封闭系统的热量，一部分用于增加系统的内能，其余用于系统对外界作膨胀功。 4）开口系统第一定律公式：

12、q=h结论：外界加给开口系统的热量全部用来增加流动工质的焓。三 定温过程1过程方程：T=常数2初终状态参数关系3p-v图和T-s图4能量计算分析 1）容积功等于技术功 2）内能和焓的变化量：等于零 3）第一定律公式： q=w结论：定温过程中，外界加给封闭系统的热量全部用来对外作功。定温膨胀是吸热过程，定温压缩是放热过程。四 绝热过程1过程方程：pvk=常数 k为绝热指数，与温度气体有关2初终状态参数关系3p-v图和T-s图： p-v图上绝热线比定温线陡。4能量计算分析 1）容积功 2）技术功：等于k倍的容积功。 3）第一定律公式： u=-w结论：绝热过程中，封闭系统对外界作的功完全是系统内能减少的结果。五 多变过程1过程方程：pvn=常数 n为多变指数 当n=0时，为定压过程 当n=1时，为定温过程 当n=k时，为绝热过程 当n=时，为定容过程2初终状态参数关系3能量计算4p-v图和T-s图5多变过程的比热分析第五章 水蒸气第一节 饱和压力和饱和温