工程热力学PPT精品课程课件全册课件汇总-(2)

1、授课人：XX XX 工程热力学XX学院 XX 专业【全套课件】绪 论工程热力学是重要的专业基础课工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学 主要内容0-1 热能及其利用0-2 热能转换装置的工 作过程0-3 工程热力学的研究 对象及其主要内容0-4 热力学的研究方法0-1 热能及其利用热 能电 能机 械 能 风能水力能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源 光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖能源转换利用的关系风力发电水力发电火力发电江苏田湾核电站0-2 热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理

2、火力发电装置基本特点锅炉汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器过热器 1、热源，冷源2、工质（水，蒸 汽）3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、膨胀做功、放热)二、燃气轮机装置的工作原理 压气机 从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。燃烧室 空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。涡轮机 高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功。工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务。 燃烧室燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气） 3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气燃料三、内燃机的工作原理 进气过程

3、：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气 缸。压缩过程 ：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和 压力得以升高。燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高 （燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。排气过程 ：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气 流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气内燃机装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)四、蒸汽压缩制冷装置 压气机 吸入来自蒸发器的低压蒸

4、汽，将其压缩 ( 耗功 ) 产生高温高压的蒸汽。冷凝器 使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀 使液体降压，产生低压低温的液体。蒸发器 工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷 库降温。 制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热)热力装置共同基本特点 1、热源，冷源 2、工质 3、容积变化功 4、循环0-3 工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程 3、热功转换设备、工作原理 4、化学热力学基础1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。 特点：可靠，普遍，不能

5、任意推广 经典 （宏观）热力学 0-4 工程热力学研究方法2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学 工程热力学研究方法工程热力学的学习方法 抓住主线 理论联系实际 重视基本技能训练 分析计算能力、实验技能 认真完成作业绪 论 完第一章 基本概念1-1 热力系统1-2 状态 平衡状态1-3 热力状态参数1-4 状态方程、状态参数坐标图1-5 准静态过程和可逆过程1-6 功和热量1-7 热力循环第一章 基本概念 主要内容1-1 热力系统1-2 状态 平衡状态1-3 热力状态参数1-4 状态方程、状态参数坐标图1-5 准静态过程和可逆

6、过程1-6 功和热量1-7 热力循环1-1 热力系统 一、系统、外界与边界热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面边界特性真实、虚构固定、活动封闭热力系（闭口系） 只与外界有能量交换而无物质交换开口热力系(开口系) 与外界既有能量交换又有物质交换孤立系 与外界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类以系统与外界关系划分： 有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系归纳：1234mQW1 开口系非孤立系相关外界孤立系1+2 闭口系1+2+3 绝热闭口系1+2+3+4

7、孤立系热力系统其它分类方式 其它分类方式物理化学性质 均匀系 非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统 简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功1-2 状态 平衡状态一、状态与状态参数 状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。二、平衡状态与非平衡状态 平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。 非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。三、平衡状态的判据1、力平衡 2、热平衡 3、相平衡 4、化学平衡1-3 热力状态参数一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。二、特点1、与状态一一对应，完全取决于状态。2、

8、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。三、分类1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度、比焓h、比熵s、比容、比内能u2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S四、基本状态参数（一）压力1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的 总效果。 2、单位：1Pa=1N/m21kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa标准大气压1atm=760mmHg

9、=1.01325 105 Pa工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665104 Pa注意：只有绝对压力 p 才是状态参数压力p测量绝对压力与相对压力当 p pb表压力 pg当 p 有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA = p外A +fA如果 p外微小可视为

10、准静态过程dx以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W = pA dx =pdV1kg工质w =pdvdx 很小，近似认为 p 不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdv1注意：上式仅适用于准静态过程示功图(p-V图) pV.12.pp外21mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdvW准静态容积变化功的说明pV.12.2） p-V 图上用面积表示3）功的大小与路径有关， 过程量4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV0，压缩 对内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数

11、7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为 kJ 或 kJ/kgWw摩擦损失的影响若有f 存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W W若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得到的功WT2Q节流过程 (阀门）p1p2p1p2常见的不可逆过程混合过程自由膨胀真空引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。1-6

12、 功和热量1、力学定义: 力 在力方向上的位移2、热力学定义I：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。 热力学定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。一、功3、功的计算式 物理上为: W=Fx 若系统内外力平衡二、热量 1、定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。 2、热量的表达式 考虑： W=pdV 式中：p为压差是作功的驱动力, dV表示热力系是否作功 对于热量Q： 热传递的驱动力是温度T，若dS表示热力系是否传热应有:热量与容积变化功能量传

13、递方式 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量推动力 压力 p 温度 T标志 dV , dv dS , ds公式条件 准静态或可逆 可逆熵的定义比参数 kJ/kgKds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商 清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量 kJ/K熵的说明1、熵是状态参数 3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正 Q 0 dS 0系统放热时为负 Q 0 dS pBAB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取AB气体为系统，无功灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知 ？若看

14、外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功第一章 完第二章 热力学第一定律 主要内容2-1 热力学第一定律的实质2-2 储存能2-3 闭口系统能量方程 2-4 开口系统能量方程2-5 稳定流动能量方程2-6 稳定流动能量方程的应用2-1 热力学第一定律的实质一、能量守恒与转化定律 定义：能量既不能创造也不能被消灭。只能由一种形式向另一种形式转化。在转换中，能的总量不变。二、热力学第一定律 1、内容：当热能与其它形式的能量相互转化时，能的总量保持不变。（在热力系中，消耗等量的热必产生等量的功。反之消耗等量的功必产生等量的热。） 2、实质： 能量守恒与转化定律在热力学中的应用3、数学表达式 Q

15、= W闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”三、热力学第一定律的解析式1、Q=W 的不足 (1) 只表明热力学第一定律的数学意义，但未考虑热力系的能量变化，无法应用于工程计算。 (2) 只体现了Q，W 之间的量的关系，还不能区分二者之间质的不同。 2、热力学第一定律的解析式 若考虑热力系的能量变化，则有： 输入热力系的能 - 输出热力系的能 = 热力系内部储存能的变化量2-2 储存能宏观动能 Ek= mc2/2宏观位能 Ep= mgz机械能一、从宏观上看： 宏观能（外部储存能）二、从微观上看： 微观能（内部能）对于热力系的内部

16、能，热力学上称之为内能，用u表示它包括： 微观动能：由分子热运动之和构成，由温度T来反映 微观位能：由分子间相互作用力引起，由比容 v和温度来反映 所以：u = f(T,v) 内能是状态参数。 三、系统的总储存能（总能）总能 ： E=U+Ek+Ep比总能量： e = u + ek + ep系统总能变化量可以写为：内能的导出内能的导出闭口系循环内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc内能及闭口系热一律表达式定义 dU = Q - W 内能U 状态参数Q = dU + WQ = U + W闭口系热一律表达式！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU内能U

17、 的物理意义dU = Q - W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）内能的说明 内能是状态量 U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 内能总以变化量出现，内能零点人为定热一律的文字表达式热一律: 能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化- 2-3 闭口系统能量方程 W Q一般式Q = dU + W Q = U + Wq = du + w q = u + w单位工质适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程准静态和可逆闭口系能量方程简单

18、可压缩系准静态过程w = pdv简单可压缩系可逆过程 q = Tdsq = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统 绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统 闭口系闭口系能量方程T空调 Q2-4 开口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量 -离开系统的能量 =系统储存能量的变化推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ + min(u + c2/2 + gz)in-

19、mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdl W推 = p A dl = pV w推= pv注意： 不是 pdv v 没有变化对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导WnetQpvinm

20、outuinuoutgzingzoutQ + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcvminpvout开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工程上常用流率开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓的引入定义：焓 h = u + pvhh开口系能量方程焓的 说明 定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓是状态量 2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+p

21、v)= mh h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。2-5 稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程技术功 动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws

22、推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt(pv) c2/2wsgz做功的根源ws对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwswt准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示机械能守恒对于流体流过管道， 压力能 动能 位能机械能守恒柏努利方程 2-6 稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 -

23、z1) = 0.3 kJ/kg1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg例1：透平机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站 燃气轮机蒸汽轮机透平机械1) 体积不大2）流量大3）保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的 q = h + wt q = h + c2 / 2 + gz+ ws 现 q = 0; c = 0; z = 0 故 ws = -h = h1 - h2例2：压缩机械 火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站 压气机水泵制冷空调压缩机压缩机械1) 体积不大2）流量大3）保温层q 0

24、ws = -h = h1 - h2常温，ppvTs5.功与热 开口系 dwt= vdp= 0 q=h-vdp=h=cpT闭口系4. u，h，s变化量h= cpT u= cvT3-6 理想气体的等熵过程(2) 不仅 , s 处处相等 绝热可逆s说明: (1) 不能说绝热过程就是等熵过程, 必须是可逆绝热过程才是等熵过程。三个条件: (1)理想气体 (2)可逆过程 (3) k 为常数理想气体 s 的过程方程当理想气体3.曲线显然：代入 pv=RT 得：故在pv图上定熵线较定温线陡。对于p-v图因为 ds= 0 根据公式：得：由于定温时：4. u，h，s变化量 u= cvT h= cpT S= 05

25、.功与热闭口系因 pvk 为常数，所以：同时，因 pv=RT 由式得：因为 cv=R/(k-1)，所以这个式子也可以变为w=cv(T1 -T2 )关于热量q 因为绝热所以热量为零开口系因 pvk 为常数，所以：同时，因 pv=RT 由式得：因为 cp=kR/(k-1)，所以这个式子也可以变为 wt=cp(T1 -T2 )可见对于绝热过程wt 是 w 的 k 倍 。关于热量q 因为绝热所以热量为零。3-7 理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程 过程方程n是常量，每一过程有一 n 值nn = ks理想气体 n w,wt ,q的计算多变过程比热容(1) 当 n = 0 (2) 当 n = 1

26、多变过程与基本过程的关系(3) 当 n = k (4) 当 n = pTsvnpTsv基本过程是多变过程的特例 基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表34 公式汇总理想气体基本过程的计算斜率理想气体 过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp斜率理想气体 过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv斜率理想气体 过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT理想气体 过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTssu在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT=u0u0h在

27、p-v,T-s图上的变化趋势sTvphT=u0u0h0h0w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu0u0h0h0w0w0wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu0u0h0h0w0w0wt0wt0q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu0u0h0h0w0w0wt0wt0q0Tq0u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu0u0h0h0w0w0wt0wt0q0u,h(T) w(v) wt(p) q(s)q0p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图练习

28、（3）sTvp膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？3-8 活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等型式结构活塞式(往复式)离心式 ，涡旋轴流式，螺杆连续流动压力范围通风机鼓风机压缩机出口当连续流动理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是 可能的压气过程sTn 三种压气过程的参数关系 三种压气过程功的计算最小重要启示两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比 省功最佳增压比的推导 省功最佳增压比的推导 省

29、功欲求w分级最小值，可证明若m级最佳增压比分级压缩的其它好处 润滑油要求t100不可能热二律否定第二类永动机t =100不可能4-2 卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺 (S. Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1)卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明 T1 t,c , T2 t,c ，温

30、差越大，t,c越高 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律T0 c卡诺逆循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2 c T1 卡诺逆循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0 三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力卡诺定理 热二律的推论之一定理：在两个不同温度的恒温热源间工作 的所有热机，以可逆热机的热效率 为最高。 卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下卡诺定理推论一 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。

31、卡诺定理推论二 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。卡诺定理小结1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR = tC 2、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC 3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR= tC 在给定的温度界限间工作的一切热机， tC最高 热机极限 卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。 对热力学第二定律的建立具有重大意义。卡诺定理举例 A 热机是否能实现1000 K30

32、0 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ实际循环与卡诺循环 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =3040% 卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上 T s 很难实现 火力发电 t1=600oC，t2=25oC tC =65.9% 实际t =40%回热和联合循环t 可达50%4-3 克劳修斯不等式4-3、 4-4 熵、 4-5 孤立系熵增原理 围绕方向性问题，不等式热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性 定义熵克劳修斯不等式克劳修斯不等式的研究对

33、象是循环 方向性的判据正循环逆循环可逆循环不可逆循环 克劳修斯不等式的推导克劳修斯不等式的推导（1）可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热 克劳修斯不等式的推导（2）不可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热 假定 Q1=Q1 ，tIR tR，WW 可逆时IRWQ1Q2克劳修斯不等式推导总结可逆 =不可逆 正循环（可逆、不可逆）吸热反循环（可逆、不可逆）放热仅卡诺循环?克劳修斯不等式 对任意循环克劳修斯不等式将循环用无数组 s 线细分，abfga近似可看成卡诺循环= 可逆循环 不可能热源温度热二律表达式之一 克劳修斯不等式例题 A 热机是否能实现1000 K300

34、 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ注意： 热量的正和负是站在循环的立场上4-4 熵热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性热二律推论之三 熵反映方向性熵的导出定义：熵克劳修斯不等式可逆过程， ， 代表某一状态函数。= 可逆循环 不可逆S与传热量的关系= 可逆不可逆：不可逆过程定义熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：永远热二律表达式之一熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用Ts123

35、4任何过程熵变的计算方法非理想气体：查图表固体和液体：通常常数例：水熵变与过程无关，假定可逆：熵变的计算方法热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变熵变的计算方法功源（蓄功器）：与只外界交换功功源的熵变理想弹簧无耗散4-5 孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。无热量交换无功量交换=：可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一为什么用孤立系统？孤立系统 = 非孤立系统 + 相关外界=：可逆过程 ：不可逆过程 T2)QT2T1用克劳修斯不等式 用用用没有循环不好用不知道孤立系熵

36、增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系当T1T2可自发传热当T1T2不能传热当T1=T2可逆传热孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系STT1T2孤立系熵增原理举例(2)两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T1RWQ1功源孤立系熵增原理举例(2)Q2T2T1RWQ1功源STT1T2两恒温热源间工作的可逆热机孤立系熵增原理举例(3)T1T2RQ1Q2W假定 Q1=Q1 ，tIR tR，W tIR 可逆T1T0IRWIRQ1Q2作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功假定 Q1=Q1 ， WR WIR 作功能力损失作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定

37、 Q1=Q1 ， W R WIR 作功能力损失4-6 熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动热二律讨论热二律表述(思考题1)“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功” 温度界限相同的一切可逆机的效率都相等? 一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想 T (1)体积膨胀,对外界有影响 (2)不能连续不断地转换为功熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可逆过程进行计算。 熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值； 熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关 熵是广延量熵的表达式的联系 可逆过程传热的大小和方向 不可逆程度的量度作功能力损失 孤立系 过

38、程进行的方向 循环克劳修斯不等式熵的问答题 任何过程，熵只增不减 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到 达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S 可逆循环S为零，不可逆循环S大于零 不可逆过程S永远大于可逆过程S判断题（1） 若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？相同初终态，s相同=：可逆过程：不可逆过程热源T相同相同判断题（2） 若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？相同热量，热源T相同=：可逆过程：不可逆过程相同初态s1相同判断题（3） 若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程

39、，能否达到相同终点？可逆绝热不可逆绝热STp1p2122判断题（4） 理想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程AB真空 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ Scycle=0, Siso=0ST2000 K300 K 可逆与不可逆讨论(例2)2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦摩擦耗功 2kJ当T0=300K作功能力损失=T0Siso= 2kJ 可逆与不可逆讨论(例2)2000 K300 K1

40、00 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦= 2kJ Scycle=0T0ST2000 K300 K Siso=0.0067可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000 K300 K100 kJ16 kJ84 kJ100 kJ1875 K可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000 K300 K100 kJ16 kJ84 kJ100 kJ1875 KST2000 K300 K1875 K Siso=0.0033 Scycle=0T0 S热源温差 热二律的表述 热二律的表达式 熵 孤立系熵增原理 作业:3-8;3-17;4-4第四章 小 结 第四章

41、 完第五章 气体动力循环动力循环研究目的和分类动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功按工质气体动力循环：内燃机蒸汽动力循环：外燃机空气为主的燃气按理想气体处理水蒸气等实际气体研究目的：合理安排循环，提高热效率气体动力循环分类按结构活塞式叶轮式汽车，摩托，小型轮船航空，大型轮船，移动电站气体动力循环分类小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船，移动电站汽油机 按燃料柴油机煤油机 航空气体动力循环分类点燃式 按点燃方式：按冲程数：四冲程 压燃式 二冲程 动力循环研究方法实际动力循环非常复杂不可逆，多变指数变化，燃烧等 工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽象和理想

42、化，形成各种理想循环进行分析，最后进行修正。5-1 活塞式内燃机动力循环一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）四冲程柴油机工作原理空气、油废气吸气压缩膨胀排气四冲程高速柴油机工作过程12301 吸空气pV一般n=1.341.37柴油自燃t=335p02012 多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油2 开始燃烧23 迅速燃烧，近似Vp59MPa四冲程高速柴油机工作过程1234534 边喷油，边膨胀pVp0120t4可达170018004 停止喷柴油45 多变膨胀V近似 膨胀pp5=0.30.5MPat550051 开阀排气， 降压10 活塞推排气,完成循环四冲程高速柴油机的理想化12

43、3451. 工质pVp0120工质数量不变定比热理想气体P-V图p-v图2. 0-1和1 -0抵消开口闭口循环3. 燃烧外界加热4. 排气向外界放热5. 多变绝热6. 不可逆可逆理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTs分析循环吸热量，放热量，热效率和功量理想混合加热循环的计算12345Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率定义几个指标性参数12345pv压缩比定容增压比预胀比反映气缸容积反映供油规律理想混合加热循环的计算12345Ts热效率理想混合加热循环的计算12345Ts热效率各因素对混合加热循环的影响1、当 、 不变受气缸材料限制 一般柴油机潜艇用氦气，k=1.66各因素对

44、混合加热循环的影响2、当 不变注意：图示的研究方法不必记忆 的复杂式12345pv柴油机与汽油机动力循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式汽油机，点燃式定容加热循环（奥托循环)12341234pvTs定容加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率定容加热循环的计算1234Ts热效率定容加热循环的计算汽油易爆燃一般汽油机一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧柴油机与低速柴油机循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式定压加热循环（狄塞尔循环)1234pv1234Ts定压加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率定压加热循环的计算热

45、效率当 不变当 不变已被淘汰5-2 活塞式内燃机循环比较比较的条件压缩比吸热量反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）最高压力反映材料耐压、壁厚、成本最高压力反映材料耐温比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热和 相同Ts平均温度法3m4m123v4v3p4p和 相同Ts相等12v342m2p和 相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m5-3 斯特林循环斯特林循环是活塞式热气发动机的理想循环。冷气室热气室加热器冷却器AB回热器1-2 T 压缩2-3 V 吸热3-4 T 膨胀4-1 V 放热斯特林循环图示12341234pvTs概括性卡诺循环核潜艇，制冷循环效率:特点:1、循环效率高。

46、2、采用外式热源，可以燃用廉价燃料。（比如：太阳能）改良的单缸斯特林发动机示意5-4 勃雷登循环用途： 航空发动机 尖峰电站 移动电站 大型轮船勃雷登循环示意图和理想化1234压气机燃气轮机燃烧室1）工质：数量不变，定比热理想气体理想化：2）闭口 循环3）可逆过程pvTs12341234P-v 图和T-s 图勃雷登循环的计算Ts1234吸热量：放热量：热效率：勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率表达式似乎与卡诺循环一样勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：定义：循环增压比勃雷登循环净功的计算Ts1234定义：循环增温比对净功的影响Ts123434当 不变不变但T3 受材料耐热限

47、制对净功的影响Ts当 不变太大太小存在最佳 ，使 最大最佳增压比 （w净）的求解Ts令最大循环净功燃气轮机的实际循环Ts1234压气机：不可逆绝热压缩燃气轮机：不可逆绝热膨胀24定义：压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机的实际循环的净功Ts123424净功吸热量燃气轮机的实际循环的热效率Ts123424热效率影响燃气机实际循环热效率的因素一定，一定，有最佳 右移第五章 完第六章 水和水蒸气的性质6-3 水蒸气的定压发生过程t tsv vv = vv = vv v v未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s s水预热汽化过

48、热水蒸气定压发生过程说明(1)(2)(3) 理想气体实际气体汽化时，TTs不变，但h增加汽化潜热(4) 未饱和水过冷度过冷水过热蒸汽过热度sp-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态等压线上饱和态参数ptsv(m3/kg)vsskJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.00326

49、0.003264.4294.429(bar)()bdbd定压加热线与饱和液线相近的说明当忽略液体cp变化，不同的p，液体近似不可压，v不变对每个不变的T一点：临界点C（pc=22.129MPa,tc=374.15， hc=2100kJ/kg)两线：饱和水线与饱和蒸汽线三区：未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过 热蒸汽区五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽 、干饱和蒸汽、过热蒸汽水和水蒸气状态参数确定的原则1、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸汽确定p或T3、湿饱和蒸汽p和T不独立，除p或T外，引入干度X 6-4 水和水蒸气状态参数及其图表干度x定义干饱和蒸汽饱和水对干

50、度x的说明：x = 0 饱和水x = 1 干饱和蒸汽0 x 1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义湿饱和蒸汽区状态参数的确定 如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度xh ,v ,s饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。但 原则上不为0， 对水： 表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工

51、程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：水的三相点查表举例（1）查表时先要确定在五态中的哪一态。例.1 已知 ：p=1MPa,试确定t=100, 200 各处于哪个状态, 各自h是多少？ts(p)=179.88t=100 ts, 过热蒸汽h=2827.5kJ/kg查表举例（2）已知 t=250, 5kg 蒸汽占有0.2m3容积, 试问蒸汽所处状态? h=?t=250 , 湿蒸汽状态查表举例（2）已知 t=250, 5kg 蒸气占有0.2m3容积, 试问蒸气所处状态? h=?t=250 , 湿蒸汽状态查表举例（3） 在一刚性容器内充满p=0.1MPa，t=20的水。由于太阳照射，使其温度升为

52、40,求容器承受的压力。p=0.1MPat=20t=40等容过程储液罐很危险，不能装满。 查表举例（4）已知 t=85, p=0.015MPa , 试确定状态? h=?ts=54.0 , 过热状态p=0.015MPa内插法p=0.01MPat=85p=0.02MPat=85p=0.015MPat=85饱和参数未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）如何在图上表示功和热p-v图（示功图）：面积代表功能否用线段表示热和功T-s图（示热图）：面积代表热蒸汽动力循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器定压过程等熵过程焓熵图的画法(1)1、零点：h=0，s=0；2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）3、等压

53、线群：p两相区pT=Const斜直线单相区sT向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上焓 熵 图hsCpx=1x=0pC焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：T、p一一对应，T 线即 p 线在x=0, x=1之间，从C点出发的等分线同理想气体一样， v 线比 p 线陡4、定温线T5、等容线v6、等干度线x焓 熵 图hsCx=1x=0pvTx6-5 水蒸气的热力过程任务： 确定初终态参数， 计算过程中的功和热 在p-v、T-s、h-s图上表示热力过程： p s T v 注意与理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用准静态可逆水

54、蒸气的定压过程q = h wt = 0342pv1例：锅炉中，水从30 ，4MPa, 定压加热到450 q = h2-h1ts(4MPa)=250.33锅炉、换热器水蒸气的定压过程例：水从30 ，4MPa, 定压加热到450 q = h2-h12Tshs2h1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg水蒸气的绝热过程p12pvp2不可逆过程： 汽轮机、水泵12可逆过程： s1 2 1 2q = 0水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q = 0212Ts不可逆过程： 可逆过程： sp1p2水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q = 0hs不可逆过

55、程 可逆过程： sp1p221h1h2h22透平内效率 水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h22例：汽轮机 求：解：由 t1、p1查表 水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h22求：由 p2查表水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h22求：水蒸气的定温过程pv实际设备中很少见TCTcT远离饱和线，接近于理想气体水蒸气的定温过程12Tshs122理想气体 测量干度原理 绝热节流可逆过程：12水蒸气的定容过程实际设备中不常见12pv水蒸气的定容过程1TshspT212vpv4、注意与理想气体比较，哪些公式可用、 哪些不能用第六章 小 结1、熟悉一点、两线、三区、五态2、会

56、查图表3、基本热力过程在p-v、T-s、h-s图上的表 示，会计算 q、wt第六章 完第七章 蒸汽动力循环第七章 蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的 四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵7-1 郎肯循环水蒸气动力循环系统 锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器水蒸气动力循环系统的简化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器郎肯循环1234简化（理想化）：12 汽轮机 s 膨胀23 凝汽器 p 放热34 给水泵 s 压缩41 锅炉 p 吸热1342pv郎肯循环pv图12 汽轮机 s 膨胀23 凝汽器 p 放热34 给水泵 s 压缩41 锅炉

57、p 吸热4321Tshs1324郎肯循环Ts和hs图12 汽轮机 s 膨胀23 凝汽器 p 放热34 给水泵 s 压缩41 锅炉 p 吸热hs1324郎肯循环功和热的计算 汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：hs1324郎肯循环热效率的计算 一般很小，占0.81%，忽略泵功 工程上常用汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h 功量所消耗的蒸汽量kg汽耗率的概念的单位是kJ/kg1kW=1 kJ/s郎肯循环与卡诺循环比较sT64211098753 q2相同； q1卡诺 q1朗肯 卡诺 朗肯； 等温吸热41难实现 11点x太小,不利

58、于汽机强度； 12-9两相区难压缩； wnet卡诺小 卡诺 朗肯； wnet卡诺 wnet 朗肯1112对比同温限1234对比5678对比9-10-11-12sp1 t1 p2654321如何提高郎肯循环的热效率影响热效率的参数？TsT654321蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响t1 , p2不变，p1优点： ，汽轮机出口尺寸小缺点： 对强度要求高 不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85 0.88sT654321蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点： ，有利于汽机安全。缺点： 对耐热及强度要求高，目前初温一般在550左右 汽机出口尺寸大p1 , p2不变，t1sT654321乏汽压力对郎肯

59、循环热效率的影响优点： 缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为27 33 ，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高p1 , t1不变，p2国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表7-2 实际蒸汽动力循环分析sT532241114非理想因素：给水泵不可逆( 3 4 )汽机不可逆( 1 2 )汽机汽门节流( 1 1 ) 蒸汽管道摩擦降压，散热(11) 实际蒸汽动力循环分析方法热一律：热效率分析法热二律：熵分析法 Ex分析法实际蒸汽动力循环热效率法sT532241114忽略泵功可逆循环效率汽机相对内效率管道和节流，管道效率锅炉散热和排烟，锅炉效率整

60、个实际蒸汽动力循环热效率sT532241114整个电厂热效率sT532241114机械效率电机效率实际蒸汽动力装置的Ex分析法对于稳定流动进入设备的Ex总和离开设备的Ex总和Ex损失之和焓Ex锅炉的Ex分析sT532241114排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气锅炉的Ex分析（燃烧）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气空气燃料设燃料完全是Ex（1）燃烧，烟气热量以环境为基准平均燃烧温度锅炉的Ex分析（散热）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气（2）排烟，渣，散热后，可传给水的ex锅炉的Ex分析（传热）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气（3）传热，水的温度远比燃气低，温差传热水得到的ex管道和汽机主汽门节流