工程热力学幻灯片(绪、1、2章)(上课)

1、工程热力学参考文献廉乐明工程热力学沈维道工程热力学华自强工程热力学朱明善工程热力学何雅玲工程热力学精要分析及典型题精解 朱明善等工程热力学题型分析 1教学要求1、弄清基本概念，注意每章后的思考题2、到堂听课、记笔记（计入平时成绩）3、独立完成作业，每周按时交4、平时成绩占30%5、缺课、不交作业达30%者，不予考试工程热力学是重要的技术基础课2一、工程热力学定义1、热力学是研究热现象的理论 热力学：经典热力学（宏观热力学） 统计热力学（微观热力学） 热力学是研究热现象的宏观理论，它是从能量的观点研究热现象的，即是研究热能与其它形式能量之间的转换以及能量转换与物质之间关系的科学。绪 论3 热力学

2、是论述热和功相互关系的一门科学。 热力学是研究与热现象有关的能量转换规律的科学。 热力学是研究能和熵的科学。 热力学是研究物质系统的状态、状态变化以及发生状态变化的各个系统之间相互作用的科学。 热力学是研究能量、物质和它们之间相互作用的规律的科学。 热力学是研究系统的平衡条件和接近于平衡状态所进行的过程的科学。42、工程热力学 是热力学的一个重要分支，是研究热能和机械能之间的转换规律及其在工程中的应用、及如何提高转化效率的科学。二、主要内容1、基本概念与基本定律（1）基本概念：状态、状态参数、功、热、焓、熵、可逆过程等（2）基本定律：热力学第一定律和热力学第二定律5 热力学第一定律说明了热能和

3、机械能互相转换时，能的数量守恒。 热力学第二定律说明了能量转换 时的方向、条件和限度，并由此得出了能量的质量不守恒的结论。2、工质的性质及热力过程 理想气体、实际气体（水蒸气）3、热力设备中能量转换过程（热力循环） 理论联系实际（应用）61、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，不能任意推广（有限尺度） 宏观热力学、唯象热力学、经典热力学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，以量子力学原理为依据 特点：揭示本质，模型近似（与实际不完全相符） 统计热力学、微观热力学三、研究方法7四、学习方法1、掌握(理解）基本概念和基本定

4、律（一棵大树：根、干、枝、果）2、掌握热力学研究方法：对复杂事物进行抽象、简化和假设的方法3、重视基本技能的训练8第一章 基本概念第一节热能转变成机械能的过程热能 机械能热动力装置制冷装置内燃动力装置蒸汽动力装置燃气动力装置热动力装置气缸、活塞、曲柄、连杆、飞轮、进气阀、排气阀、火花塞9一、内燃动力装置空气、汽油废气吸气压缩燃烧（吸热）膨胀（做功）排气（放热）10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 (压缩、吸热、 膨胀做功、放热)左止点上死点右止点下死点11二、蒸汽动力装置（火力发电装置）锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器基本特点：1、热源，冷源2、工质（水

5、蒸 汽）3、膨胀做功4、循环 (压缩、吸热、 膨胀做功、放热)12火电厂系统图13三、燃气动力装置（燃气发电装置）14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 (压缩、吸热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气15热机高温热源低温热源Q1Q2W动力循环简图热效率16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)17WQ1Q2T2制冷循环简图T0WQ1Q2T2制冷系数供暖系数18第二节 热力系统一、工质： 实现热能向机械能转化的媒介物质就叫工质二、热源和冷源 高温热源工质从中吸取热能的物体 低温

6、热源接受工质排出热能的物体19热力系统(热力系、系统)：人为分割出来、研究对象、能用热力学参数来描述的系统外界（环境）：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界三、热力系统1、定义（系统与边界）20热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热21边界特性固定、活动；真实、虚构边界划分的不同，研究对象就不同，系统就不同。解决问题的繁简程度不同。一般选取工质为热力系统222、热力系统分类系统通过边界与外界可以有能量的传递（功和热），也可以有物质的传递： 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

7、绝功系 绝功系是否传能、质 非孤立系 孤立系23闭口系统：一个热力系统，如果和外界没有质量交换，则称为闭口系统(控制质量)。开口系统：一个热力系统，如果和外界有质量交换，则称为开口系统(控制容积、控制体）。绝热系统：一个热力系统，如果和外界没有热量交换，则称为绝热系统。孤立系统：一个热力系统，如果和外界既没有功或热等能量交换，又没有质量交换，则称为孤立系统。241234mQW1 开口系例如：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 孤立系25四、系统的内部状况（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

8、261、均匀系与非均匀系：系统内各部分的化学成分和物理性质都均匀一致的系统，称为均匀系。2、单相系与复相系：由单一物相组成的系统称为单相系。3、单元系与多元系：由一种均匀的和化学成分保持不变的物质组成的系统称为单元系。（空气常可看作纯物质，属单元系）27第三节 状态和状态参数一、状态和状态参数状态：某一瞬间热力系统所呈现的宏观物理状况称作工质的热力状态（状态）状态参数：描述热力系状态的宏观物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关；状态参数的循环积分等于零3、状态参数是全微分28状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与

9、初终态有关。1 2ab例：温度变化29状态参数的微分特征设 z =z (x , y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数30BT= 0.5mw 20.5mw 2是分子平移运动的平均动能二、 基本状态参数压力 p、温度 T、比容 v （可直接测量）1、温度1）温度的定义传统：温度是表征物体冷热程度的物理量微观：衡量分子平均动能的量度，表征物质分子运动的激烈程度 312）热力学第零定律如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B 温度计如果两个系统的温度分别和第三个系统的温度相等，则两个系统的温度必然相等。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热

10、平衡的物理量323）常用温标：温度的数值标尺，称作温标开尔文K摄氏100373.150.01273.160273.150-273.15冰熔点水三相点水沸点热力学温标：选取水的三相点为基本点，并定义为273.16K热力学摄氏温标t=T-273.15 T=t+273.15332、压力 p1)定义及单位: 单位面积上所受到的垂直作用力( 物理中压强) 单位: Pa , N/m2常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104

11、Pa342)绝对压力和相对压力绝对压力：以绝对真空为起点而测得的压力叫绝对压力。 P 是流体的真实压力以当地大气压力（B）(环境压力)为起点而测得的压力叫相对压力。 注意：工程上压力表所显示的是相对压力 只有绝对压力 p 才是状态参数当PB时, Pg=P-B 表压力当P恢复平衡所需时间（驰豫时间）50三、可逆过程 系统经历某一过程后，如果能使系统沿相同路径回复到初始状态，而系统所涉及的外界同时恢复到初始状态，不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。1、定义2、准静态过程和可逆过程准只要求系统内部平衡 可还要求系统与外界平衡无不平衡势差无耗散

12、效应51可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程，它只是可逆过程的必要条件。不平衡过程一定是不可逆过程可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等）52摩擦损失的影响若 f 0pp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 再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。53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自由膨胀真空55典型的不可逆过程节流过程 (阀门）p1p

13、2p1p2混合过程56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。 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。57 功是系统与外界通过边界相互作用的一种方式（传递的一种能量）。当系统完成功时，它对外界的全部作用，可用在外界举起重物的效果来代替。在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。第六节 功一、功的定义：2、热力学定义1、力学定义: 力 在力方向上的位移58F= p外A= pAp外=pdspp外fA以汽缸中1Kg工质为系统 1经可逆变化到21kg工质发生容积变化对

14、外界作的功W = m pA ds=pdVw =Fds=p A ds=pdv二、容积功：因容积变化和外界发生作用mkg工质59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60示功图pV.12.pp外21mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdvW61准静态容积变化功的说明pV.12.1）单位为 kJ 或 kJ/kg2） p-V 图上用面积表示3）功的大小与路径有关 功是过程量 w 4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正） dV 0 Q 0 系统放热时为负 dS 0 Q pBAB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统不

15、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87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 ？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功88例1：绝热刚性容器向气缸充气作业:试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。89(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q90(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功WWQ热量：残留气体从放逸气体吸热Q91(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W + W热量：Q + QWQWQ92(4)以容器为系统开口系功量：W热量：QW

16、Q93(5)以气缸为系统开口系功量：W + W热量：Q + QWQWQ94第二章 气体的性质95工程热力学的两大类工质 1、理想气体（ ideal gas） 可用简单的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等2、实际气体（ real gas） 不能用简单的式子描述，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等96第一节 理想气体状态方程 凡遵循克拉贝龙方程的气体理想气体定义：其分子是些弹性的、不占据体积的质点；分子之间没有相互作用力现实中没有理想气体 但是, 当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。 理

17、想气体模型97注意:状态方程四种形式的方程： 1、绝对压力2、温度单位 K3、统一单位（最好均用国际单位）98 Rm与R的区别Rm通用气体常数 (与气体种类无关) R气体常数 (随气体种类变化)M-摩尔质量例如99摩尔容积:相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积Vm相同在标准状况下T常温，p7MPa的双原子分子理想气体O2, N2, Air, CO, H2燃气，湿空气一般情况下100第二节 理想气体比热（容）计算内能, 焓, 热量都要用到热容一、比热定义:单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量c : 质量比热容 MC：摩尔比热容C: 容积比热容（标准状况下）Mc =M C=22.4C101

18、Ts(1)(2)1K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容102二、定容比热cv物理意义： v 时1kg工质升高1K吸收的热量定压比热cp物理意义： p 时1kg工质升高1K吸收的热量两者的关系：定容加热时，加入的热量全部用于增加气体的内能；定压加热时，加入的热量一部分用于增加内能，一部分用于推动活塞对外做膨胀功。103p=cdvv=c则1Kg理想气体温度升高dT所需热量为：比热比：固体、液体104单原子双原子多原子MCvkJ/kmol.KMCpkJ/kmol.Kk1.671.41.29三、定值比热、真实比热、平均比热1、定比热：工程计算中，如果气体温度不太高，或计算精度要求不高的情况下，可以把比热看作定值。见表2-2：1052、真实比热3、平均比热表2-3不同的过程取不同的比热106t t2 t1 c(cp ,cv) c=f (t) oADGFE见表2-4：注意单位107第三节 混合气体的性质一、混合气体的分压力和分压定律二、混合气体的分容积和阿密盖特分容积定律三、混合气体的成分表示方法及换算1、质量成分：gi=mi/m2、