高等工程热力学课件

本章重点取热力系统、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。§1-1热力系统1、系统与边界热力系统(热力系、系统)：用界面分离出的研究对象。外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界第一章基本概念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边界特性真实、虚构固定、活动热力系统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1234mQW1

开口系

热力系统非孤立系＋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状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的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、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化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强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数

如压力

p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积

V、内能

U、焓

H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质§1-3基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）1、压力

p

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

Pa压力p测量示意图一般是工质绝对压力与环境压力的相对值

——相对压力注意：只有绝对压力

p

才是状态参数绝对压力与相对压力示意图当

p>pb表压力pe当

p<pb真空度pvpbpeppvp环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。

见习题1－7大气压随时间、地点变化。物理大气压

1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=

ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)

其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器热力学第零定律温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）

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

温度计热力学第零定律热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年

S热力学第三定律1906年

S基准温度的热力学定义

处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标比容v［m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡状态1、定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。

温差

—

热不平衡势压差

—

力不平衡势化学反应

—

化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？

如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述§1-5状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理闭口系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差

达到某一方面平衡

消除一种能量传递方式而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数

=能量转换方式的数目

=各种功的方式+热量=n+1n

容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N

=n

+1=2绝热简单可压缩系统

N=?状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图21§1-6准静态过程、可逆过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..准静态过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW可逆过程的定义

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，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。可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

耗散效应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。完全可逆、内可逆与外可逆

完全可逆

可逆内部可逆，外部不可逆

外部可逆，内部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆§1-7功量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义(外文参考书）

a、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取起重物，此即为热力系对外作功。b、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。例：火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器功的表达式功的一般表达式热力学最常见的功容积变化功

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等§1-8热量与熵1、热量定义：

热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。

另一定义：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。热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”热量与容积变化功能量传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（Entropy）的定义reversible熵的简单引入比参数

[kJ/kg.K]ds: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>0dS>0系统放热时为负

Q<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图§1-9热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆过程不可逆循环可逆循环正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT1Q1Q2T0制热循环：制热系数本章基本要求4掌握混合气体分压力、分容积的概念1掌握理想气体状态方程的各种表述形式，并应用理想气体状态方程及理想气体定值

比热进行各种热力计算

2掌握理想气体平均比热的概念和计算方法3理解混合气体性质

第二章理想气体的性质本章重点

1理想气体的热力性质

2理想气体状态参数间的关系3理想气体比热§2-1理想气体状态方程一理想气体定义忽略气体分子间相互作用力和分子本身体积影响,仅具有弹性质点的气体，注意：当实际气体p→0v→的极限状态时，气体为理想气体。二理想气体状态方程的导出

二V：nKmol气体容积m3；

V：质量为mkg气体所占的容积；P：绝对压力Pa；v：比容m3/kg；T：热力学温度K状态方程VM：摩尔容积m3/kmol；RM

：通用气体常数，J/kmol·K；工程热力学的两大类工质

1、理想气体（idealgas）

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（realgas）

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状态方程的应用

1

求平衡态下的参数2两平衡状态间参数的计算3标准状态与任意状态或密度间的换算4求气体体积膨胀系数

：体积为V的真空罐出现微小漏气。设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0－p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。由于漏气过程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。

例2：容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：（a）（b）题解解：放气前、后两个平衡状态之间参数能按方程式（a）形式描述，不能用方程式（b）描述，因为容器中所盛有一定量的理想气体当将气体放出一部分后，其前、后质量发生了变化根据，，而可证。

解例1例题1解:由题设条件已知

漏入空气的流率:

罐内的状态方程dV=0;dT=0

积分(P由0到p)得微分（2）

（1）

或或计算时注意事项

1、绝对压力2、温度单位

K3、统一单位（最好均用国际单位）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

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。

哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2

，可以§2-2理想气体的比热

计算内能,焓,热量都要用到比热定义:比热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C=Mc=22.414C’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定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设

定容物理意义：v时1kg工质升高1K内能的增加量定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设

定压物理意义：p时1kg工质升高1K焓的增加量cv和cp的说明1、

cv和cp

，过程已定,可当作状态量。2、前面的推导没有用到理想气体性质，所以适用于任何气体。3、梅耶公式： ，，比热比：定值、真实、平均比热

定值比热：凡分子中原子数目相同因而其运动自由度也相同的气体，它们的摩尔比热值都相等，称为定值比热

真实比热：相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。平均比热

比热与温度的函数关系:2．3混合气体的性质

混合气体的分压力

:维持混合气体的温度和容积不变时，各组成气体所具有的压力

道尔顿分压定律:维持混合气体的温度和压力不变时，各组成气体所具有的容积。阿密盖特分容积定律：混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之和。即：混合气体的分容积：有关定义质量成分定义式：容积成分定义式：摩尔成分定义式：某组元气体的质量混合气体总质量某组元气体的容积混合气体总容积组元气体的摩尔数混合气体总摩尔数

本章应注意的问题

2．考虑比热随温度变化后，产生了多种计算理想气体热力参数变化量的方法，要熟练地掌握和运用这些方法，必须多加练习才能达到目的。1．运用理想气体状态方程确定气体的数量和体积等，需特别注意有关物理量的含义及单位的选取。3．在非定值比热情况下,理想气体内能、焓变化量的计算方法，理想混合气体的分量表示法，理想混合气体相对分子质量和气体常数的计算。本章基本要求深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题第三章热力学第一定律§3-1系统的储存能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能一。内能内能是状态量U:

广延参数

[kJ]

u:

比参数

[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定说明：注意：对理想气体u=f(T)

二。外储存能

系统工质与外力场的相互作用所具有的能量如：重力位能以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量如：宏观动能组成系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du

3．2系统与外界传递的能量

功随物质传递的能量

热量外界热源外界功源外界质源系统热量

kJ

或kcal且lkcal=4.1868kJ

定义：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定:特点:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关系统吸热热量为正，系统放热热量为负单位：功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1．膨胀功W：2

轴功W:在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。规定:

系统对外作功为正，外界对系统作功为负。通过轴系统与外界传递的机械功定义:单位：lJ=lNm膨胀功是热变功的源泉刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换种类:注意:随物质传递的能量1．

流动工质本身具有的能量2．

流动功(或推动功)为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功

注意:

取决于控制体进出口界面工质的热力状态由泵风机等提供思考：与其它功区别焓

对于m千克工质：

焓的定义式：焓=内能+流动功

焓的物理意义：1．对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.思考：特别的对理想气体

h=f(T)

对于1千克工质：h=u+pv

2

对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数理想气体内能变化计算

适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程

用定值比热计算:用平均比热计算:

理想气体组成的混合气体的内能：

经验公式代入§3-3闭口系能量方程功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量q

=du

+

w准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-

dl表面张力功

w表面张力=-

dAw

=

pdv

-

dl-

dA

+…...闭口系能量方程的通式q

=du

+

w若在地球上研究飞行器

q

=

de

+

w

=

du

+

dek

+

dep

+

w

准静态和可逆闭口系能量方程简单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§

3-4开口系能量方程推导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-

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WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

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§3-5开口系统稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、3、轴功Shaftwork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几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws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理想气体焓的计算用定值比热计算:用平均比热计算:经验公式代入适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，

第四章理想气体热力过程及气体压缩本章基本知识点

熟练掌握定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算，以及上述过程在p-v

、T-s图上的表示。

分析对象:

闭口系统

过程性质:可逆过程过程特点:

定容过程、定压过程、定温过程、,绝热(多变)过程目的:

研究外部条件对热能和机械能转换的影响，通过有利的外部条件，达到合理安排热力过程，提高热能和机械能转换效率的目的。

基本任务:确定过程中工质状态参数,能量转换关系实例:

取开口系统的气体压缩§4．1基本热力过程

一.研究热力学过程的目的与方法目的:提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响

主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算参数会计算，就可以研究能量转换的过程对象1)参数(p,T,v,u,h,s

)变化2)能量转换关系,

q

,w,wt方法抽象分类2)可逆过程(不可逆再修正)基本过程研究热力学过程的依据2)理想气体3)可逆过程

1)第一定律稳流研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w

,

wt,

q4)求3)用T-s

与p-v

图表示2)根据以知参数及过程方程求未知参数斜率=？曲线上凸？下凹？斜率斜率理想气体s

的p-v

图和

T-s

图

内能变化焓变化熵变化

理想气体s

u,h,

s的计算状态参数的变化与过程无关

膨胀功w理想气体s

w,wt,q的计算技术功

wt热量

q若已知p1,T1,T2,求p2理想气体变比热s

过程理想气体变比热s

过程已知p1,T1,T2,求p2若是空气，查附表2§4-2理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程(Polytropicprocess)过程方程n是常量，每一过程只有一n值初终态关系n理想气体s

的初、终态§4-3理想气体的多变过程

(Polytropicprocess)

过程方程n是常量，每一过程有一n值初终态关系n理想气体

n

u,h,

s的计算

内能变化焓变化熵变化

状态参数的变化与过程无关理想气体n

w,wt,q的计算多变过程比热容(1)

当n=0

(2)

当n=1多变过程与基本过程的关系(3)

当n=k

(4)

当n=

基本过程是多变过程的特例pTsvnpTsv初终态关系过程方程理想气体的基本过程pTsvpTsv理想气体基本过程的

u,h,

s

内能变化焓变化熵变化

状态参数的变化与过程无关pTsv理想气体基本过程的wpTsv理想气体基本过程的wtpTsv理想气体基本过程的qpTsvcp

的定义cv

的定义斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT理想气体基本过程的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=u>0u>0w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u↑,h↑(T↑)

w↑(v↑)

wt↑(p↓)

q↑(s↑)q>0§4-4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)离心式轴流式叶轮式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分级压缩中间冷却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

省功欲求w分级最小值，最佳增压比的推导

省功w分级最小值，最佳增压比可证明若m级分级压缩的其它好处

润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级分级压缩的级数省功分级降低出口温多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)所以，一般采用2~4

级压缩T活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙余隙容积压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变活塞式压气机的余隙影响活塞排量研究VC对耗功和产气量的影响新气量产气量有效吸气容积余隙容积VC对理论压气功的影响设12和43两过程n相同功＝面积12341＝面积12561－面积43564余隙容积VC对理论压气功的影响余隙对单位产气量耗功不影响本章知识点理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无的概念。第五章热力学第二定律本章重点l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2．深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3．系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性

热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热

热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?

自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律§5-1第二定律的表述与实质

热功转换

传热

热二律的表述有60-70

种

1851年

开尔文－普朗克表述

热功转换的角度

1850年

克劳修斯表述

热量传递的角度开尔文－普朗克表述

不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。

热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T

过程q=w冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变

理想气体T

过程q=wT

s

p

v

1

2

热机：连续作功构成循环1

2

有吸热，有放热但违反了热力学第二定律热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源第二类永动机???

如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低5C，发电能力可提高11.7倍。设水位差为180米重力势能转化为电能：mkg水降低5C放热：克劳修斯表述

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克表述

完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!!§5-2

卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环既然t

=100％不可能热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高S.卡诺

NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人卡诺循环—

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

c

，温差越大，t,c越高•

当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•

T1

=K,T2

=0K,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

’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

结论正确，但推导过程是错误的

当时盛行“热质说”

1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明卡诺定理推论一

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。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求证：

tR1

=tR2

由卡诺定理tR1

>tR2

tR2

>tR1

WR2

只有：tR1

=tR2

tR1

=tR2=

tC与工质无关卡诺定理推论二

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。T1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR

已证：tIR

>tR

只要证明tIR

=tR

反证法,假定：tIR=tR

令Q1=Q1’

则

WIR

=WR工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。

∴

Q1’-Q1

=Q2’

-

Q2=

0

WR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

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ§5-3

克劳修斯不等式§5-3、§5-4熵、§5-5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§5-4

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：熵于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。小知识克劳修斯不等式可逆过程，，代表某一状态函数。=可逆循环<不可逆循环比熵熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度比熵克劳修斯不等式可逆时熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小熵的物理意义:熵是状态量可逆循环pv12ab熵变与路径无关,只与初终态有关不可逆过程S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可逆>不可逆S与传热量的关系=可逆>不可逆<不可能热二律表达式之一对于循环克劳修斯不等式除了传热,还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增针对过程熵流和熵产对于任意微元过程有：=：可逆过程>：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Ts1234任何过程§5-5

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>：不可逆过程最常用的热二律表达式作功能力损失RQ1Q2WR卡诺定理tR>

tIR

可逆T1T0IRWIRQ1’Q2’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T1T0RQ1Q2WIRW’Q1’Q2’假定Q1=Q1’

，WR>WIR

作功能力损失§5-4

熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动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第七章水和水蒸气的性质

基本知识点

水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用、水蒸气在热力过程中功量和热量的计算。

本章重点：

工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。水和水蒸气是实际气体!水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体一般情况下，为实际气体，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好§7-1纯物质的热力学面及相图物质有三种聚集状态：固态、液态、气态热力学面：以p,v,T表示的物质各种状态的曲面水的三态：冰、水、蒸汽水的热力学面两相区单相区气液固pvT六个区：三个单相区、三个两相区液--气固--气固--液pvT饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：临界点三相线与临界点水的临界点状态饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的pmax,Tmax等温线是鞍点临界点水的三相线纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体升华线升华线凝固线凝固线汽化线汽化线

思考题没有。t>374.16℃有3.有没有500ºC的水？1.溜冰冰刀2.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相4.有没有-3℃

的蒸汽？5.一密闭容器内有水的汽液混合物，对其加热，是否一定能变成蒸汽？纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体饱和线、三相线和临界点pv饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点汽相和液相锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器因固相不流动，更关心汽液两相冰蓄冷§7-2汽化与饱和沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化(气体和液体均处在饱和状态下)饱和状态：汽化与凝结的动态平衡汽化:

由液态变成气态的物理过程

(不涉及化学变化)蒸发：汽液表面上的汽化饱和状态饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度Ts饱和压力ps一一对应放掉一些水，Ts不变，ps？Tspsps=1.01325barTs=100℃青藏ps=0.6barTs=85.95℃高压锅ps=1.6barTs=113.32℃纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体汽化线汽化线§7-3水蒸气的定压发生过程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水预热汽化过热水蒸气定压发生过程说明(1)(2)只有熵加热时永远增加(3)理想气体实际气体汽化时，T＝Ts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’(bar)v’’s’s’’kJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.003260.003264.4294.429(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§7-4水和水蒸气状态参数及其图表状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T湿饱和蒸汽，p和T不独立，汽液两相1875年，吉布斯提出了吉布斯相律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、湿饱和蒸汽除p或T外，其它参数与两相比例有关两相比例由干度x确定定义干饱和蒸汽饱和水对干度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水和水蒸气表两类2、未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸汽表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，但工程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：水的三相点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=0pvTx§7-5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：

ps

T

v

注意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可逆水蒸气的定压过程q=hwt=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=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg水蒸气的绝热过程p12’pvp2不可逆过程：

汽轮机、水泵12可逆过程：

s12

12’q=0水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q=02’12Ts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不可逆过程

可逆过程：

sp1p221h1h2h2’2’透平内效率

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1TshspT212vpv第八章湿空气的性质

本章学习内容1

研究气体流动过程中2

研究影响气体在管内流的气流速度变化能量转换状态参数变化的规律系统的外部条件管道截面积的变化基本知识点1.理解绝对湿度、相对湿度、含湿量、饱和度、湿空气密度3.熟练使用湿空气的焓湿图。

4.掌握湿空气的基本热力过程的计算和分析。

2.干球温度、湿球温度、露点温度和角系数等概念的定义式及物理意义。湿空气＝（干空气＋水蒸气）空调、通风、烘干、冷却塔、储存§8-1湿空气的性质

湿空气与一般理想混合气体的最大区别水蒸气的含量是变量!!分压低理想混合气体冷却塔照片饱和蒸汽

1、未饱和湿空气未饱和湿空气和饱和湿空气过热蒸汽水蒸气干空气＋过热水蒸气pv<ps(T)

Tspvps加入水蒸气，pv2、饱和湿空气未饱和湿空气和饱和湿空气干空气＋饱和水蒸气pv＝ps(T)

Tsps温度一定，不能再加入水蒸气从未饱和到饱和的途径Tspvps1、

T

加水蒸气pvab3、

pv

不变，Tabaddc2、

pv

，Tac4、

vaee结露Td露点温度

Td=Ts(pv)结露与露点湿润的夏天水管上常出现水珠?

冷水管t=20oCTsdpv=0.04bar大气温度t=30oCtd=28.98oC干燥的冬天pv小，

td<0.0oC结霜

结雾？

湿空气中所含水蒸气的量湿空气的湿度1、绝对湿度每1m3湿空气中所含的水蒸气的质量kg水蒸气/m3湿空气绝对湿度T,pv下水蒸气的密度不常用2、相对湿度＝1

饱和湿空气

在相同的温度下：相对湿度＝0

干空气

0<<1

未饱和湿空气

表明湿空气与同温下饱和湿空气的偏离程度

反映所含水蒸气的饱和程度

越干燥，吸水能力强

越湿润，吸水能力低

3、含湿量湿空气中干空气的量总不变，以此为计算基准

含湿量kg水蒸气/kg干空气？以单位质量干空气为基准，理想混合气体kJ/kg干空气工程上，取0oC时§8-2湿空气的焓、熵和容积干空气的焓水蒸气的焓温度t下饱和水的焓hv=0ha=0干空气的焓湿空气的熵kJ/kg干空气.K湿空气的容积1kg干空气的湿空气的容积m3/kg分压定律§8-3

湿球温度无法直接测量,间接方法1.

绝热饱和温度法d112mfTs12T2湿球温度2.

干湿球温度法图5-9干湿球温度计t-twt-twt=tw=ts(pv)球面上蒸发热=对流热tw绝热饱和温度干球温度,湿球温度与露点温度图5-9干湿球温度计t=tw=tdTstwtdtt>tw>td§8-4

湿空气的焓湿图与热湿比湿空气的参数很多，有多少独立的变量根据相律组元数

2pb,h,d焓湿图相数

1固定pb=0.1MPa焓湿图的结构d=0干空气dh2、

h线1、d线

h与

t

很接近

人为将

h旋转135度

h135度焓湿图的结构dh3、t线正斜率的直线

h等干球温度线t焓湿图的结构dh是一组向上凸的线

h等相对湿度线t4、

线饱和线

上部未饱和线

下部无意义

干空气d=0

焓湿图的结构dhht4、

线ts=99.63oCd焓湿图的结构dhht5、

线d焓湿图的结构dhht6、露点tdpv下饱和湿空气td焓湿图的结构dhht7、湿球温度tw绝热饱和温度tdtwt湿球温度与绝热饱和温度d112mfTs12热力学第一定律焓湿图的结构dhht8、热湿比h-d图上为直线ⅣⅠⅡⅢⅠ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ:角系数：过程方向与特征焓湿图的结构dhht8、热湿比12已知初态1过程斜率已知可确定终态焓湿图的结构dhht不同的pb不同的h-d图§8-5湿空气的基本热力过程

一、单纯加热或冷却过程d不变12qdh122’加热12放热12’hh二、冷却去湿过程qdh122’34d1h1d4h4d1-d4h水三、绝热加湿过程dh12d1h1d2h2d2-d1h水t1t2向空气中喷水，汽化潜热来自空气本身，t蒸发冷却过程dt四、加热加湿过程dh12d1h1d2h2d2-d1h水t1t2qh2h1设t不变12设