第二讲 本科工程热力学基础回顾

第二讲

工程热力学

基础基本概念

热力学第一定律

热力学第二定律

3

1.热能动力装置(Thermalpowerplant)

定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类：气体动力装置

内燃机

燃气轮机动力装置

喷气动力装置

蒸汽动力装置5

2.工质(workingsubstance;workingmedium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:

物质三态中

气态最适宜。

1）膨胀性;

2）流动性

3）热容量

4）稳定性，安全性

5）对环境友善

6）价廉，易大量获取6

3.热源(heatsource;heatreservoir)

定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。•

高温热源（热源--

heat

source

）

低温热源（冷源—heat

sink）

•

恒温热源(constant

heat

reservoir)

变温热源7

4.热力系统（热力系、系统、体系）,

外界和边界•

系统--thermodynamic

system(system)

：人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。•外界--surrounding：与体系发生质、能交换的物系。•边界--boundary：系统与外界的分界面（线）。8

4.1热力系分类（1）•

按组元数

单元系—one

component

system;pure

substance

system

多元系--multicomponent

system•

按相数

单相系—homogeneous

system

复相系—heterogeneous

system注意：1）不计恒外力场影响；

2）复相系未必不均匀—湿蒸汽；

单元系未必均匀—气液平衡分离状态；

9

4.2

热力系分类（2）

按系统与外界质量交换分：

闭口系—closed

system

（控制质量CM）

—没有质量越过边界

开口系—opensystem

（控制体积CV）—通过边界与外界有质量交换10

1）闭口系与系统内质量不变的区别；

2）开口系与绝热系的关系；

3）孤立系与绝热系的关系；注意：

简单可压缩系—simplecompressiblesystem

—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交

换容积变化功的有限物质系统。绝热系—adiabaticsystem—

与外界无热量交换;

孤立系—isolatedsystem—

与外界无任何形式的质能交换。11

5.1

热力学状态和状态参数

热力学状态—state

of

thermodynamic

system

—系统宏观物理状况的综合

状态参数—state

properties

—描述物系所处状态的宏观物

理量

a）状态参数是宏观量，是大量粒子的平均效

应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态

参数，如等。12

b）状态参数的特性—状态的单值函数

物理上—与过程无关

数学上—其微量是全微分，C）状态参数分类：

广延量—extensive

property

（其值正比于物质的量：V,U,H,S）

强度量—intensive

property（其值与物质的量无关：P,T）又：广延量的比性质，如比体积

具有强度量特性。

13

5.2

热力学状态和状态参数

系统两个状态相同的充要条件：

所有状参一一对应相等

简单可压缩系两状态相同的充要条件：

两个独立的状态参数对应相等14

6.1温度和温标—temperature

and

temperature

scale

温度的定义：

测温的基础—热力学零定律

热力学温标和国际摄氏温标

15.273-=(K)Tt附：华氏温标和摄氏温标15

7.1

压力--pressure绝对压力p—absolute

pressure

表压力

pe（pg）--

gauge

pressure;

manometer

pressure

真空度

pv—vacuum;

vacuum

pressure当地大气压pb—localatmosphericpressure16

8.比体积和密度比体积(specific

volume)

单位质量工质的体积密度(density)单位体积工质的质量17

9.

平衡状态

--thermodynamic

equilibrium

state

定义：若无外界影响系统保持状态参数值

不随时间而改变的状态。•热平衡：

在无外界作用的条件下，系统内部系统与外界处处温度相等。•力平衡：

在无外界作用的条件下，系统内部，系统与外界处处压力相等。•热力平衡的充要条件—系统同时达到热平

衡和力平衡。

18

10.1纯物质的状态方程

—pure

substance

state

equation状态方程理想气体状态方程

—ideal-gas

equation;

Clapeyron’s

equation

Rg—gasconstantR—universal(molar)

gas

constant19

10.2

纯物质的状态方程实际气体(real

gas;

imperfect

gas)的状态方程范德瓦尔方程（a,b为物性常数）R—K方程（a,b为物性常数）

20

BWR方程维里型方程21

11

准静态过程(quasi-static

process;quasi-equilibrium

process)

定义：偏离平衡态无穷小，随时

恢复平衡的状态变化过程。进行条件：

破坏平衡的势—过程进行无限缓慢

工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小22

状态参数坐标图—parametriccoordinates

一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：pv1p1

v1

Ts2T2

s2

pT3p3

T3

23

12.

可逆过程--

reversible

process定义：系统可经原途径返回原来状

态而在外界不留下任何变化

的过程。24

可逆过程1.可逆=准静态+没有耗散效应

2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着

眼于系统内部及系统与外界作用的总效果

3.一切实际过程不可逆

讨论：可逆过程与准静态过程的关系25

13.

功、可逆过程的功--work

功的力学定义

功的热力学定义：通过边界传递的能

量其全部效果可表现为举起重物。

可逆过程功的计算26

14.

热量--heat定义：仅仅由于温差而

通过边界传递的能量。符号约定：系统吸热“+”；

放热“-”

计算式及状态参数图热量是过程量（T-s图上）表示27

热量与功的异同：

1.通过边界传递的能量；

3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；

热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；

4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的

能量；

热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用

而传递的能量。功2.过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。28

15.

热力循环—thermodynamic

cycle定义：封闭的热力过程

特性：一切状态参数恢复原值，即可逆循环与不可逆循环(reversible

cycle

and

irreversible

cycle

)29

热力循环

动力循环（正向循环）--powercycle;directcycle输出净功；

在p—v图及T—s图上顺时针进行；

膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方；30

逆向循环(reversecycle)

制冷循环(refrigerationcycle)

热泵循环(heat-pumpcycle)

一般地讲：输入净功；

在状态参数图逆时针运行；

吸热小于放热。

31

16.热力循环

经济性指标：动力循环：

热效率(thermal

efficiency)制冷循环：

制冷系数(coefficient

of

performance

for

the

refrigeration

cycle)供暖系数(coefficient

of

performance

for

the

heat-pump

cycle)热力学第一定律一.第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。

二.第一定律的表述：

热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。

第一类永动机是不可能制成的

或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。闭口系统的热力学第一定律（能量方程）WQQ

=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dU吸热放热对外做功外界做功准平衡和可逆闭口系的能量方程简单可压缩系准平衡过程和可逆过程w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq

=

du

+

pdvq

=u

+

pdvTds

=

du

+

pdv

Tds=u+pdv开口系统的能量方程开口系统的稳定流动能量方程WsQm1m2u1u2gz1gz2稳定流动条件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、在热力系各点工质的一切参数不随时间而变化开口系的稳定流动能量方程的推导WsQp1v1mu1u2gz1gz2Q

+

m(u1

+

cf12/2

+

gz1)=

m(u2

+

cf22/2

+gz2)

-

Ws

mp2v2试试开口系的稳定流动能量方程的推导流动时，总一起存在定义：焓h1h2适用条件：任何流动工质，任何稳定流动过程对焓（Enthalpy)

的说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]2、对流动工质，焓代表能量(内能+流动功)

对静止工质，焓不代表能量3、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。1、焓是状态量H

=

mh技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能可逆过程技术功的表达式可逆（准平衡）可逆热一律解析式之一热一律解析式之二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

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热力学第二律的表述与实质

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。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!!!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

’卡诺逆循环卡诺热泵循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0

’三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力熵的物理意义定义：熵比熵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克劳修斯不等式可逆

“=”

不可逆“<”注意：1）Tr是热源温度

2）工质循环，故q的符号以工质考虑。克劳修斯不等式可逆“=”

不可逆，不等号第二定律数学表达式讨论：1)违反上述任一表达式就可导出违反第二定律2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据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<：不可能作功能力损失QT2T1作功能力损失自发过程作功能力总减少可逆与不可逆的深层区别理想气体的性质实际气体

理想气体的热力过程

60

第三章

理想气体的性质

§3-1

理想气体

分子为不占体积的弹性质点除碰撞外分子间无作用力理想气体是实际气体在低压高温时的抽象一、理想气体的基本假设61

二、理想气体的状态方程—ideal-gas

equationPam3

kg气体常数：J/(kg.K)KR=MRg=8.3145J/(mol.K)62

三、理想气体混合物考虑气体混合物的基本原则：混合气体的组分都处理想气体状态，则混合气体

也处理想气体状态；混合气体可作为某种假想气体，其质量和分子数

与组分气体质量之和及分子数之和相同；即有：(reduced

gas

constant

of

a

mixture)63

四、混合气体的分压力定律和分容积定律1.分压力定律(Dalton

law

of

partial

pressure)

分压力——组分气体处在与混合气体相同容积、相同温度单独对壁面的作用力。

64

2、分容积定律(law

of

partial

volume)

分容积——组分气体处在与混合气体同温同压单独占有的体积。

65

五、混合气体成分2.体积分数(volume

fraction

of

a

mixture)3.摩尔分数(mole

fraction

of

a

mixture)1.质量分数(massfractionofamixture)66

4.各成分之间的关系气体的摩尔分数等于体积分数67

§3–2理想气体的比热容

一、定义和分类定义：c与过程有关

c是温度的函数分类：按物量质量热容（比热容）cJ/(kg·K)

体积热容c'

J/（Nm3·K）

摩尔热容CmJ/（mol·K）

注：

Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”

68

按过程质量定压热容（比定压热容）

质量定容热容（比定容热容）

及二、理想气体比定压热容，

比定容热容和迈耶公式

1、一般表达式69

2.

cV

定容过程

dv=0若为理想气体是温度的函数代入（A）式得比热容的一般表达式70

3.

cp

据一般表达式若为理想气体cp是温度函数71

4.cp-

cV

迈耶公式（Mayer’s

formula）5.讨论a)

cp与cV均为温度函数,但cp–cV恒为常数：Rg

72

c)气体常数Rg的物理意义

b)Rg是1kg某种理想气体定压升高1k对外作的功。三、理想气体的比热比γ

(specific

heat

ratio;

ratio

of

specific

heat

capacity)注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数

(adiabatic

exponent;

isentropic

exponent)κ=γ

73

四.利用比热容计算热量原理:

对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:

74

§

3–3理想气体热力学能、焓和熵一.理想气体的热力学能和焓

a)因理想气体分子间无作用力b)

1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数

75

若为任意工质??

对于理想气体一切同温限之间的过程Δu及Δh相同,且均可用cV

ΔT及cp

ΔT计算;

对于实际气体Δu及Δh不仅与ΔT有关,还与过程有关且只有定容过程Δu=

cVΔT,定压过程Δh=

cp

ΔT。2.热力学能和焓零点的规定

可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取0k。76

三.利用气体热力性质表计算热量

据77

四.理想气体的熵(entropy)1.定义2.理想气体的熵是状态参数78

定比热79

4.理想气体变比热熵差计算令则制成表,则3.零点规定:

通常取标准状态下气体的熵为零80

五.理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵a.比热容b.热力学能c.焓d.熵81

1kg:定比热容:82

第四章理想气体的热力过程§4–1

研究热力过程的目的及一般方法一、基本热力过程(fundamental

thermodynamic

process)83

在logp-logV图上有logp=-nlnV+c=常数

多变过程(polytropic

process)可逆绝热）过程定熵常数(==pvn(isobaricprocess;constantpressureprocess)(isometricprocess;constantvolumeprocess)

(isentropicprocess;reversibleadiabaticprocess)

(isothermalprocess;constanttemperatureprocess)

84

1）目的：以第一定律为基础，理想气体为工质，

分析可逆的基本热力过程中能量转换、传递

关系，揭示过程中工质状态参数的变化规律

及热量和功量的计算2）方法和手段求出过程方程及计算各过程初终态参数。根据第一定律及理想气体性质计算过程中功和热。画出过程的p-v图及T-s图，帮助直观分析过程中

参数间关系及能量关系。可用的公式二、研究热力过程的目的、方法85

86

§4–4多变过程一、过程方程二、在p-v图及T-s图上表示n

n

87

三、Δu、Δh和Δs

88

四、w，wt和q89

q=五、比热容90

六、多变指数91

七、多变过程的能量关系w/q：膨胀，吸热，压缩,放热膨胀，放热，压缩,吸热92

水蒸汽

水蒸气沸腾：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(Saturated

state)

当汽化速度=液化速度时，系统

处于动态平衡，宏观上气、液两相

保持一定的相对数量—饱和状态。饱和状态的温度—饱和温度，ts(Ts)

饱和状态的压力—饱和压力，ps

加热，使温度升高如t'，并保持定

值，系统建立新的动态平衡。与之

对应，p变成ps'。所以一一对应，只有一个独立变量，即几个名词：

饱和液(saturated

liquid)—处于饱和状态的液体：

t=ts

干饱和蒸汽(dry-saturated

vapor;

dry

vapor

)

—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液(unsaturated

liquid)

—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽(superheated

vapor)

—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,

t–ts=d称过热度(degree

of

superheat)。

湿饱和蒸汽(wet-saturated

vapor;

wet

vapor

)

—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：干度--drynessx01饱和液湿饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。sp-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程临界点，饱和水线和饱和汽线，过冷水、湿蒸汽、过热蒸汽三区，过冷水、饱和水、湿蒸汽、饱和蒸汽、过热蒸汽一点、两线、三区、五态

水和水蒸气状态参数零点规定：在进行水蒸汽热力过程与循环的计算时，不必求其绝对值，只需求出相对变化量。故可认为地规定任一个起点——基准点。规定：三相点液态水热力学能及熵为零可近似为零湿饱和蒸汽状态参数的确定由ts（或ps）与x共同确定：水蒸气的焓—熵（h-s）图水蒸气的基本过程基本公式过程中状态参数确定—图表或专用程序计算。功、热量的计算式：循环:主要内容气体动力循环

蒸汽动力循环

制冷循