第一章工程热力学基础

第一章工程热力学基础第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四1一

热力系统—---人为划分出的，含有一定物质的特定区域。

外界与边界

1.1基本概念第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2闭口系统：与外界无质量交换（控制质量）。开口系统：与外界有质量交换（控制容积）。绝热系统：与外界无热量交换。孤立系统：与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。热力系统分类二工质的热力状态及基本状态参数1.状态(热力状态)—热力学系统所处的宏观状况。

平衡状态—无外界影响下，热力系不随时间变化的状态。第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3特性：状态参数的变化仅取决于状态的起、终点，而与中间经历的途径无关。

2状态参数—描述系统热力学状态的宏观物理量状态参数分：

基本状态参数---p、v、T

导出状态参数--u、h、s等第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四4基本状态参数温标---温度的数量表示热力学温标T，开尔文(K)基准点：273.16K--水的汽、液、固三相平衡共存点(三相点)。摄氏温标t，摄氏度(℃)。

两者关系：t℃＝T－273.15K;0℃=273.15K。两种温标的间隔相同1）温度---确定系统热平衡的状态函数。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四52）比体积v---单位质量工质占有的体积，m3／kg

3）压力p---

单位面积上承受的垂直作用力，帕(斯卡)(Pa)*绝对压力与相对压力绝对压力：气体的真实压力相对压力：压力计显示的压力（表压力pg、真空度H）相对压力=绝对压力与外界大气压力B的差值。当p>B时，p=B+pg

当p<B时，p=B-H

第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四62)可逆过程--系统进行一个热力过程后，逆向沿原路径回复到初态，而不引起任何变化的热力过程。条件：内部可逆＋外部可逆---无耗散的准静态过程

准静态过程注：准静态过程与可逆过程区别：---有无耗散损失。可逆必准静态，但准静态不一定可逆。无耗散

三、热力过程—热力学状态连续变化的历程。

1）准静态过程--一系列连续的平衡态组成的过程。第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四7四、热力循环

热力循环（循环）—由初始状态经过一系列中间状态回到初始状态的封闭热力过程。热力循环的目的----实现预期连续的能量转换。循环分类：按性质分可逆循环(全部由可逆过程组成的循环)不可逆循环(含有不可逆过程的循环)。按目的分正向循环(即动力循环--发电)逆向循环(即制冷循环或热泵循环)。第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四8电厂鸟览图

电厂-----工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能（电能）的任务第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四9发电热能转换过程：第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四10

制冷

-----工质（制冷剂）周而复始地循环，进而实现将冷量取出的任务。第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四11制冷能量转换过程：第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四12制冷系数供热系数*逆循环与性能系数逆循环---消耗机械能，把热量从低温传向高温*正循环与热效率正循环---热能转换为机械能热效率第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四131.2工质及气体状态方程式一、理想气体和实际气体

理想气体—相互之间没有作用力的质点组成。

在定温度下，pV=常数，与压力无关;实际气体---真实气体，离液态较近，分子间作用力及分子本身体积不可忽略。

在定温下，pV≠常数，而随压力变化。第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四14二、理想气体状态方程式

理想气体状态方程式：1kg理想气体pv＝RT

mkg理想气体

pV＝mRT

1kmol理想气体pMv＝R0T

M—摩尔质量

,Mv

–摩尔容积(m3/kmol)

R—气体常数,J/(kg·K)

R0＝RM—摩尔气体常数，

R0＝8.314J/(mol·K)状态方程式---三个基本状态参数（p、v、T）之间的函数关系：

T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四15

三、理想气体状态方程式的应用一、定容过程

v＝常量过程中状态参数之间的关系：三、定温过程过程方程及状态参数之间的关系：

二、定压过程

p=常量过程中状态参数之间的关系：第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四16四、范德瓦尔(VanderWaals)方程------简单的实际气体状态方程

a---气体分子间作用力强弱的修正常数

b---气体分子体积影响的修正常数第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四17

五、理想气体的比热及热量计算比热分类：一、根据采用的物质量单位分：质量比热C

J／(kg·K)

摩尔比热Cm

J／(mol·K)容积比热C’

J／(m3·K)

二、根据经历的过程分：

定压比热Cp；定容比热Cv

定熵比热,定温比热及多变比热比热---单位质量的物体温度升高1K(或1℃)所需的热量。三者关系：

第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四18

理想气体定容比热与定压比热之间的关系：

-------迈耶公式比热比单原子气体к=1.67双原子气体к=1.4多原子气体к=1.3比热的计算处理方法：(1)真实比热容；(2)平均比热容；(3)定值比热容。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四191.3稳定流动的能量方程式一、功、热量及系统储存能1功(w)

--热力过程中，使物体改变宏观运动状态传递的能量。功是过程量；功是传递的能量。过程参数的特性：----过程量的变化，不仅决定于初、终状态，还与中间途径有关。第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四20容积功--直接由系统容积变化与外界发生作用传递的功（膨胀功或压缩功）。容积功的计算：可逆过程符号：系统对外作功为正；外界对系统作功为负。

第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四212、热量由于温度不同，系统与外界间越过边界而传递的能量。热量也是过程量.

热量的计算可逆过程：S

：熵，单位：J/kg符号：系统吸热时热量为正;

系统放热时热量为负。

第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四22热量与功量的类比单位质量气体：p-v压容图上包围的面积---功系统对外作功：T-s温熵图上包围的面积---热量系统吸收热量：单位质量气体：第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四23

内能U：系统内部各种形式能量的总和。内能是个状态参数。3系统的储存能E：宏观动能宏观位能

比内能u/(J/kg)：计算：焓：理想气体焓也仅是温度的函数。计算：理想气体内能仅是温度的函数—u=f(T)

。

第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四24二、热力学第一定律

----闭口系的表达式热力学第一定律---热能与其他形式能量转换时，总能不变。对任何系统，能量平衡关系：进入系统的能量一离开系统的能量=系统储存能的变化第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四25符号：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。

热力学第一定律的一主要形式可逆过程理想气体可逆过程第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四261稳定流动能量交换的情况：（1）加入系统的热量：（2）系统对外所作的轴功：（3）推动工质流入、流出系统所消耗的功量—流动功.swf稳定流动开口系统对外界输出的净推动功：=（4）过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为：三、热力学第一定律

----在开口系的表达式第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四27（5）技术功wt—工程上可以直接利用的机械能忽略宏观动能和位能的变化，有：可逆过程的技术功:第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四282.稳定流动能量方程由，有：热力学第一定律的另一主要形式。可逆过程理想气体可逆过程第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四29四、稳定流动能量方程应用一、加热器或冷却器二、涡轮机或压气机特点：特点：有：有：第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四30三、喷管四、绝热节流有：特点：特点：有：第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四31第四节水蒸气一、液汽转化和饱和状态1凝结与汽化：气相液相汽化：蒸发—液体表面进行的汽化过程

沸腾---液体内部进行的剧烈汽化过程2饱和状态—饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的动态平衡状态。饱和状态分别有饱和水，湿蒸汽，干饱和蒸汽。饱和压力越高，饱和温度也越高。一一对应。p＝0.0108kPa，ts＝0℃；

p＝101.325kPa，ts＝100℃

第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四32二、水蒸气的产生过程0.01℃tststst>ts

产生过程的三个阶段：

①水的预热过程未饱和水(0.01℃)→饱和水(ts)；

②水的汽化过程饱和水(ts)→干饱和水蒸气(ts)；

③水蒸气的过热过程饱和水蒸气（ts）→过热水蒸气(t)汽化潜热r--饱和水汽化为干饱和水蒸气所需的热量。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四33

湿饱和蒸汽的状态参数:---利用湿蒸汽干度x，饱和水及干饱和蒸汽的状态参数干度x—湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即

饱和液体线为x=o的定干度线，饱和蒸汽线为x=1的定干度线。第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四34三、水蒸气的p-v图和T-s图水蒸气的相变图线可以总结为：一点(临界点)、二线(上界线、下界线)三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态)水蒸气.swf

第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四35结构：临界点C六类等值线定焓线定熵线定压线定温线定容线定干度线四、水蒸气的h-s图第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四36二、饱和湿空气未饱和湿空气—过热水蒸气＋干空气，如点A。饱和湿空气—饱和水蒸气＋干空气，如点B。露点温度（露点）—pv对应的饱和温度。

第五节湿空气一、湿空气的一般概念*湿空气---干空气和水蒸气组成的混合气体。*湿空气可以作为理想气体混合物看待。*湿空气的总压力p=pa+pv*在采暖与空调等工程中的湿空气是环境大气，B=pa+pv。

第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四372相对湿度--湿空气中水蒸气的分压力pv与同温度下饱和湿空气中水蒸气分压力ps的比值:*Φ的测量：干湿球温度计*Φ说明了吸收水蒸气的能力。Φ值愈大，湿空气愈潮湿，吸收水蒸气的能力愈弱;

Φ

↓→湿空气干燥，吸收水蒸气的能力↑*Φ为0时，即为干空气；Φ为100%，即为饱和湿空气；

Φ介于0—1之间的湿空气是未饱和湿空气。三、绝对湿度、相对湿度、含湿量和焓1绝对湿度—每立方米湿空气中含有的水蒸气的质量。第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四383含湿量d—单位质量干空气的湿空气含有的水蒸气的质量

4湿空气的焓---1kg干空气的焓与dkg水蒸气的焓之和.5干球温度与湿球温度湿球温度的形成过程--近似定焓过程。干球温度、湿球温度与露点三者的关系：未饱和湿空气：干球温度>湿球温度>露点温度饱和湿空气：干球温度=湿球温度=露点温度第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四39