第一章工程热力学基础

第一章工程热力学基础第1页，课件共44页，创作于2023年2月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2页，课件共44页，创作于2023年2月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3页，课件共44页，创作于2023年2月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4页，课件共44页，创作于2023年2月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5页，课件共44页，创作于2023年2月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6页，课件共44页，创作于2023年2月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7页，课件共44页，创作于2023年2月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8页，课件共44页，创作于2023年2月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9页，课件共44页，创作于2023年2月9发电热能转换过程：第10页，课件共44页，创作于2023年2月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11页，课件共44页，创作于2023年2月11制冷能量转换过程：第12页，课件共44页，创作于2023年2月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13页，课件共44页，创作于2023年2月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14页，课件共44页，创作于2023年2月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15页，课件共44页，创作于2023年2月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16页，课件共44页，创作于2023年2月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17页，课件共44页，创作于2023年2月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18页，课件共44页，创作于2023年2月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19页，课件共44页，创作于2023年2月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20页，课件共44页，创作于2023年2月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21页，课件共44页，创作于2023年2月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22页，课件共44页，创作于2023年2月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23页，课件共44页，创作于2023年2月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24页，课件共44页，创作于2023年2月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25页，课件共44页，创作于2023年2月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26页，课件共44页，创作于2023年2月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27页，课件共44页，创作于2023年2月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28页，课件共44页，创作于2023年2月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29页，课件共44页，创作于2023年2月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30页，课件共44页，创作于2023年2月30三、喷管四、绝热节流有：特点：特点：有：第31页，课件共44页，创作于2023年2月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32页，课件共44页，创作于2023年2月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33页，课件共44页，创作于2023年2月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34页，课件共44页，创作于2023年2月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35页，课件共44页，创作于2023年2月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36页，课件共44页，创作于2023年2月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37页，课件共44页，创作于2023年2月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38页，课件共44页，创作于2023年2月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39页，课件共44页，创作于2023年2月