工程热力学幻灯片(3、4、5章上)

第三章

热力学第一定律1第一节热力学第一定律的实质本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用

能量既不可能创造，也不可能消灭，只能从一种形式转换成另一种形式。在转换中，能的总量不变。

第一类永动机是不可能制成的。它是一种不供给能量而能永远对外作功的机器。基本能量方程式：进入系统的能量-离开系统的能量

=系统储存能的变化量2分子动能（直线移动、转动、振动）（温度的函数）分子位能（内位能）（比容的函数）核能化学能内能

内能是状态量。理气的内能是温度的单值函数

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：第二节

系统储存能一、内能：储存于系统内部的能量3二、外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能（需借助系统外的参考坐标）三、系统总储存能系统总能=内部储存能+外部储存能E=U+Ek

+Ep=U+

mc2/2+mgze

=

u

+ek

+

ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,due=u+ek

+ep=u+c2/2+gz4第三节系统与外界传递的能量一、热量二、功量1、膨胀功2、轴功：系统通过机器轴与外界传递的功三、随物质流传递的能量1、流动工质本身的能量当

min进入系统时，带入了它本身的储存能：(u+c2/2+gz)in

min5pfpVds

W推

=

P

f

ds=

PdV

dV为

m所占的容积

dV=v

m

则1Kg工质：

w推=

pv注意：不是

pdv

v

没有变化推进功的表达式：流动净功：w=p2v2-p1v16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（如动能、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7四、焓及其物理意义1、定义：焓

h=u+pv[kJ/kg]

H=U+pV

[kJ]

焓是状态参数2、物理意义：1Kg工质进入系统所带入的能量有：（u+c2/2+gz）+pv而其中仅（u+pv

）取决于工质的热力状态。如果动位能可以忽略不计，则焓就是总能量83、理想气体的焓h=u+pv=u+RT理气的焓也是温度的单值函数焓（Enthalpy)

的说明1、焓是状态量2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、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。9第四节闭口系统能量方程式一、闭口系统能量方程式1、闭口系统能量方程式的推导

QWQ-W=E

E=

UQ=U+W

Q=dU

+W单位工质

q=du+w

q=u+w闭口系热一律表达式10说明：1）适用条件：任何工质任何过程2)代数式：吸热为正；作功为正3）加给系统的热量，一部分增加系统的内能，一部分作功4）对于可逆过程：

q=du+pdv

q=u+

pdvQ=dU+

pdV

Q=U+

pdV11二、循环过程1、正向循环TS1212正向循环的总效果：伴随着由热源吸取的热量中一部分转化为功的同时，另一部分热量放向冷源2、逆向循环：13三、理想气体1、理想气体的内能变化量等温线又是等内能线、等焓线V12pT1T22’2’’14理气的定容比热是温度的单值函数定比热2、理想气体闭口系统能量方程式

q=cvdT+pdv

q=cv（T2-T1）+

pdvQ=m

cvdT+pdV

Q=mcv（T2-T1）+

pdV3、混合气体的内能：等于各组成气体内能之和1516闭口系能量方程中的功功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量

q=du

+

w容积变化功、

拉伸功、

表面张力功

闭口系能量方程的通式若在地球上研究飞行器

q=de+w=du+dek

+dep+w

17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=

Tds

q

=

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18第五节

开口系统能量方程

Ws

Q

min

moutuinuoutgzingzout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一、开口系能量方程的推导19

Q

+

(u+c2/2+gz+pv)in

min-

(u+c2/2+gz+pv)out

mout

-

Ws=dEcv进入系统的能量：

Q

+

(u+c2/2+

gz+pv)in

min离开系统的能量：

Ws+(u+c2/2+

gz+pv)out

mout

Q=

dEcv

+

(u+

pv+c2/2+

gz)out

mout

-

(u+pv+c2/2+

gz)in

min

+

Ws

20工程上常用流率：当有多条进出口：流动时，总一起存在21hh22第六节开口系统稳态稳流能量方程

Ws

Q

min

moutuinuoutgzingzout稳态稳流条件：1、2、3、每截面状态不变4、23一、稳定流动能量方程的推导稳定流动条件024稳定流动能量方程的推导1kg工质任何流动工质、稳定流动过程25二、技术功技术功wt1、技术功2、用技术功表示的能量方程3、方程也可以写成q=u+w的形式q-u=wq-u=（p2v2-p1v1）+c2/2+gz+ws

q=h+wt

q=dh+wt26

如果把w理解为对外输出的功时，方程式仅适用于闭系；如果把w理解为工质膨胀所作的膨胀功时，方程式既适用于闭系又适用于开系。两个方程是等价的。w=（p2v2-p1v1）+c2/2+gz+

ws技术功wt4、技术功的定义式Wt=w+p1v1

-p2v2

Wt=

w-d(

pv)

275、对于可逆过程6、技术功在示功图上的表示：28wwt△(pv)ws做功的根源c2/2g△z容积变化功w技术功wt轴功ws推进功

(pv)7、几种功的关系？298、小结：（技术功是过程量）

q=h+c2/2+gz+wsq=h+wtq=dh+wtq=h-∫vdp准静态热一律解析式之一热一律解析式之二30三、理想气体1、理想气体焓的变化量理气的定压比热是温度的单值函数定比热2、理想气体开口系统稳流能量方程式31

q=cpdT-vdp

q=cp（T2-T1）-

vdpQ=mcpdT-Vdp

Q=mcp（T2-T1）-

Vdp3、混合气体的焓：等于各组成气体焓之和32第七节稳定流动能量方程的应用热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg33锅炉汽轮机给水泵过热器压气机燃气轮机燃烧室空气废气34火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机一、动力机：

q=h+c2/2+gz+

ws000ws

=-h=h1-h235二、压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机1、q

02、动、位能变化量

0ws=-△h

=h1-h2<0wc=-ws=h2-h1同前：输入的轴功转变为焓升36三、换热设备热流体放热量：没有作功部件：热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变锅炉、凝汽器蒸发器、冷凝器37绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件：绝热：四、绝热节流管道阀门膨胀阀、毛细管38喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略五、喷管和扩压管蒸汽轮机静叶压气机静叶39六、涡轮机1)g△z02）流动前后不发生热力状态的变化△h=0

3）流动很快q

0ws

=-

c2/2=c21/2-c22/2是单纯的机械能转变过程40第八节开口系统一般能量方程式的应用（充放气过程）充放气过程是典型的不稳定流动过程两点假定：（均匀状态定态）1、在每一瞬时各处的参数是均匀一致的2、气体在入口处的状态是稳定的充气过程：例：储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变经

时间充气，关阀储气罐中气体mh1、p1、T141m0,u0h、p、T

忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热求：储气罐中气体内能u’取系统：1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统42解：1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化绝热无作功部件无离开气体h、p、T内能的增量充入的能量43经

时间充气，积分：h是常数若充气前储气罐内是真空：u’=h若充气后压力与总管压力相同，求终温：cvT’=h=u+RT=cvT+RT=cpTT’=cpT/cv=κT442）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m0453）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1m-m0对m0作功W1??m-m0464）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1’m0得m-m0作功W1’??4748四种可取系统1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系√√49利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化h内能变化：取储气罐为系统(开口系)进：出：m0,u050充气终温的计算已知：理想气体求：储气罐中气体终温m0=0h两种算法t=15℃℃K?51充气终温的计算关键看u与h的零点是否相同m0=0ht=15℃℃K理想气体52第三章小结1、本质：能量守恒与转换定律进-出

=

储存能的增量2、闭口系统热一律表达式：

q=du+w

q=u+w3、开口系统热一律表达式53准静态下两个热力学微分关系式

适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式544、u与h

U

系统本身具有的内部能量H

不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量

q=cvdT+pdv

q=cv（T2-T1）+

pdv

q=cpdT-vdp

q=cp（T2-T1）-

vdp55第三章讨论课思考题

工质膨胀是否一定对外作功？向真空膨胀，自由膨胀定容过程是否一定不作功？开口系，技术功定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）水轮机56门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱57门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T空调Q58习题课工程热力学解题的一般方法：1、仔细审题：掌握已知条件，弄清题意，列出物理模型，绘出流程图。2、选择热力系统：画出边界。注意区分闭口系统、开口系统或孤立系统。弄清系统通过边界和外界相互作用的内容。3、区分工质：明确所研究的工质是理想气体（空气、氧气）、理想气体混合物、实际气体（水蒸汽）等。选择不同的常数值。594、画热力学图：画过程线，明确过程特征，确定参数关系或过程方程。5、能量守恒：选择能量方程6、质量守恒：经常用到的假设和规律：1、向真空自由膨胀的膨胀功为零。2、流动较快的过程，可按绝热过程处理。3、过程进行得很缓慢时，可以认为系统与外界随时处于热平衡。4、动、位能的变化通常可以忽略不计。605、除非管路中有阀门一类的节流元件，工质可按定压流动处理。6、绝热容器的放气过程中，残留在容器内的理想气体可以按可逆绝热膨胀过程处理。7、缓慢的漏气过程中，可以认为容器内的气体随时与外界处于热平衡（容器不绝热）。8、势差较大或进行得十分剧烈的过程，一般不能认为是准静态过程。61例1：绝热刚性容器贮有理想气体（κ=1.3),其压力为20巴,温度为115℃。容器向气缸充气，原来活塞停在气缸的底部，阀门与活塞间的容积可忽略不计。阀门缓慢打开，气体流入气缸，直到阀门两侧的压力相等为止。

状态1状态2P1P2P2’m1m2m1-m2B62若此时测得的容器内气体的温度为19℃，求此时气缸内气体的温度是多少？设气体对容器、气缸、活塞等均没有热量的传递。活塞的质量为0.6Kg,截面积为9.8cm2,气缸外的大气压力为1巴。已知：理想气体，

κ=1.3，P1=2×106PaT1=388K,G=0.6×9.8=5.886NA=9.8×10-4m2,B=105Pa,T2=292KP2=P2’=B+G/A=1.06×105Pa求：T2’=?解：63(解1)以容器内原有气体(m1)为系统闭口系Q=0则气体对活塞作功W=-

U=U1-U2WQ=U+W6465(解2)以容器内残留的气体(m2)为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’m2m2Q=U+WQ=066还必须再选放逸气体(m1-m2)为系统闭口系功量：W+W’WW’Q=U+WQ=0m1-m267(解3)以容器为系统开口系功量：W’W’68还必须再选气缸为系统开口系功量：W+W’’W’’W69例2：气缸中充有空气，气缸的截面积为100cm2，活塞距底面高度L=10cm，活塞及其上负载的总质量是195Kg，当地的大气压B=1.028×105Pa，环境温度为27℃，气缸内的气体恰与外界处于热平衡。如果把活塞上的负载取走100Kg，活塞将突然上升，最后重新达到热力平衡。设活塞和气缸壁之间无摩擦，气体可通过气缸壁和外界换热，求活塞上升的距离和气体的换热量。70p，TLX已知:A=10-2m2L=0.1mG1=195KgG2=95KgB=1.028×105PaT0=300K

求:（1）X=?（2）Q=?解:（1）作用在气体上的力为:71则：

U=0Q=W（2）求Q：选气缸内的气体为系统，是闭口系统，则：Q=U+W理气、温度和环境温度相同：T1=T2=T072例3：某燃气轮机装置。已知压气机进口处空气的比焓h1=290KJ/Kg，经压缩后，空气升温使比焓增为h2=580KJ/Kg。在截面2处，空气和燃料的混合物以c2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热压气机燃气轮机燃烧室空气1233’4量q=670KJ/Kg。73燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3’，h3’=800KJ/Kg，流速增加到c3’

，此燃气进入动叶片，推动转动轮回转作功。若燃气在动叶片中热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度c4=100m/s。求：（1）若空气流量为100Kg/s，压气机消耗的功率为多少

Kw？（2）若燃料的发热值Q=43960KJ/Kg，燃料的耗量为多少？（3）燃气在喷管出口处的流速c3’是多少？（4）燃气轮机的功率为多少？（5）燃气轮机装置的总功率为多少？74其它功例1HeQl真空已知：缓慢加热He气p1=1.013bar,p2=3.039bar活塞面积A=0.1m2,无摩擦弹簧刚度k=105N/m求：He作功量W物理学过：弹簧变形与力的关系弹簧功75解1：由弹簧功求He作功量HeQl真空76解2：由He参数求作功量HeQl真空缓慢加热：准静态关键求p与V的关系77其它功例2pb已知：马达搅拌10分钟转速n=600[转/分钟]

活塞移动0.2m，面积0.125m2,无摩擦工质作净功-2058J

pb=105bar求：马达输入的轴功及其扭矩78旋转轴功的计算pbId

物理学过：旋转轴功I

施加的扭矩[N.m]

旋转的角度[弧度]机械工程，习惯用功率角速度转速[转/分钟]79旋转轴功的求解pb已知：马达搅拌10分钟转速n=600[转/分钟]

活塞移动0.2m，面积0.125m2,无摩擦工质作净功-2058J，

pb=105bar求：马达输入的轴功及其扭矩解：以工质为系统80扭矩的求解pb已知：马达搅拌10分钟转速n=600[转/分钟]求：马达输入的轴功及其扭矩解：以工质为系统功率扭矩81第三章完82第四章理想气体的热力过程及气体压缩83第一节分析热力过程的目的及一般方法一、目的和方法1、目的：2、方法：1）求出过程方程式

2）求初、终状态参数

3）计算内能、焓、熵的变化量及过程功和过程热

4）作T-s

与p-v图，分析能量转换关系3、简化假定：1）理想气体

2）可逆过程提高热力学过程的热功转换效率84

3）比热为定值

4）某一参数近似不变二、热力过程中工质参数变化量的计算1、过程方程式：分析过程2、初、终状态基本参数的计算：利用状态方程式3、内能、焓、熵变化量及过程功和热计算：1）2）85熵的定义:

可逆过程

理想气体3）理想气体熵变化量：pv

=RT86若定比热可规定气体在标准状态下熵值为零872)可逆过程

1)热一律稳流4)热力过程中传递能量的计算：88第二节气体的基本热力过程一、定压过程

1、过程方程式2、初、终状态参数3、各种能量：特点：894、定压过程p-v,T-s图sTvppp

q=△h+wt=cp(T2-T1)90二、定容过程

1、过程方程式2、初、终状态参数3、各种能量：特点：wt=-

vdp=v(p1

-p2)=R(T1-T2)914、定容过程的p-v,T-s图sTvpppvv

q=△u+w=cv(T2-T1)92三、定温过程

1、过程方程式2、初、终状态参数3、各种能量：特点：934、p-v和T-s图sTvpppvvTTq=△u+w=w=T△s94四、理想气体的定熵过程绝热可逆s说明:

不能说绝热过程就是等熵过程,

必须是可逆绝热过程才是等熵过程。1、理想气体定熵过程的过程方程s95三个条件:

(1)理想气体

(2)绝热可逆过程

(3)

k为常数当理想气体由绝热可逆过程的特点：96理想气体s

的过程方程2、初、终状态参数3、各种能量：特点：97

膨胀功w技术功wt理气、绝热、可逆、比热为定值98斜率=？4、定熵过程的p-v

图和

T-s

图定熵线要陡一些99第三节多变过程

1、过程方程式n——多变指数每一过程有一n值(1)当n=0

(2)当n=1(3)当n=k

(4)当n=

基本过程是多变过程的特例pTsv1002、初、终状态参数3、各种能量：101多变过程比热容参见书上表4-1

公式汇总1024、多变过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTss103理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTss104在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT

u>0

u>0

h>0

h>0huh105w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0106

wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>0107

q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0q>0q>0wt>0wt>0108sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0q>0q>0wt>0wt>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势u↑,h↑(T↑)

w↑(v↑)

wt↑(p↓)

q↑(s↑)109p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？110p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？111p-v,T-s图练习（3）sTvp膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？112第四节活塞式压气机的压缩过程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、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不连续流动113指什么功目的：研究耗功，越少越好一、单级活塞式压气机的工作原理技术功wtfg理论压气功(可逆过程)压气机的理想工作过程：f-1过程：单纯的吸气过程1-2过程：压缩过程2-g过程：单纯的放气过程114

可能的压气过程(3)、实际压气过程是

n(1)、特别快，来不及换热。s(2)、特别慢，热全散走。T115

三种压气过程的参数关系116

二、单级压气机理论压气轴功的计算最小重要启示117三、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118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1191、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43564120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,但气缸要大些1212、余隙容积VC对产气量的影响定义容积效率令余隙比工程上一般＝0.03~0.08122余隙容积VC对产气量的影响讨论：（1）一定，c

（2）c

和n一定，极限单级增压比不超过8-9123第五节、多级压缩中间冷却

省功124两级压缩中间冷却分析有一个最有利的中间压力省功125最佳增压比的推导

省功126最佳增压比的推导

省功欲求w分级最小值，127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128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T129第四章小结1、理想气体各种可逆过程的特性，

参数变化，功，热的计算。2、p-v图，T-s图上的表示3、压气机热力过程130第四章讨论习题课1、任何定温过程都有

u=0,h=0?温度一定变?2、绝热过程，温度都不变?3、从同一初态，分别经过程，到达同一终态是否可能Tsn=1.2?nsT4、一封闭系经某可逆吸热对外作功，问能否用一可逆绝热过程使系统回到初态?理气?131教材思考题10s在u-