工程热力学-华东理工

工程热力学鲁锡兰华东理工大学资源与环境工程学院第一章

基本概念1.系统、边界与外界2.闭口系统与开口系统3.绝热系统与孤立系统4.系统的内部状况①均匀系与非均匀系②单相系与复杂相系③单元系与多元系第一节

热力系统1.状态与状态参数2.基本状态参数

①温度②压力③比容与密度3.强度性参数与广延性参数第二节

工质的热力状况及其基本状况参数1.平衡状态2.状态公理

▲▲确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+13.状态方程

F(v,T,P)=0第三节平衡状态、状态公理及状态方程1.准静态过程2.可逆过程3.可逆过程的膨胀功(容积功)4.可逆过程的热量第四节

准静态过程与可逆过程第五节热力循环1.正循环2.逆循环第二章气体的性质1.理想气体与实际气体2.理想气体状态方程

Pv=RTPV=mRT3.气体常数与通用气体常数

R=R0/M第一节理想气体状态方程第二节实际气体状态方程式1.范德瓦尔方程2.R-k方程3.实际气体的通用状态方程第三节理想气体的比热①定义:②分类:A.按物理量单位分为:a.质量比热,符号c,(kJ/kg.K)b.容积比热,符号c’,(kJ/m3.K)c.摩尔比热,符号Mc,(kJ/kmot.K)

三者关系:c’=Mc/22.4=cρ0B.按过程分类:cP和cV1.比热的定义和分类2.cP和cV与梅耶公式的关系对于理想气体,cP=f(T),cV=f(T)3.定值比热、真实比热与平均比热第四节混合气体的性质1.混合气体的分压和分容定律2.混合气体的成分表示方法及换算3.混合气体的折合分子量与气体常数4.混合气体的比热第三章热力学第一定律本章要点:

能量守恒,能量是可以转换的.

能量守恒定律:系统收入能量

-支出能量=系统储存能增量第一节系统储存能1.内能：

在热力学中只考虑内动能和内位能,不考虑化学反应、核裂变理想气体：u=f(T)2.外储存能：①宏观动能：Ek=1/2mc2②重力位能：Ep=mgz3.系统的总储存能

E=U+Ek+Ep系统储存能:内储存能、外储存能第二节系统与外界传递的能量1.热量2.功量

①膨胀功(W)；②轴功(Ws)3.随物质流传递的能量①流动工质本身具有的储存能(E)②流动功(也称推动功)，符号为Wf第三节闭口系统能量方程1.闭口系统能量方程表达式2.热力学第一定律在循环过程中的应用不消耗能量而连续作功的所谓第一类永动机是不可能实现的。3.理想气体内能变化计算例1.1kg空气从0.1MPa,100℃变化到0.5MPa、

1000℃，求△u和△h(设为理想气体)①用定比热②用平均比热例2.一闭口系统经历了一个由四个过程组成的循环，试填充表中所缺数据，并判断是正循环？逆循环？过程Q(kJ)W(kJ)△E(kJ)1-211000?2-30100?3-4-9500?4-10??例3.有一绝热刚性容器，有隔板将它分成A、B两部分，开始时，A中盛有TA=300K，PA=0.1MPa,VA=0.5m3的空气；B中盛有

TB=350K，PB=0.5MPa,VB=0.2m3

的空气。求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。第四节开口系统能量方程1.稳定的开口系统(举例)2.不稳定的开口系统(举例)3.开系能量方程式的推导4.开系能量方程式例1.有一橡皮袋P1=0.8MPa,t1=27℃空气，V1=8m3,

由于洩漏，球内气体压力降到P2=0.75MPa,温度不变，称重后少了10kg，求Q。解：怎样取系统？第五节开口系统稳态稳流能量方程1.稳态稳流能量方程表达式①②能量方程：或对于单位工质：2.技术功引入技术功后，能量方程表达式可写成：可逆过程：例2.空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数是P1=100kPa,v1=0.845m3/kg,压缩后的参数P2=800kPa,v2=0.175m3/kg。设在压缩过程中每kg空气的内能增加

150kJ,同时向外界放出热量50kJ，压气机每min生产压缩空气10kg。试求：

(1)压缩过程中对每kg气体所作的压缩功；

(2)每生产1kg压缩空气所需的轴功；

(3)带动此压气机要用多大功率的电动机？第六节稳定稳流能量方程的应用1.动力机得：2.压气机得：3.热交换器得：4.喷管得：例1.供暖用风机连同加热器,把温度为t1=0℃

的冷空气加热到温度为t3=250℃,然后送入建筑物的风道内,送风量为0.56kg/s,

风机轴上的输入功率为1kW,设整个装置与外界绝热.试计算:(1)风机出口处空气温度t2;(2)空气在加热器中的吸热量;(3)若加热器中有阻力,空气通过它时产生不可逆的摩擦扰动并带来压力降落,以上计算结果是否正确?第四章理想气体的热力

过程及气体压缩本章要点:①研究对象为理想气体的等容、等压、等温、等熵及多变过程②基础：理想气体状态方程，能量守恒定律③掌握各热力过程的过程方程、状态参数变化值的计算、功量和热量的计算、在P-v和T-S图上直观表示各热力过程④掌握压气机的工作原理和理论压缩轴功的计算第一节理想气体的热力过程1.Pvn=const(多方过程或多变过程)普遍式

n=0为等压过程

n=1为等温过程

n=k为等熵过程

n=±∞为等容过程

n=n为多变过程2.重点讨论内容：各热力过程的过程特征、过程方程、P-V图、T-S图、△u、△h、△S、W、Wt、q的计算3.关于多变过程①多变指数n如何求取？②多变过程热量qn计算4.在P-v图或T-S图上确定过程量的变化。①在P-v图上可直观看出P、v的变化，而在T-S图上如何判断？②在T-S图上可直观看出T、S的变化，能直观判断过程是放热或吸热，而在P-v图上将如何判断？例1如图所示：求△uab、△uac哪个大？例2.将P-v图表示的循环，表示在T-S

图上，图中2-3，5-1为定容过程；

1-2，4-5为定熵过程，3-4为定压过程(作定性分析)。例3.封闭气缸中P1=8MPa,t1=1300℃,可逆多变膨胀过程P2=0.4MPa,t2=400℃,R=0.287kJ/kg.K,

比热cV=0.716kJ/kg.K，求q例4.(综合题)

有1kg空气，初始状态为P1=0.5MPa,t1=150℃,进行下列过程:(1)可逆绝热膨胀到P2=0.1MPa;(2)不可逆绝热膨胀到P2=0.1MPa,T2=300K;(3)可逆等温膨胀到P2=0.1MPa;(4)可逆多变膨胀到P2=0.1MPa，多变指数n=2;

试求出上述各过程中的膨胀功及熵的变化，并将各过程的相对位置画在同一P-v图和T-S图上。第二节压气机的热力过程★压气机的应用举例★压气机的分类①按工作原理分成两大类：

a.活塞式

b.叶轮式②按气体压头分：

通风机(<115kPa)

鼓风机(115-350kPa)

压气机(>350kPa)1.单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量计算①单级活塞式压气机，其工作原理分为三个阶段：吸气过程压缩过程排气过程②理论压气过程的条件(假设)a.不存在余隙；

b.压缩过程是可逆的；

c.气体流过进、排气阀时没有阻力损失③理论压气轴功的计算(板书)2.余隙容积①为何存在余隙

a.进、排气阀安装；

b.公差配合需要；

c.热胀冷缩的需要；②余隙对生产量的影响

a.余隙的百分比

b.容积效率③讨论影响容积效率的影响因素3.余隙对理论压气轴功的影响(讨论)4.多级压缩及中间冷却5.级间压力的确定例1.空气，三级压缩，从0.1MPa,20℃

压缩到12.5MPa,假定进入每级气缸时空气温度相等，各级多变指数n=1.3，m=120kg/h。求：①β1，β2，β3

②各级排气温度及压气机最小功率

③假如单级压缩，则出口气体温度及功率第五章热力学第二定律本章要点：

1.过程进行的方向和条件

2.第二定律的表述方法

3.熵方程(第二定律数学表达式)4.和的概念第一节热力学第二定律1.自发过程不可逆(举例)①热量从高温低温②摩擦发热，机械能热能③自由膨胀④电热2.第二定律的表述方法①克劳修斯说法(从热量传递方向性)

不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。②开尔文—普朗克表述(从热能和机械能转换)

不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机(第二类永动机)第二节卡诺循环和卡诺定理1.卡诺循环

P-v图;T-S图;卡诺循环的热效率分析2.逆卡诺循环

P-V图;T-s图;制冷系数分析;供热系数分析制冷系数：供热系数：3.卡诺定理解决两个问题：

a.可逆与不可逆循环

b.卡诺循环的经济性指标与工质无关

(1)所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高；

(2)在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，起热效率均相等。例：某项专利申请书上提出一种热机，它从167℃的热源吸热向7℃的冷源排热。热机每接受1000kJ热量，能发出

0.12kW.h-1的电力，请问制定专利局是否应接受申请。第三节熵和第二定律数学表达式1.克劳修斯积分式根据卡诺定理的推论，所有热机循环应服从下列关系。如取：吸热q1为正，放热q2为负则：对于多热源：2.熵是状态参数据上述，对任意可逆循环1-A-2-B-1状态参数：

如果1-A-2-B-1为不可逆循环，其中1-A-2为不可逆，2-B-1为可逆过程，则克劳修斯积分式综合得：例：某循环在700K的热源和400K冷源工作，已知：求：①判断循环正、逆向？②可逆、不可逆？3.不可逆过程中熵的变化①熵流Sf的意义、分析讨论②熵产Sg的意义、分析讨论③不可逆过程中熵的变化与Sf和Sg的关系4.熵方程①熵方程的推导②闭系的熵方程③闭系绝热的熵方程④孤立系的熵方程⑤稳流开口系熵方程例1.导热良好的气缸内有0.05kg空气，

P1=0.5MPa,t1=27℃,①可逆等温膨胀到P2=0.1MPa,②不可逆等温膨胀到P2=0.1MPa,不可逆过程中作的功是可逆过程中作功的80%，分别求△S、Sf、Sg(T0=300K)。例2.判断下列情况的熵变①闭口系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△S=?②稳流开系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△Scv=?③稳流开系,Q=-15kJ,W=-15kJ(可逆,不可逆)△S12=?a.+;b.-;c.±;d.无法判断5.系统熵变化的计算小结①气体②固体及液体③热源及冷源④工质循环后熵不变第四节孤立系统熵增原理1.孤立系统熵增原理孤立系统:

前述:

即举例说明:①传热过程(推导)②热能机械能(推导)2.孤立系统作功能力的损失该公式的推导(板书)

例1.有两个质量均为100kg,比热为1kJ/kg.K,但温度不同的物体A和B,物体A的温度TA=1000K,物体B的温度TB=500K.将物体A作为热源,物体B作为冷源,使一个可逆热机在物体A及物体B之间进行工作,直至该两个物体温度相等为止.求其最大作功能力W0,max,又如两个物体直接接触进行热交换直至热平衡为止,求其平衡温度及孤立系统熵增。例2.某热机循环工作于热源t1=500℃

及冷源t2=20℃之间，进行的是一个

a-b-c-d-a不可逆循环，入图所示。a-b为可逆等温吸热，b-c为不可逆绝热膨胀，工质熵增加0.1kJ/kg.K，c-d为可逆等温放热过程，d-a为定熵压缩过程。循环工质为1kg空气，热源放热量

q1=1000kJ/kg。求循环净功及鼓励系统作功能力损失，并是否符合公式

L=T0△Siso。图7-1凝固时体积膨胀的物质的p-t图图7-2凝固时体积缩小的物质的p-t图第六章水蒸汽图7-3水蒸汽定压发生过程示意图

图7-4水蒸气的p-v图图7-5水蒸气的T-s图图7-6水蒸气的T-s图例1.试确定:(1)P=0.8MPa,v=0.22m3/kg(2)P=0.6MPa,t=190℃(3)P=1MPa,v=179.88℃

以上三种情况下是什么样的蒸汽?例2.在容积为85L的容器中,

盛有0.1kg的水及0.7kg的干饱和蒸汽,求容器中的压力.思考题:1.150℃的液态水放在密闭容器内,试问其压力范围?2.刚性容器中湿蒸汽加热时,干度增大还是减小?思考题:3.试在P-v图和T-S图上表示出下列过程

(1)过热蒸汽在定压下冷却到刚开始形成液体;(2)x=0.6的湿饱和蒸汽在定容下加热到x=1;(3)x=0.5的湿饱和蒸汽在200℃下定温加热到体积增加4.67倍.图7-7水蒸气的h-s图水蒸汽的基本热力过程1.要点和重点:(1)能在h-s图上表示各过程

(2)确定状态参数

(3)应用第一及第二定律,确定过程热量、功量和内能等.2.基本热力过程

(1)定压过程

(2)定容过程

(3)定温过程

(4)绝热过程(可逆与不可逆)例3.将2kg水盛于容积为0.2m3的抽空了的密闭刚性容器中,然后加热到200℃,试求容器中

(1)压力;(2)焓;(3)蒸汽的质量和体积.本章要点

(分三部分):第一部分:基本概念及基本公式第二部分:湿空气的焓湿图第三部分:湿空气的过程第七章湿空气

1.湿空气的成分及压力

2.饱和空气与未饱和空气

3.湿空气的分子量及气体常数

4.绝对湿度与相对湿度第一部分:基本概念图8-1湿空气中水蒸气的p-v图(5)含湿量(6)饱和度(7)湿空气的密度(8)焓(9)湿球温度图8-3干、湿球温度计图8-2空气的绝热饱和例1.有温度t=30℃,相对湿度φ=60%的湿空气10000m3,当时的大气压力

B=0.1MPa.求露点td、绝对湿度ρv、含湿量d、湿空气的密度ρ

、干空气的密度ρa、湿空气总焓及湿空气的质量m.图8-4湿空气中的h-d图第二部分:湿空气的焓湿图(h-d图)要点:在h-d图上表示

(1)等焓线与等含湿量线

(2)等温线

(3)等相对湿度线

(4)水蒸汽分压力线

(5)热湿比图8-5h-d图四个区域的特征例2.2m3,30℃,1bar的湿空气中含有的40g的水蒸汽,

求(1)湿空气的相对湿度

(2)湿空气的密度例３．要求房间空气的状态保持为

t2=20℃，

φ2=50%.设房间内有工作人员10人在轻度劳动，每人每小时散热量为530kJ/h,散湿量为80g/h.经计算围护结构与设备进入房间的热量为4700kJ/h,散湿量为1.2kg/h.实际送入房间的空气温度t1＝12℃．试确定送风点的状态参数，求每小时送入室内的湿空气质量．当时大气压力Ｂ＝1013×102Pa第三部分:湿空气的基本热力过程

一、加热过程(等d过程)二、冷却过程(等湿或析湿冷却)三、绝热加湿过程(等h过程)四、定温加湿过程五、湿空气的混合六、冷却塔中的热湿交换过程图8-6冷却塔示意图例１．二股气流

第一股来自冷却盘管t=10℃,φ＝100％，第二股(户外)38℃，φ=30％，户外空气２0％（户外空气占冷空气２０％）,求φ３例2.t1=20,φ1=60%空气在加热器加热到t2=50，进干燥器，流出干燥器时

t3=37.7,P=0.1MPa(假定干燥器是一个等焓过程，即绝热加湿过程)，求：

①φ3=？②每蒸发１kg水分，需ma

干空气？③ma=5000kg/h时，Ｑ加热＝？第八章气体和蒸汽的流动一、绝热流动的基本方程1.稳态稳流2.连续性方程3.绝热稳定流动能量方程4.定熵过程方程式5.音速与马赫数1.稳态稳流速度场：C＝C(x,y,z,τ)

温度场：t=t(x,y,z,τ)稳态稳流C＝C(x,y,z)稳态稳流t=t(x,y,z)一维C＝C(x)一维t=t(x)二、促使流速改变的条件1.力学条件(dC/C∝dP/P)(内部条件)-dp/p=KM2dc/c2.几何条件(dC/C∝df/f)(外部条件)

df/f=(M2–1)dC/C图9-1喷管中各参数沿轴向变化的示意图三、喷管计算１、定熵滞止参数２、气体的流速计算３、临界压力比及临界流速４、流量的计算及分析(气体和水蒸汽)５、喷管设计计算(确定喷管外型及截面积)图9-2质量流量随压力比的变化例1.有一气柜,氢气,P1=4.9MPa,t1=100℃,氢气流经一渐缩喷管.

①流入背压为3.9MPa的空间

②背压为0.1MPa,

已知Cp=14.32kJ/kg,f2=20mm2,

求C2,m例2.如图所示,气体充分膨胀,P1=0.65MPa,T1=350K(air),fx=2.6×10-3m2,Mx=0.6,

Pb=0.30MPa,β=0.528。求:f2=?11xx22四、扩压管要点：气体在扩压管中的定熵流动过程正好是喷管的反过程，有关喷管定熵流动的基本关系式，管道截面变化规律的关系式，均适用于扩压管。例：空气流经某扩压管，已知进口状态

P1=0.1MPa,T1=300K,C1=500m/s.在扩压管中定熵压缩，出口处的气流速度

C2=50m/s.问应采用什么形式的扩压管，并求出口压力.如流经扩压管的质量流量m=1kg/s，计算扩压管各处的截面积.五、具有摩擦的流动摩阻对流速的影响:①速度系数②喷管效率③动能损失例：某种理想气体Cp=1.159kJ/(kg.K),R=0.3183kJ/(kg.K),P1=0.6MPa,t1=800℃,流经一收缩喷管而进入压力为0.2MPa的空间，f2=2400mm2,C1=100m/s.求：

①等熵流动C2，m

②φ=0.92,C2及m,

③如果环境温度为27℃，试问作功能力损失。六、绝热节流节流概念：气体在管道中流过突然缩小的截面，如阀门或孔口等，而又未及与外界进行热量交换的过程称为绝热节流，或简称节流。图9-3绝热节流前后参数变化图9-4气体绝热节流过程图9-5水蒸汽绝热节流过程①dT＜0,＞0,冷效应②dT=0,=0,零效应③dT＞0,＜0,热效应第九章动力循环一、朗肯循环1、装置与流程2、朗肯循环能量分析及热效率3、提高朗肯循环热效率的基本途径(蒸汽动力基本循环)图10-1(a)朗肯循环工作原理图图10-1(b)朗肯循环p-v图图10-1(c)朗肯循环T-s图图10-1d朗肯循环h-s图图10-2平均吸热温度图10-3提高初压的T-s图图10-4提高初温的T-s图图10-5降低放热温度的T-s图二、回热循环与再热循环1、回热循环2、再热循环(a)工作原理图(b)T-s图图10-6汽回热循环图(a)工作原理图(b)T-s图图10-7再热循环图例1.设有以蒸汽为工质的回热循环，蒸汽进入汽轮机的参数为10MPa、550，在5kPa下排入凝汽器。蒸汽在0.8MPa和0.2MPa下抽出，分别去两个混合式给水回热器加热给水，给水离开每个回热器的温度为抽汽压力下的饱和温度。在凝汽器及每个回热器之后都有水泵将工质压力提高至所需值。求:(1)抽汽率а1和а2；

(2)循环功量及热效率；

(3)与相同参数的朗肯循环小比较。三、热电循环1、背压式热电循环2、调节抽汽式热电循环(a)工作原理图(b)T-s图图10-8背压式热电循环图图10-9调节抽汽式热电循环四、内燃机循环1、定容加热循环2、定压加热循环