工程热力学教案1(05版)

教案课程名称：工程热力学所在单位：动力与能源工程学院课程性质：专业根底课授课学时：64学时〔8学时实验〕授课专业：热能与动力工程，核工程与核技术，轮机工程授课学期：第3〔或4〕学期教学基本进度教学学时主要教学内容说明1～2绪论，热能和机械能相互转换的过程，热力系统，工质的热力学状态及其根本状态参数授课3～4平衡状态、状态方程式、坐标图，工质的状态变化过程，过程功和热量，热力循环授课5～6热力学第一定律的实质，热力学能和总能，能量的传递和转化授课7～8焓，热力学第一定律的根本能量方程式授课9～10开口系统能量方程式，能量方程式的应用授课11～12理想气体的概念，理想气体的比热容授课13～14理想气体的热力学能、焓和熵，水蒸气的饱和状态和相图；授课15～16水的汽化过程和临界点；水和水蒸气的状态参数；水蒸气表和图授课17～18理想气体的可逆多变过程；定容过程；定压过程；定温过程授课19～20绝热过程；理想气体热力过程综合分析；水蒸气的根本过程授课21～22热力学第二定律；卡诺循环和多热源可逆循环分析；卡诺定理授课23～24熵、热力学第二定律的数学表达式；熵方程授课25～26孤立系统熵增原理授课27～28火用参数的根本概念、热量用；习题课授课29～30稳定流动的根本方程式；促使流速改变的条件；授课31～32喷管的计算；授课33～34有摩阻的绝热流动；绝热节流，习题课授课35～36单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量；余隙容积的影响授课37～38多级压缩和级间冷却。叶轮式压气机的工作原理。授课39～40分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际循环的简化；活塞式内燃机的理想循环(1)授课41～42活塞式内燃机的理想循环(2)；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比拟授课43～44燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环授课45～46简单蒸汽动力装置循环-——朗肯循环授课47～48蒸汽动力装置再热循环；回热循环，习题课授课49～50概述；压缩空气制冷循环；压缩蒸汽制冷循环；热泵循环授课51～52理想气体混合物；理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵授课53～54湿空气；湿空气的状态参数；湿球温度和绝热饱和温度；湿空气焓-湿图；湿空气过程及其应用授课55～56总结，机动授课57～58工程热力学实验实验59～60工程热力学实验实验61～62工程热力学实验实验63～64工程热力学实验实验教材：沈维道，蒋志敏，童钧耕合编.工程热力学〔第四版〕北京：高等教育出版社，2001严家騄，余晓福著.水和水蒸汽热力性质图表.北京：高等教育出版社，1995主要参考资料：曾丹苓，敖越，朱克雄等编.工程热力学〔第二版〕北京：高等教育出版社，1986朱明善，林兆庄，刘颖等.工程热力学.北京：.清华大学出版社.1995严家騄编著.工程热力学〔第二版〕.北京：高等教育出版社，1989朱明善，陈宏芳.热力学分析.北京：高等教育出版社，1992赵冠春，钱立仑.分析及其应用.北京：高等教育出版社，1984绪论〔课时1〕为什么学习“工程热力学〞热力学与专业培养目标的联系，说明学习工程热力学对本学科的重要性。二、能量能量的形式：由能量的形式，人类面临的能源形式说明工程热力学对于动力工程的重要性。三、工程热力学的主要内容热力学根本概念；热力学第一定律；气体和蒸汽的性质和根本热力过程；热力学第二定律；实际气体性质简介；气体和蒸汽的流动；压气机的热力过程；气体动力循环；蒸汽动力装置循环；制冷循环；理想气体混合物及湿空气；化学热力学根底。四、热力学的研究方法1.宏观的研究方法〔宏观热力学；经典热力学〕2.微观的研究方法〔微观热力学；统计热力学〕工程热力学主要应用宏观的研究方法，但有时也引用气体分子运动理论和统计热力学的根本观点及研究成果。五、怎样学好工程热力学强调到课率和作业的重要性。要求作业及时完成，不等不拖，说明考核方式。第1章根本概念及定义〔课时2〕一、根本要求掌握工程热力学中的一些根本概念〔热力系，平衡态，准平衡过程，可逆过程〕；掌握状态参数的特征，根本状态参数的定义和单位；掌握热量和功量过程量的特征，正确理解并运用可逆过程的热量、功量的计算。二、本章重点和难点必须正确理解一些重要的概念：平衡状态，准平衡过程，可逆过程；区分状态量和过程量的特征。1.1热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置引出几个定义：工质——实现热能和机械能相互转换的媒介物质〔workingsubstance〕；高温热源——工质从中吸取热能的物质；低温热源——接受工质排出热源的物质；能能源做功媒介物质排入大气或冷却水能量转移余能1.2热力系统一、热力系统热力系的定义和图例：热力学中把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递，这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。热力系统边界热力系统边界外界边界热力系统锅炉汽轮机冷凝器泵过热器Q1Q2W热力系的分类〔1〕结合思考题1：闭口系与外界物物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗〔开口系中的质量是否就一定是变化的〕？注意区分开口系与闭口系的主要因素为：区分是闭口系统还是开口系统的依据是有没有质量跨越系统的边界，而不是系统中质量的数量是否变化。〔2〕“绝热〞的概念：由于温差而传递的能量〔3〕孤立系的取法与意图，在此处说明孤立系是一个理想化的概念。是为了研究问题的方便，用一个假想的边界，把进行能量转换的一切有关物体都包括进来构成一个孤立系统。〔强调〕孤立系统内部各子系统之间可以有各种相互作用，而孤立系统与外界之间那么无任何相互作用。〔以利于第5章孤立系熵增的理解〕。3.热力系的选取二、边界〔Boundary/Controlsurface〕系统与外界的分界面说明：a.边界可以是实际的，也可以是假定的；b.边界可以是固定的，也可以是移动的。三、外界〔Surrounding〕冷流体热流体冷流体热流体四、热力系统模型实例以换热器和高压锅中的热力传递为例，说明如何选好热力系。1.3工质的热力学状态及其根本状态参数12121.热力学状态热力学状态的定义2.状态参数及其性质eq\o\ac(○,1)状态参数eq\o\ac(○,2)状态参数的性质状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给定的状态，而与如何到达这一状态的途径无关。状态参数的这一特性表现在数学上是点函数，其微分差是全微分，而全微分沿闭合路线的积分等于0。即eq\o\ac(○,3)状态参数的分类强度量——压力和温度这两个参数与系统质量的多少无关，称为强度量；广延量——体积V、热力学能U、焓H、熵S等与系统质量成正比，具有可加性，称作广延量。物体A热物体B冷物体A热平衡物体B热平衡物体A物体B物体C物体A热物体B冷物体A热平衡物体B热平衡物体A物体B物体C物体A热平衡物体B热平衡物体C热平衡二、温度物理意义eq\o\ac(○,1)宏观：温度是物体冷热程度的标志。在此处插入热力学第零定律，使热力学体系更加完善。eq\o\ac(○,2)微观温度是物质微粒热运动剧烈程度的标志。eq\o\ac(○,3)测量温度是利用温度计来测量的。结合思考题，说明温度计的测温原理：〔思考题5〕eq\o\ac(○,4)温标温标——温度的数值表示法。不同温标之间的关系：可推出两种温标之间的关系。几种类型的温度计及其测量属性温度计测温属性气体温度计液体温度计电阻温度计热电偶磁温度计光学温度计压力或体积体积电阻热电动势磁化率辐射强度例1－1：铂金丝的电阻在冰点时为10.000Ω，在水的冰点时为14.247Ω，在硫的沸点〔446℃〕时为27.887Ω，试求出温度t/℃和电阻R/Ω的关系式中的常数A、B、R0的数值。结合〔思考题6〕说明经验温标的缺点，引出热力学温标。热力学温标。摄氏温度与热力学温度的关系三、压力1.压力的定义ppbpppbpeppbpv00pbpvpppv3.压力单位：Pa1Pa＝1N/m21MPa＝106Pa1atm＝101325Pa,1at＝98066.5Pa，1mmHg＝133.3224Pa，1mmH2O＝9.80665Pa例1－2：测得容器内气体的表压力为0.25MPa，当地大气压为755mmHg，求容器内气体的绝对压力，并分别用MPa，bar，atm，at表示。四、比体积和密度比体积、密度注意：，因此它们不是相互独立的参数，可以任意选用其中之一，工程热力学中通常用作为独立参数。1.4平衡状态、状态方程式、坐标图〔课时3、4〕一、平衡状态通过状态的分类引出热力学的三个研究层次，使学生认识到热力学虽然是一门有上百年的历史的学科，但其依然充满活力，增加研究兴趣1平衡状态的定义说明：1不受外界影响是指与外界既没有能量交换，也没有物质交换，但重力场的影响除外；2始终保持不变，是指系统参数不随时间变化；平衡包括3热平衡，组成热力系统的各局部之间没有热量的传递；4力平衡，各局部之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。5化学平衡，没有化学反响6相平衡：没有相的迁移。实现平衡状态的充要条件：THTTHTL铜棒气相液相T,p,u’,h’,s’T,p,u,h,s2稳定状态。内燃机、压气机在稳定状态时，工质状态的周期性规律不随时间而变。说明在对此类热力设备进行研究时应视之为稳定系统换热器在设计工况下工作时各点状态也不随时间而变。说明：1.稳定状态的特征，各状态点或各点状态的周期性变化规律不随时间而变；2.各点状态可能不同，即系统内部的状态可能并不均匀。稳定状态与平衡状态是不同的概念区别：稳定状态仅仅强调不随时间而变，并不强调这种不随时间而变的条件。平衡状态既强调不随时间而变，也强调不随时间而变的条件，即在不受外界影响的条件下。3均匀状态。〔平衡是相对于时间而言的，均匀是相对于空间而言的。〕以例子说明如何区分平衡与稳定，平衡与均匀两种概念。例1.3铜棒的一端与高温热源接触，另一端与低温热源接触，其外表与外界绝缘，如图。经历较长时间后，铜棒内各截面的温度不再随时间变化，试问铜棒是否处于平衡状态？说明：由此例可见要注意区分稳定与平衡两种不同的概念。稳定状态时状态参数虽不随时间变化，但它是靠外界影响来维持的。平衡状态是不受外界影响时参数不随时间变化的状态，两者有所区别，但又有联系——平衡必稳定，稳定未必平衡。例1.4一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，他们的温度和压力分别相等，不随时间而变化，试问汽水混合物是否已处于平衡状态。说明：本例说明，处于热力平衡状态的系统内部各种参数未必都是均匀的，即均匀必平衡，平衡未必均匀。当然对于单相物质组成的系统，均匀必平衡，平衡也必均匀。判断题：均匀必平衡，平衡也必均匀。有前提条件：对于单相物系，均匀必平衡，平衡也必均匀；对于复相系统，均匀必平衡，平衡未必均匀。注：本书未加特别注明之处，一律把平衡状态下单相物系当成是均匀的，物系中各处的状态参数应相等。例1.5试说明平衡状态的特征及其实现的条件？二、状态方程式三、状态参数坐标图压容图和温熵图。强调：只有平衡状态才能用状态参数图上的一点表示，不平衡状态因系统各局部的物理量一般不相同，在坐标图上无法表示。1.5工质的状态变化过程一、系统发生状态变化的原因热力过程。二、准平衡〔静态〕过程1.准静态过程准静态过程。准静态过程。即气体工质在压力差作用下实现准静态过程的条件是：气体工质和外界之间的压力差为无限小，即：或气体工质和外界温差为无限小，即或实现准平衡过程条件p1,v1p1,v1,T1p2,v2,T2p3,v3,T3pv2.工程实际说明二、可逆过程和不可逆过程1.可逆过程特征。2.可逆过程必须满足以下条件：〔使系统实现可逆过程的条件是什么〕①可逆过程必须是准静态过程，即必须在势差足够小、变化足够慢的条件下进行。这样，每个中间状态都可看作是平衡状态，而且，一旦改变势差的方向，即可改变过程的方向；②可逆过程中不存在任何耗散效应，如摩擦、扰动、电阻、永久变形等等，耗散效应必定导致无法消除的影响。因此，可逆过程也可定义为：可逆过程是无耗散效应的准静态过程。3.不满足可逆过程的定义或条件的过程，称为不可逆过程。4.典型的不可逆过程。例如：温差传热；自由膨胀；混合过程；节流过程；摩擦生热；粘性流体；阻尼振动；电阻热效应；燃烧过程；非弹性变形；磁滞损耗等等。但。5.实际过程的说明。注意：对可逆过程定义的说明重申热力学的研究方法。课后思考题1.判断以下过程中那些是可逆的、不可逆的，可以是可逆的，并扼要说明不可逆的原因。〔1〕对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。〔2〕对刚性容器内的水做功使其在恒温下蒸发。〔3〕对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100〔4〕定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩。〔5〕100℃的蒸汽流与251.6过程功和热量一、过程功1.功的定义和单位普通物理中功的定义：在力F的作用下物体发生微小的位移dx，那么力F所作的微功为式中：——微小功量〔并非全微分〕。假设物体在力F的作用下由空间某点1位移到点2，那么力F所作的功为功的单位：J，焦耳1J的功相当于物体在1N的力的作用下产生1m的位移时产生的功量，即1J＝1N·m单位质量的物质所做的功称为比功，单位为J/kg。假设质量为m的物质完成的功为W，那么比功为pvJ/kgpv单位时间内完成的功称为功率，单位为W，即1W=1J/s工程上还用kW做单位1kW=1kJ/s2.可逆过程的功按照功的力学定义，工质推动活塞移动距离dx时，对抗斥力所做的膨胀功为式中：——活塞面积；——工质体积微元变化量。工质从状态1变化到状态2，所作的膨胀功为：说明：eq\o\ac(○,1)如可逆的膨胀过程1－2的方程式，即可由积分求得膨胀过程功的数值；eq\o\ac(○,2)膨胀功在图上可用过程线下方的面积表示，因此图也叫示功图。如果工质是1kg，那么所做的功为过程依相反方向2－1进行时，同样可得应用功量公式应注意以下几点：1.功量正负号规定〔一定重点强调〕。由公式可知，时，，无功量交换；，系统对外做功，功为正；，外界对系统做功，功为负。简言之，系统对外做功，功为正；外界对系统做功，功为负。2.功量的大小可以用图上过程线下方的面积表示；3.功量是个过程量，不是全微分。当初终状态一定，而过程经历的途径不同时，功量的大小也各不相同。4.容积变化功的公式只适用于准静态过程和可逆过程，对于非此类过程，不仅不能用上述公式来计算，而且不能用图来表示该过程，对于不可逆过程的功量必须用其它方法来计算。5.此公式适用于任何工质。流开工质在准静态过程中所做的膨胀功也可用此式计算。6.准静态过程的膨胀功和压缩功，可用系统内部的参数描述，无须考虑外界的情况，但必须知道内部参数的函数关系。的函数关系可根据研究的具体过程方程和实验数据确定。7.闭口系工质在膨胀过程中所作的功并不全部用来输出作有用功，它一局部因摩擦而耗散，一局部用以排斥大气做功，余下的才是可被利用的功，称作有用功。3.广义功〔简介〕二、过程热量1.定义：热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由于温度的不同而通过边界传递的能量。〔能量的一种，是由温差引起的〕热量的单位：J，焦耳结合思考题2：有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。对不对，为什么？*〔此处重点阐述过程量的特点〕从对功和热量的定义可以看出，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程就没有功和热量。说物系在某一状态下有多少功或多少热量，显然是毫无意义的、错误的，因为功和热量都不是状态参数。只有当系统状态发生变化时，才可能有功和热量的传递，所以功和热量的大小不仅与过程的初、终状态有关，而且与过程的性质有关，它们是过程量。功和热量的不同之处。便于对第5章热过程方向性的理解。2.准静态过程中热量的计算公式Tsv微元过程：Tsv有限过程：单位质量：说明：1.热量正负号规定。体系吸热，热量为正；体系放热，热量为负。2.热量的大小可以用图上过程线下方的面积表示；3.热量是个过程量，不是全微分。当初终状态一定，而过程经历的途径不同时，热量的大小也各不相同。4.公式只适用于准静态过程和可逆过程，假设非此类过程，不仅不能用上述公式来计算，而且不能用图来表示该过程，对于不可逆过程得热量必须用其它方法来计算。1.7热力循环一、热力循环及其分类11a2bmnef43cdwnetq1-q2t=wnetpvTs循环。循环分类。二、正向循环正向循环也叫热动力循环。设图为一正向循环的和图。循环净功：循环净热量：正向循环的经济性用热效率来衡量。愈大，即吸入同样的热量时得到的循环功愈多，它说明循环的经济性愈好。三、逆向循环1a21a2bmnef43cdwnetq1-q2t=wnetpvTs热泵系数〔供热系数〕与热效率一样，制冷系数和热泵系数愈大，说明循环经济性愈好。本章小结根本术语和根本概念：热力系、平衡态、准静态过程、可逆过程。准静态过程实现的条件。可逆过程实现的条件。状态参数及其性质、定义、单位；热量和功量的特征以及可逆过程的热量和功量的计算。可逆过程的功和热量：微元过程注意问题eq\o\ac(○,1)正负号约定eq\o\ac(○,2)面积有限过程eq\o\ac(○,3)过程量eq\o\ac(○,4)适用范围热力循环的分类及评价指标第2章热力学第一定律一、根本要求：①正确识别各种不同形式能量的能力；②根据实际问题建立具体能量方程的能力；eq\o\ac(○,3)应用根本概念及能量方程进行分析计算的能力；eq\o\ac(○,4)注意焓的引出及其定义式。二、重点与难点焓的定义、物理意义、性质；不同形式的功，稳定流动中几种功的关系；能量方程的应用。2.1热力学第一定律的实质〔课时5、6〕功的单位及其相互关系：在国际单位制中，热和功的单位皆为焦耳〔J〕；在工程单位制中，热，kcal；功，kgf·m。由于1kcal=4.1868kJ=426.935kgf·m功率：单位时间内所做的功，用P表示，单位〔SI〕W，kW。工程制：马力1W=1J/s；1kW=1kJ/s=102.kgf.m/s；1kW=1.36马力；1马力=0.735kW。1千瓦在小时内所做的功为—千瓦.小时1kW.h=3600kJ=860kcal；1马力在小时内所做的功为——马力.小时1马力.小时=2646kJ=632kcal。热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象上的应用。指出：热能和机械能之间可以互相转化，但总量保持不变。2.2热力学能和总能一、热力学能热力学能，J，kJ；单位质量的热力学能称为比热力学能〔比内能〕，J/kg，kJ/kg。工质的内能包括：1〕工质的内动能，当工质的分子可视做质点时，只有平动动能，而无转动和振动动能。2〕分子内部的作用力〔内部势能，内位能〕所以内能是温度与比容的函数而对于单位质量的工质的内能为又因为气体的是由状态方程式联系起来的，所以又有和。二、外部储存能外部储存能。宏观运动的整体动能：kJ；宏观的整体动能：kJ；三、总能系统中的总储存能为：kJ；单位质量的能量为：kJ/kg；四、热力学能的性质1.热力学能是系统的一个状态参数并具有状态参数的所有通性。热力学能是个广延参数，具有可加性，而比热力学能是强度参数，具有点函数的性质。也就是说，假设工质从初态1变化到终态2，其热力学能的变化只与初终状态有关，而与过程路径无关。2.热力学能是一个不可测的状态参数，其绝对值是无法确定的。3.系统的热力学能变化是可以计算的。2.3能量的传递和转化1、做功和传热WECMWWECMWECMQWECM热能机械能p1,p1,v1p2,v21122〔J〕。式中，m——进入汽缸的工质质量。1千克工质的推动功等于〔J/kg〕。〔2〕流动功。推动功差2.4焓(课时7、8)1、焓是一个状态参数，定义表达式为：，不管是控制质量还是流动质量，当状态一定时，及都有确定的数值。焓的数值也就完全确定了。热力学能及加项都是状态量，具有状态参数所有的通性，对于这一点是毫无争议的。例：气瓶中气体表压力为MPa，体积为Vm3，内能为kJ，那么气瓶中气体的焓为：注意eq\o\ac(○,1)压力应为绝对压力；eq\o\ac(○,2)单位统一。2、焓中有两项：热力学能——储藏在工质内部的储存能，不管是控制质量还是流动质量，工质内部所拥有的能量就是热力学能，是一个状态量；2.5热力学第一定律根本表达式根本方程写法：进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部储存能的变化一、闭口系能量方程QWQWU假设工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计或热力学第一定律的第一解析式。式中：，为系统在状态2和状态1下的热力学能。对于闭口系统，功只能为容积功。注意：eq\o\ac(○,1)上式不可以写成，因为热量和功都是能量传递的度量。只有在能量传递的过程中才有所谓功和热量，没有能量传递的过程也就根本没有什么功和热量。假设说物体在某一状态下有多少功或多少热量，这显然是毫无意义的、错误的。功和热量都不是状态参数。一个过程只有一个热量，一个过程也只有一个功。对于单位质量的工质：eq\o\ac(○,2)此式直接从能量守恒和转化的普遍原理得出，没有做任何假定，因此它对闭口系统是普遍适用的，毫无例外。可适用于可逆过程，也可适用于不可逆过程。对工质的性质也没有限制，无论是理想气体，还是实际气体，甚至液体都可适用。为了确定工质初态和终态内能的值，要求工质初态和终态是平衡状态。结论：对静止闭系，有限过程中就lkg工质而言，可写成：或以上四式的应用适合静止闭系的一切过程，包括可逆过程和不可逆过程对于准静态过程和可逆过程：那么对于简单可压系可逆过程写成：非可逆过程不可以这样写。例一个装有2kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100kJ，比热力学能减少了15kJ/kg，并且整个系统被举高1000m，试确定过程中系统动能的变化。注意：eq\o\ac(○,1)能量方程中的是代数值，在代入数值时要按约定正负号含义代入，表示增量，假设过程中它们减少应代入负值；eq\o\ac(○,2)量纲一致。2.6稳定流动能量方程(课时9、10)1、稳定流动稳定流动是指开口系统的控制容积中每一空间点其参数不随时间而变化。222211p1p2δQδWidV1,cf1dV2,cf2基准面z2z1整个系统单位时间与外界交换的热、功不变；进口参数和出口参数不变；系统的边界无胀缩；单位时间流入的质量等于流出的质量。2、稳定流动能量方程图示系统流入能量及流出能量：流入系统的能量：其中流出系统的能量：，其中那么根据热力学第一定律的根本能量方程可得：进入能量—流出能量=变化量〔对于稳定流动，变化量=0〕那么流入能量=流出能量即〔1〕那么对〔1〕式加以整理，得出系统的吸热量为：〔2〕焓为流开工质所携带的能，工质要流动，那么必携带内能u和流动功pv，所有的动力设备为了连续工作，需流动的工质，故焓的应用比内能广泛。〔2〕式变为：〔3〕〔3〕式叫做稳定流动能量方程式。有限过程的稳定流动能量方程：1kg工质流过开口系经过有限或微元过程时，那么而膨胀功由四个局部组成的：1〕进出口推动功之差，是维持流动所需要的功2〕进出口动能之差；3〕进出口位能之差4〕是工质对机器作的功。工质在稳定流动过程中所作的膨胀功表现为一局部消耗于维持工质流动所需要的流动功，一局部用于增加工质的宏观动能和重力位能，其余局部才作为热力设备输出的功，所以说膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉。定义；技术功利用〔4〕式，那么，即技术功还可表示为膨胀功减去进出系统的推动功之差。说明：在各种方式的能量传递过程中，只有在工质膨胀作功时，才可能实现热能〔无序能〕变机械能〔有序能〕的转化，而产生的机械能就等于膨胀功。机械能转化为热能的过程虽那么还可由摩擦、碰撞等来完成，但只有通过对工质压缩作功的转化过程才会是可逆的。所以热能和机械能的可逆转化总是和工质的膨胀和压缩联系在一起的。而稳定流动能量方程〔3〕式变为：〔5〕此为，是用焓表示的第一定律解析式，也叫做热力学第一定律的第二解析式。闭口系统能量方程〔6〕，是热力学第一定律的第一解析式，它说明加给工质的热量一局部用于增加工质的内能，仍以热能的形式存在与工质内部，余下的局部以作功的方式传递给了外界，转化成机械能。在状态变化过程中转化为机械能的局部为。稳定流动能量方程式〔3〕和第一定律的第二解析式。都是从能量方程式直接推出，因此能普遍适用于可逆和不可逆过程，也普遍适用于各种工质。可逆过程的技术功的具体表达式：设工质由进口态变为出口态，其膨胀功为因为12ab0c12ab0cd3而为面积c2b0c，为面积d1a0d，那么为面积12cd1=也可这样推导：==〔7〕由〔7〕式可见，假设为负，即过程中工质的压力是降低的，那么技术功为正，此时工质对机器作功。反之，假设为正，即过程中工质的压力是升高的，那么技术功为负。此时机器对工质作功。蒸汽机、蒸汽轮机和燃气轮机属于前一种情况，活塞式压缩机和叶轮式压气机属于后一种情况。技术功的微分形式第一定律第二解析式的微分形式为：第一解析式和第二解析式之间可相互推导。第一解析式：第二解析式：=2.6开口系统的能量方程的一般表达式222211p1p2δQδWidV1,cf1dV2,cf2基准面z2z1时间内流入的能量：流出的能量据能量守恒与转化定律：流入能量-流出能量=内部能量的增量，设内部能量的增量用表示〔controlvolume〕，那么上式可整理为：说明：流入系统的能量，一局部变为系统储存的能量，其它的变为焓差及动势能差以及输出功。令，，那么上式变为：对于闭口系统，，＝0，，那么对于稳定流动系统：，，那么h0h0，p0，，v0条件：1〕主管道的气体状态恒定；2〕气瓶是刚性的；3〕气瓶不是真空〔开始u1，m1〕分析：说明：eq\o\ac(○,1)在气源中气体的比热力学能是，但随质量交换而交换的能量是比焓，即质量流的能容量是而不是。充气过程中，系统增加的能量为，既不是；也不是。终态时系统的比焓为。eq\o\ac(○,2)在绝热充气过程中，焓转变成热力学能，，它是个不可逆过程。12例：汽缸的一端通过阀门与稳定气源相连，汽缸内有一活塞重块，以维持汽缸内压力，为常值。初态时，活塞在汽缸的1处，假定阀门调节到一定开度，使活塞在等压下缓慢地匀速上升，当活塞上升到终态2时关闭阀门。分析：eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)多孔塞绝热体多孔塞绝热体12如下图是焦耳和汤姆逊采用的多孔塞实验一个绝热管子中用棉花之类的物品作成一个多孔塞，使气体不容易通过。这样，塞子的一边可以维持较高的压力，另一边那么维持较低的压力，气体不断地从一边经过多孔塞节流到的一边。实验中的流动过程为绝热节流过程。试说明流体在多孔塞实验中从高压到低压的节流前后是一个总焓不变的过程，即。2.7能量方程式的应用h1h1h2wih1h1h2wi1千克工质对机器所作的功为：压气机1千克工质需作功为：h2h2h1qc1，hc1，h1c2，h2四、管道1千克工质动能的增加为：h1h1h22211本章小结热力学第一定律。能量热力学能：1.分子热运动形成的内动能；2.分子间的相互作用形成的内位能；3.维持一定分子结构的化学能，原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。一、功的种类及计算1.体积变化功〔膨胀功〕：2.内部功：工质在机器内部对机器所作的功3.推动功和流动功：开口系因工质流动而传递的功称为推动功。4.技术功：技术上可资利用的功。5.有用功和无用功二、能量方程1.闭口系能量方程：或循环的热力学第一定律：，任意一循环的净吸热量与净功量相等。2.稳定流动能量方程.3.一般开口系能量方程.注意问题：应用能量方程时要注意都有正负号的问题，要按规定使用，即系统吸热时热量取正值，放热时取负值。另外，要注意公式中每一项量纲的统一。三、引入的两个新的状态参数：热力学能和焓热力学能，kJ，J；比热力学能，kJ/kg，J/kg焓：四、能量方程的应用：eq\o\ac(○,1)要注意选好热力系。eq\o\ac(○,2)对于闭口系写出闭口系能量方程。对于开口系，一般的热力设备除了启动、停止或加减负荷外，常处于稳定工况下，所以可以作稳定流动处理，即能量方程写成稳定流动能量方程。对于工程上的充、放气、容器泄漏以及上述热力设备的非稳定工况，能量方程需写成一般开口系的能量方程。eq\o\ac(○,3)在针对具体问题，分析系统与外界的相互作用时，对于叶轮式机械，如燃气轮机、蒸汽轮机、叶轮式压气机等，以及喷管和节流阀等由于叶轮机械的外外表通常被很好地绝热，进行有效热传递的外外表面积很小，工质流过控制容积非常迅速，系统与外界来不及交换大量的热量，因此通常作为绝热处理，稳定流动能量方程中的热量项取为零。除去喷管和扩压管这类使气流速度改变比拟剧烈的设备外，在一般设备中，起来进出的动能、位能变化很小，可以忽略。稳定流动中的动、位能差项均取为零。对于简单可压缩系，设备中假设无活塞。转轴这类做功部件，闭口系能量方程中的功项，或开口系能量方程中的内部功项均取为零。如各种换热设备，其内部功均为零。习题课〔随课时安排〕简答题1.绝热真空刚性容器充入理想气体后，容器内的气体温度比充气前气体温度是高了、低了还是相等。2.解释开着冰箱门降温的错误所在。1.气体在某一过程中吸收了50J的热量，同时内能增加了84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？与外界交换的功为多少？2.氧气瓶的容积为.4m33.气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是静止的，且与外界无热交换。试问：活塞能否对流体做功？流体的压力会改变吗？假设使用某种方法把流体的压力从0.2MPa提高到4MPa，内能有无变化？焓有无变化？12341234pv叶轮1叶轮12334燃烧室压气机喷管在截面1处：kJ/kg；在截面2处：kJ/kg在燃烧室工质吸入热量kJ/kg；燃烧后的燃气进入喷管膨胀到状态，kJ/kg，流速增大，进入动叶片，推动转轮回转做功。假设燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度m/s求：〔1〕假设空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率？〔2〕假设燃气的发热值为kJ/kg，燃料的耗量为多少?〔3〕喷管出口的流速？〔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？第3章气体和蒸汽的性质根本要求：熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式；正确理解理想气体比热容的概念；熟练掌握和正确应用定值比热容、平均比热容来计算过程热量，以及计算理想气体热力学能、焓和熵的变化；难点和重点：理想气体的热力性质；比热容.3.1理想气体的概念〔课时11、12〕理想气体在实际应用中，当气体压力不太高，温度不太低时，实际气体由于分子距离较大，分子间作用力削弱，那么实际气体可看作理想气体。理想气体是实际气体在压力趋近于0，比容趋近于无穷大时的极限状态。所以，在工程中，一看种类〔即其沸点上下，离液态远近〕；二看压力。一、理想气体的状态方程理想气体的状态方程由两种方法得出：1〕由高中物理中介绍的理论分析推导得到；2〕另一种方法是由实验得出的经验方程，称为气体常数，由于在同温同压下，同体积的各种气体质量各不相同，因而值随气体种类而异，各种气体都有一定的值。二、摩尔质量和摩尔体积对于1kmol气体，其比容我们称为千摩尔容积，各种气体的千摩尔容积这时都是22.4m3m3/kmol〔下标0表示标准状态〕那么==8314.3J/kmol•K=8.3143kJ/kmol•K中选用不同的单位时，有不同的值，例如当kgf/m2时，==848kgf.m/〔kmol•K〕用——摩尔质量，kg/kmol，，对于空气，kg/kmol，在高中时，我们习惯用29，现在应较采用精确值，此值为据空气中各种成分的体积含量求出的。那么空气的气体常数为：0.287kJ/kg•K=287J/kg•K对于mkg气体，式〔3-2〕两边都乘以m得，而在物理学中我们常用。例1：有一体积为0.3m3的汽缸，装有MPa，K的压缩空气，用来启动柴油机，启动后瓶中压力降为=4.6MPa，=K，问用去了多少kg空气？注意1、采用适宜的公式〔习惯于采用热力学公式〕可减少计算步骤，建议采用进行计算；2、在此题中，体积虽然没变，但质量已变，故不能认为是定容或定温过程。例2：将CO2压入容积为3m3的储气罐中，初始罐中压力表读数为0.3bar，终态压力表读数为3bar，罐中的温度在充气过程中由15℃升为75℃注意：1、必须采用绝对压力，而不能用表压力；2、必须使用绝对温度，而不能用摄氏温度或华氏温度；3、等物理量的单位必须与选定的摩尔气体常数的单位协调一致。思考题：体积为1m3的容器中充满N2，其温度为201、1684kg2、11531.5kg3、2658kg4、2.658kg错误之处：1、采用公式不当，使计算复杂化，应采用公式；2、式中单位与所选定的气体常数的单位没有协调一致，且压力非绝对压力，温度非绝对温度。本节的内容理论知识已学过很多，关键在于在工程中的应用。3.2理想气体的比热容一、比热容定义比热容的概念。1、质量比热：2、容积比热：3、kmol比热，符号，单位kJ/kmol•K。三者的关系：。二、定压、定容比热定容比热：定压比热：推导：据热力学第一定律表达式：据热力学第二定律表达式：对于理想气体迈耶公式：或此即为对理想气体来说定压比热与定容比热之间的关系〔因为只有理想气体，，而对于实际气体，，〕。又因为：所以=8314.3J/kmol·K令，称为绝热指数。对于理想气体：，，而，可见值非一常数，它与的值有关。而对于某一气体来说永为一常数。三、理想气体的定比热理论，单原子气体双原子气体多原子气体单位kJ/kg·KkJ/kg·KkJ/kg·K修正。对于多原子气体，工程上为了简化计算，比热可近似地当做定值，通常称为定值比热。c=f〔t〕c=f〔t〕四、理想气体的真实比热据实验发现，随着温度的升高，比热也随之升高，作出与的关系曲线，整理为的形式，即理想气体随温度变化而变化。式中等是与气体性质有关的常数。所以在给出比热的数值时，必须给出是那一个温度下的比热。五、利用比热计算热量1、定比热计算：kJ/kgkJ/kg的来源，对于空气：kJ/kg·KkJ/kg·K或kJ/kg·K对其它气体也可按此计算。2、平均比热附表4，500页注意：非100℃下的定压比热值，单个温度无平均可言，是指0～100℃间的平均定压比热值。而〔定容平均比热的计算方法〕。据热力学第一定律那么,这样算焓，隐含了规定0℃时，即℃=0，同理，此式也隐含了规定0℃时，即℃=0。当然对于理想气体还可取0K时焓值为0，内能为0。3、比热的直线关系=附表7，P503列出了气体的平均比热〔直线关系式〕，应注意，附表中的代表，其直接写出了的值。例如：空气的平均定压比热的直线关系式为：，其中代表，而=0.000093，0.9956。本节总结〔理想气体的比热〕1、据微观分子运动模型得出定比热理论；2、气体的真实比热；3、平均比热；4、平均比热直线关系：例：把空气从100℃定压加热到300℃和解：1、定比热计算：2、平均比热：3、按比热直线关系：平均比热表是考虑比热随着温度而变化的曲线关系，据比热的精确值编制的，用比热表求得的是可靠的结果，以之做基准来计算其它两种的误差：温度由100℃变化到1000计算误差，；分析：由例子可得：如按定比热计算，空气的应记做kJ/kg·K，kJ/kg·K；据计算，按定比热计算随着温度的升高，引起的误差较大，即精确计算时不能按定比热计算，对工程来说，定比热在允许误差范围内；温度变化大或小〔0～1500℃〕，按比热直线关系计算，误差都较小。3.4理想气体的热力学能、焓和熵〔课时13、14〕一、热力学能和焓abc1pabc1pv焓的变化为。的计算：243pv11、假设温度不太高，那么按定值比热计算，，图中过程中热力学能的变化相同，都等于定容过程热，即243pv1对于焓变，，1-2，1-3，1-4三过程焓变相等，都等于定压过程的过程热，即任何一个过程焓值的变化量都和同样温度范围的定压过程焓值变化相同。2、需要精确计算时，按平均比热计算：，此二式为普适式，对一切过程都适用。对于可逆过程，对于理想气体此式适用于定比热可逆过程。考研时易给出式子，要求写明适用状态的，例如：一切过程都适用适用于可逆过程适用定比热理想气体可逆过程。例：体积m3，压力bar，温度℃的空气，经过一热力过程，终态参数为bar，℃，求该热力过程空气的热力学能变化。例：当用水力测功器测定发动机功率时，发动机的功率消耗于搅动测功器中的水，这时水的内能增加，温度升高，一般测功器允许水的温度升高，设发动机的功率为80kW，试求水力测功器所需水的流量。水的。例：有两容器，容器1中有0.3kgO2，kJ/kg，温度为20℃，容器2中有0.2kgCO，kJ/kg，其温度为100℃，假设联通两容器，使两种气体相互混合，试求混合气体的温度。二、熵本节介绍一个新的状态参数——熵。那么熵的定义为：可逆理想气体的熵变计算可逆因为其定义在可逆过程中，故须用可逆过程的方程式。而那么可逆=〔〕可逆=〔〕此二式为微元过程的熵变。对于理想气体，仅与温度有关，仅与比容有关，所以对于一个有限过程：第一计算式第二计算式另一方面，据第三计算式TsTs图下的面积可以直观地表示过程热。例：3kg空气自初态经一可逆过程变化到终态2，。计算工质的熵差。熵差的精确计算：前面得出的三个熵变计算式皆视比热为定值，假设要精确计算，将之关系式代入即可，但是工程上不愿意进行积分计算。工程上，由式来寻求精确计算式，这是因为温度与压力比拟好测定，而比容须用得出。令=，是T的函数，预先把0~任意温度T的积分值算出，列成表格，那么附表中有空气的热力性质表，列出了与绝对T之间的关系表格，附表8，P503。精确计算时，假设工质的初终态压力那么可查表进行计算，反之，假设求出值，还可求出温差。3.4水蒸气的饱和状态和相图饱和状态。饱和状态的压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。饱和温度Ts和饱和压力PS之间必存在单值性关系：或在实际中的应用及表达。临界点。水的临界参数值为：。ABABC固液气A——气固相平衡〔升华〕曲线；B——固液相平衡〔熔解〕曲线；C——气液相平衡〔汽化〕曲线。三相点参数：=273.16K，=611.659Pa液相比体积为m3/kg。3.5水的汽化过程和临界点〔课时15、16〕一、水蒸汽的定压产生过程pp重物活塞加热p加热p加热p加热p加热1．未饱和水的定压饱和阶段末饱和水，具有饱和未饱和水在定压饱和过程中所需的热量，称为液体热，。2．饱和水的定压汽化阶段饱和蒸汽的参数在相应的字母上加“〞例如，湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。湿蒸汽的相应参数加下标“x〞例如，定压汽化阶段结束时的饱和蒸汽又称为干饱和蒸汽〔简称饱和蒸汽〕，比体积变为〔锅炉中气锅内的吸热过程〕。在定压汽化过程中所需的热量称为汽化潜热，用表示。不同成分的湿蒸汽，通常用干度加以区分。干度的定义表达式为式中m——湿蒸汽的质量；mv——湿蒸汽中饱和蒸汽的质量。3．饱和蒸汽的定压过热阶段过热蒸汽。过热度：。过热热量：。水蒸汽的定压产生过程可分为三个阶段，共经历了五种不同的状态，即末饱和水(压缩水或过冷水)、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽及过热蒸汽。每干克水转变成过热蒸汽所需的热量为过程中所作的功量为根据热力学第一定律，有二、水蒸汽的p－v图及T－s图(一)水蒸汽p—v图及T一s图的结构水蒸汽p一v图及T一s图的结构，可以概括为：一个点〔临界点〕；两条线(AC和BC)；三个区〔I、II及III〕。水蒸汽的定压产生过程可概括为：三个阶段及五种状态。(二)水的热力性质与图的结构3.6水和水蒸气的状态参数零点的规定，各种状态下工质参数的计算。3.7水蒸汽表和图明确确定蒸汽状态参数的独立变量一、水蒸汽的热力性质表(一)饱和水及饱和蒸汽的热力性质表饱和水及饱和蒸汽表(按温度排列)的结构饱和水及饱和蒸汽表(按压力排列)的结构如果知道湿蒸汽的干度x，可按以下公式确定湿蒸汽的状态参数：如果除了压力(或者温度)外，还知道湿蒸汽的任意一个状态参数，假设以为例，那么可根据以及已经查得的饱和参数，先将湿蒸汽的干度求出来然后，再按上述公式求出湿蒸汽其余的状态参数。(二)未饱和水及过热蒸汽的热力性质表未饱和水及过热蒸汽表的结构对于表中为列出得参数，一个利用插值法确定，但利用插值法时应注意，不能跨越界限线，假设遇到此种情况应该选用更详细的表。二、水蒸汽的焓熵图焓熵图。水蒸汽h一s图的结构。(一)定压线群通过推导初的定压线群的斜率：掌握定压线群在湿蒸汽区和过热区的特点。(二)定温线群通过推导定温线群的斜率，并与定压线群的斜率比拟，说明二者的联系与区别。例1假设水蒸汽在150℃时，比熵为6.088kJ／(kg·例2试确定压力为1MPa时，温度分别为160℃及200提示①知道压力或温度，只能确定该压力或温度下的饱和状态。eq\o\ac(○,2)假设知道压力和温度，可根据压力查出相应的饱和温度，假设给定的温度低于饱和温度，那么为末饱和水；假设给定的温度高于饱和温度，那么为过热蒸汽；假设给定的温度等于饱和温度，那么必需再给出一个独立变量才能确定状态。eq\o\ac(○,3)假设知道压力或温度，同时还给出一个独立变量(v，h，s等)，可根据压力或温度查出同名变量的饱和参数值，假设给定值为s，且有s＞s〞，那么为过热蒸汽；假设给定值s＜，那么为末饱和水；假设有，那么为湿蒸汽，可先算出干度x，然后再根据干度及饱和参数计算其它的状态参数。例3试用h一s图求以下状态的水蒸汽参数：①5MPa，干度x＝90%；②温度为200℃的干饱和蒸汽；eq\o\ac(○,3)0.1MPa，300℃。并将上述三个状态表示在h一s图上。通过此题掌握用焓熵图确定水蒸气的状态参数。本章小结1、理想气体的概念2、理想气体状态方程式3、理想气体的比热容4、定压比热与定容比热5、四种比热容：6、理想气体过程热量及热力学能、焓和熵变的计算7、水的汽化过程、水和水蒸气的状态参数、水蒸气表和图习题：1、判断分析题理想气体任意两个状态参数确定后，气体的状态就确定了；理想气体的定压比热CP和定容比热CV的差值和比值在任何温度下都是常数；等容过程加热量计算式可适用于任何气体。不管是理想气体还是实际气体,当其对真空作绝热膨胀时,内能的变化工质吸热温度一定升高，放热温度一定降低2、比热容为定值得某理想气体进行一可逆过程1－2，在图上为水平线，过程3－1得焓变和过程3－2得热力学能变化之比为多少？3、理想气体的比定容比热，其中为常数，试导出其热力学能、焓和熵的计算式4、某双原子理想气体在定压下从677℃放热到37h0，p0，，vh0，p0，，v0AB6、刚性绝热容器容积为1m3，内有空气压力为，温度为。将容器与高压输气管〔其中空气压力维持，温度维持〕相联充气，当容器内压力到达时闭上阀门。假设管道及阀门均绝热，求欲在充气过程中保持容积中空气温度为，需向冷却水放出的热量。第4章气体和蒸汽的根本热力过程根本要求：熟练掌握理想气体四种根本过程以及多变过程的初终态根本参数之间的关系；熟练掌握理想气体四种根本过程以及多变过程的热量、功量的计算能将各工程表示在和图上，并能正确利用它们来判断过程的特点。重点与难点热力过程计算公式的掌握；应用和图分析多变过程的特点。4.1理想气体的可逆多变过程〔课时17、18〕一、方法四个典型过程：1.定温过程；2.定容过程；3.定压过程；4.定熵过程。二、研究热力过程的目的研究过程中能量转化关系，重点讨论过程中能量与机械能转换这一核心问题由的初态参数，计算终态参数。三、研究方法根据过程的特点，利用状态方程式及第一定律解析式导出过程方程。在图，图上表示出来。因为图能够清楚地表示出功量为正或负及直观地表示出功量的大小。而图能清楚地表示温度的升高或降低和热量的参加或放出及直观地表示出热量的大小。3、分析状态参数在过程中的变化规律，借助于过程方程并结合状态方程式找出不同状态参数间关系式。从而根据的初态参数求得终态参数，或者反之。4、计算；5、计算过程中的。四、研究前提本章主要讨论理想气体的可逆过程。可逆多变过程的过程方程：由，称为多变指数。上面方程称为多变方程，取不同值，代表不同的过程。说明：1.参数关系可得出与绝热过程完全一致的关系，只不过将换成。那么有：2.过程中的3.过程中的多变过程的比热：假定多变过程有比热，比热为，那么如何求之呢？由熵的定义〔具体式子将在后面给出〕的计算：那么=TsⅠⅡⅡⅠ具体到每一过程，只要值一定，那么比热TsⅠⅡⅡⅠppvⅠⅡⅡⅠ4.2定容过程2T102T10sv2p102、过程方程：3、在压-容图或温-熵图上表示为4、参数关系：〔查理定律〕；5、的计算：6、的计算：，那么；那么由第一定律第一解析式〔对于理想气体、实际气体都适用〕，即定容过程工质不作出膨胀功，加给工质的热量未转变成机械能，而是全部用于增加工质的内能，故定容过程中内能增量等于参加的热量。对于理想气体〔仅适用于理想气体〕；4.3定压过程v2pv2p101T20s2、过程方程：3、在图及图上的表示v2p101T2v2p101T20s对于定压过程应用：，而，而，T12s=；T12s那么当时，定容曲线斜率大于定压曲线斜率，那么有图示。注意图上等容线、定压线的变化趋势。4、参数关系：5、的计算6、的计算=；那么由第一定律第一解析式。s2T101s2T101p20v=04.4定温过程1、过程特点：温度不变2、过程方程：p12v3、在图及p12v注意图上的趋势。4、参数关系：5、的计算：6、的计算：；；〔上面三式只适用于理想气体，因为都只适用于理想气体。〕4.5绝热过程(课时19、20)1、过程特点：过程的每一微元过程；2、过程方程：对于可逆的绝热过程，引入熵的定义：，因为。令，那么，将两边做不定积分得：此式仅适用于定比热理想气体的定熵〔可逆绝热〕过程。称为绝热指数。3、参数关系：过程方程为pvpvTs4、在图及图上的表示；注意绝热过程线与等温线二者陡峭程度。要看陡峭程度，就是看谁的偏微分的绝对值大：定温时，过程方程式为：，那么其全微分为：；pvTsT=consts=constpvTsT=consts=consts=constT=const因为所以，所以绝热过程线较等温过程线更陡。5、过程中的，对于变比热理想气体绝热计算可采用图表法将编制成表，那么变比热绝热计算公式为，给出求时，可以由：，再据，再由计算功。例；空气压气机进口压力1bar，27℃和100bar，压缩过程为可逆绝热，求产生1kg压缩空气所需要消耗的功〔包括进气、排气〕4.6理想气体热力过程综合分析TTs正确地画出多变过程在图上的相对位置，是对过程进行热力分析的根底和先决条件。例如：〔1〕对于的空气，多变压缩过程；〔2〕的吸热过程。解：先画出4个根本热力过程。〔1〕，介于定熵和定温线之间〔确定大致位置〕；过程特征：压缩确定方向。〔2〕0.92，，介于等压、定温线之间；过程特征：吸热〔熵增〕5.过程根本性质的判据6.值确实定假设对一多变过程，其初、终态参数，求及过程功，热量等。解：12T12Tsp1p2其它工程计算如前。真空例：绝热的活塞汽缸装置，用销钉把活塞固定，汽缸内初始状态为，，℃的空气。外界环境压力。今去掉销钉，气体绝热膨胀，求空气膨胀到时空气终态温度，膨胀功及熵差。真空例：一个绝热容器被隔板分成相等的两局部，左侧有某一状态的空气，右侧为真空，抽去隔板，空气绝热膨胀，求空气的熵变。4.7水蒸气的根本过程进行热力分析的目的。注意：1.在计算时，凡涉及到理想气体的公式，如等在计算蒸汽过程时都不能使用。2.至于热力学第一定律和第二定律的根本方程以及参数定义式，如，，，等对蒸汽均适用。分析蒸汽热力过程的一般步骤为：实际应用。例41kg水储存于有负载的活塞—气缸装置中，压力为3MPa、温度为240℃。定压下对工质慢慢加热直到其温度达320C〔1〕举起负载活塞所作的功。〔2〕外界需参加的热量。例50.1kg的水盛于—绝热的刚性容器中，工质的压力为0.3MPa、干度为0.763。一搅拌轮置于容器中，由外面的马达带动旋转，直到水全变为饱和蒸汽。求：〔1〕完成此过程所需的功；〔2〕水蒸气最终的压力和温度。例6汽轮机进汽参数为＝3MPa、＝450℃，蒸汽在汽轮机中绝热膨胀到＝5kPa后排入冷凝器。求：〔1〕可逆绝热膨胀时蒸汽的终参数及汽轮机所作的功。〔2〕假设蒸汽在汽轮机中为不可逆绝热膨胀，引起的墒产为0.2kJ／(kg·K)，问汽轮机作的功为多少?p0p1p0p1如容器爆炸，刚性容器内工质就快速由1.0MPa可逆绝热膨胀到0.1MPa，工过程中做功量为：比拟二者所作的膨胀功即可。习题课一、判断分析题：绝热过程中气体与外界无热量交换，不能对外做功，否那么违反热力学第一定律。mkg理想气体从压力(bar),容积V1(m3)，以可逆定温过程膨胀到V2(m3)，过程的容积功为：。不可逆过程无法在T－s图上表示,也无法计算其熵的变化。定比热理想气体CO2(绝热指数=1.29)进行n=1.35的膨胀过程时，吸热，熵增加。空气进行一多变过程，当多变指数n=1.2时,空气的比热为负值。一热力系统不能经历一等温、等容过程。=定值的过程不一定是等温过程。气体工质的比热可能是正值、负值、零或无穷大。气体工质吸热一定膨胀。10、气体工质的定温过程Q=W。二、将以下过程在图上表示出来升压、升温、放热膨胀、降温、放热膨胀、放热膨胀、升压压缩、升温、吸热压缩、降温、降压放热、降温、升压＝＝＝＝k＝1＝0Ts第5章热力学第二定律〔通过热力学第一定律在热工分析中的作用及其局限性，引出热力学第二定律〕热力学第一定律解决的问题；热力学第一定律的局限性；热力学第二定律解决的问题。一、根本要求深刻领会热力学第二定律的实质，认识能量不仅有“量〞的多少，而且还有“质〞的上下。掌握卡诺定理。掌握熵的意义、计算和应用。掌握孤立系统和绝热系统熵增的概念及其计算，从而明确能量损耗的计算方法。了解用的概念及其计算。学会用熵分析法或用分析法对热力过程进行热工分析，认识提高能量利用经济性的途径和方法。二、难点与重点重点：深刻领会热力学第二定律的实质，认识能量不仅有“量〞的多少，而且还有“质〞的上下；并初步学会利用可用能来计算和衡量能量的质；掌握卡诺定理的理论及对实际循环的指导意义；牢固掌握熵的意义、计算和应用。难点：热力学第二定律的实质；熵参数及过程判据。5.1热力学第二定律〔课时21、22〕第一定律——热量和机械能相互转换时在数量上的关系第二定律——过程进行的方向、条件和深度一、自然过程的方向性自发地、无条件地进行的过程：eq\o\ac(○,1)机械能和功，可以无条件地变为热能；〔电搅拌器、压气机〕eq\o\ac(○,2)高温物质向低温物质的传热也是无条件地进行的〔传导、热辐射〕；eq\o\ac(○,3)高压气体低压膨胀也是无条件的〔高压储气罐泄漏，有压气体向真空膨胀〕；eq\o\ac(○,4)扩散、混合、燃烧、电阻发热等都是无条件的〔不同状态气体的混合，电加热器〕。高温热源低温热源高温热源低温热源热动力装置q1q2w0例如：eq\o\ac(○,1)热机的正向循环：其经济性常用热效率来衡量，即：〔可逆和不可逆皆适用〕。〔〕。注意，此处我们用的是绝对值。愈大，即吸入同样的热量时得到的循环功愈多。它说明循环的经济性愈高。高温热源低温热源热泵、制冷机q1q2高温热源低温热源热泵、制冷机q1q2Wnet低温向高温传热的非自发过程伴随着一自发过程〔功转换为热〕作为补充条件。制冷机和热泵：制冷机。制冷系数：热泵。热泵系数为：对于制冷机可大于1，也可小于1，而热泵的热泵系数必定大于1。而正循环的热效率总小于1。热过程具有方向性。二、热力学第二定律的几种说法1、Clausius说法：在这一表述中一定要注意限制条件，热可以由低温物体通过制冷或热泵装置传递到高温物体，但这非自发的，在过程中是以消耗功或热量为代价的。2、Kelvin说法：高温热源T1低温热源T2高温热源T1低温热源T2Q1Q2WnetQ2E高温热源T1低温热源T2RQ1Q2Q2EW思考题：有人说，理想气体在定温过程中，从热源吸入的热量可以全部转化为功，是否矛盾。Clausius和Kelvin说法等效性的论证。5.2卡诺循环和多热源可逆循环分析δδq=0δq=0q1q2T2T1dabcpv一、卡诺循环eq\o\ac(○,1)在恒温热源之间工作的可逆循环。eq\o\ac(○,2)两个定温过程，两个可逆绝热过程在图图上可表示为：效率：=q1q2q1q2T2T1dabcTs结论。卡诺循环及其热效率公式的意义。实际过程中实现的难度。二、概括性卡诺循环eq\o\ac(○,1)在恒温热源之间工作的可逆循环。eq\o\ac(○,2)两个可逆定温过程，两个同类型的其他可逆过程〔理想气体时，多变指数相同〕在图上可表示为。回热。概括性卡诺循环的热效率：==3214逆卡诺循环563214逆卡诺循环56总的吸热量为：，放热量为，那么热效率降低。所以回热是提高热效率的一种行之有效的方法〔习题2采用极限回热和不采用回热时的热效率〕。三、逆向卡诺循环逆卡诺循环。T1bsT1bsaTl1T1snm2ABdelcCDgT2供暖系数：四、多热源的可逆循环一般循环热效率为：引入平均吸热温度和平均放热温度的概念，〔强调平均吸热温度、平均放热温度的定义式，必须掌握〕那么平均吸热温度、平均放热温度引入的意义5.3卡诺定理不可逆机Q2A不可逆机Q2AWA-WBQ1可逆机Q2BWBQ1WA高温热源T1低温热源T2Q1Q2BWBQ2BAQ1Q2A高温热源T1低温热源T2Q1Q2BWBQ2BAWA-WBQ1Q2A定理一：证明〔在这里要引导学生学会利用反证法证明根本热力学定理〕。定理二〔利用卡诺循环和概括性卡诺循环的分析结论引出〕证明〔证明时引导学生进一步认识可逆的概念〕卡诺定理的重要意义，热效率方面的重要结论：1、在两个热源间工作的一切可逆循环，他们的热效率都相同，与工质性质无关，只决定于热源和冷源的外呢度，热效率都可表示为：=2、温度界限相同，但具有两个以上热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环。3、不可逆循环的热效率比小于同样条件下的可逆循环的热效率。4卡诺定理指出了热效率的极限值，这一极限值仅与热源及冷源的温度有关。由于都不可能，因此热机热效率恒小于1。5提高热效率的根本途径在于提高热源温度，降低冷源温度，以及尽可能减少不可逆因素。6由于不花代价的低温热源的温度为大气环境温度，那么温度为的热源放出的热量最多只能有可以转变为功。无论如何也不可能转化为功。这就提示了热变功的极限。5.4熵、热力学第二定律的数学表达式〔课时23、24〕aabcdpvababcdTs利用可逆微卡诺循环的研究结果作得到1-代数式的回归：有个卡诺循环，每一个都成立，积分，那么可：引出熵参数的性质状态参数。二、热力学第二定律的数学表达式对于可逆循环有克劳修斯积分等式，对于不可逆循环又入如何呢？ababcdTs利用卡诺定理二得出：1-那么积分克劳修斯不等式。那么综合克劳修斯等式可得：。此为用于判断循环过程是否可逆的热力学第二定律的数学表达式。且abab21Ts〔由熵是状态参数推出，熵的定义〕即可逆过程对不可逆过程又如何呢？利用熵为状态参数的特点推导与熵的定义式一起可归并为：或此为判断热力过程是否可逆或能否实现的判据。凡讨论和分析不可逆过程和循环的特性问题，如过程进行的方向，不可逆过程的判定等，应由不等式出发，有关可逆过程和循环的问题，应由等式出发。例5.1有一制冷循环，从温度为-20℃的恒温冷源中吸热180kJ，向温度为20解法一：由制冷系数判断，由于同温限的逆向循环中，逆向卡诺循环的制冷系数最大，所以，即：解法二：涉及到循环能否实现的问题，故可尝试用克劳修斯积分判据来判断：3、相对熵和熵变量计算相对熵。理想气体的基准点为标准状态，即：理想气体：0.101325MPa，273.15K时，；水和水蒸气取三相点时液态水的熵为0，即：MPa，273.16K时，，。熵变结果计算。对于固体和液体的熵变或假设过程出现相变〔此处让学生接受热力参量的变化可根据过程特点分段计算〕，如工质为水：过冷水—饱和水——饱和蒸汽——过热蒸汽〔定压过程〕2：=；3：；3—4：=那么：++。5.5熵方程按照一般方程式推导，重点引入孤立系统熵增原理应用。1a2bTs1a2bTs一、闭口系统的熵方程分析。可正可负，看的正负，吸热，放热。二、开口系〔控制体积〕熵方程〔分清控制体熵变和进出口熵变〕或+热熵流质熵流熵产可见：控制体积的熵变=熵产+熵流在有限时间内：注意：1=，为过程量，所以为过程量；=，为过程量，所以为过程量。相同的初、终态不同的过程，，可以不同，但综合效应，却相同。2对于稳定流动：，那么稳定流动熵方程为：有限时间内：1kg工质：；对于绝热系：5.6孤立系统熵增原理〔课时25、26〕将过程判据应用于绝热系统，可逆绝热过程，故称为定熵过程；p1pp1p2Ts2s2汽轮机p2p1Ts1压气机122s即不可逆的绝热过程中，工质的熵一定增大。一、孤立系熵增原理：应用过程判据于孤立系：对于微元过程：说明：孤立系内部发生不可逆变化时，孤立系的熵增大，；发生可逆变化时，孤立系的熵不变，；使孤立系的熵减少的过程不可能实现。孤立系的熵是组成