工程热力学全册配套完整课件4

工程热力学全册配套完整课件42第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1热能和机械能相互转换过程1-2热力系统1-3工质的热力学状态及其基本状态参数1-4平衡状态1-5工质的状态变化过程1-6功和热量1-7热力循环3一、热能动力装置(Thermalpowerplant)

定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热

气体动力装置(combustiongaspowerplant)

内燃机(internalcombustiongasengine)

燃气轮机装置(gasturbinepowerplant)

喷气发动机(jetpowerplant)……

蒸气动力装置

(steampowerplant)1-1热能和机械能相互转换的过程4二、工质(workingsubstance;workingmedium)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求:物质三态中气态最适宜。

1）膨胀性

2）流动性

3）热容量

4）稳定性，安全性

5）对环境友善

6）价廉，易大量获取5三、热源(heatsource;heatreservoir)

定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。•高温热源—热源

（

heatsource）低温热源—冷源（heatsink）•恒温热源(constantheatreservoir)

变温热源61-2热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界•

系统(thermodynamicsystem,system)

人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。•

外界(surrounding)：与体系发生质、能交换的物系。•

边界(boundary)：系统与外界的分界面（线）。一、定义7二、系统及边界示例•汽车发动机8•汽缸-活塞装置（闭口系例）9•移动和虚构边界101）系统与外界的人为性

2）外界与环境介质

3）边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的注意：11三、热力系分类

按组元数

单元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)

多元系(multicomponentsystem)按相数单相系(homogeneoussystem)

复相系(heterogeneoussystem)注意：1）不计恒外力场影响；

2）复相系未必不均匀—湿蒸汽；单元系未必均匀—气液平衡分离状态。

1.按组元和相12

闭口系（closedsystem）

（控制质量CM）

—没有质量越过边界

开口系（opensystem）

（控制体积CV）

—通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换13

1）闭口系与系统内质量不变的区别；

2）开口系与绝热系的关系；

3）孤立系与绝热系的关系。注意：4.简单可压缩系（simplecompressiblesystem）

—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。绝热系（adiabaticsystem）—

与外界无热量交换;

孤立系（isolatedsystem）—

与外界无任何形式的质能交换。3.按能量交换14四、热力系示例1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝

红线内——闭口绝热系黄线内不包含电热丝——闭口系黄线内包含电热丝——闭口绝热系兰线内——孤立系15闭口系2．刚性绝热喷管取红线为系统—取喷管为系统—开口系绝热系?16３．A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”ABA部落为系统A+B部落为系统—孤立系—闭口系171-3工质的热力学状态和基本状态参数

热力学状态（stateofthermodynamicsystem）

—系统宏观物理状况的综合

状态参数（stateproperties）

—描述物系所处状态的宏观物理量

1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如一、热力学状态和状态参数二、状态参数的特性和分类182．状态的单值函数。物理上—与过程无关；数学上—其微量是全微分。3．状态参数分类

广延量（extensiveproperty）

强度量（intensiveproperty

）

又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。19三、系统状态相同的充分必要条件

系统两个状态相同的充要条件：

所有状态参数一一对应相等简单可压缩系两状态相同的充要条件：

两个独立的状态参数对应相等20四、温度和温标（temperatureandtemperaturescale）

温度的定义：测温的基础—热力学零定律

(zerothlawofthermodynamics)

热力学温标和国际摄氏温标

(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale)21华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+3222五、压力(pressure)绝对压力p(absolutepressure)表压力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)当地大气压pb(localatmosphericpressure)23常用压力单位：例A4001441例A400277124六、比体积和密度比体积(specificvolume)单位质量工质的体积密度(density)单位体积工质的质量两者关系:251-4平衡状态1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态•热平衡（thermalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处温度相等。•力平衡（mechanicalequilibrium）：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力相等。•热力平衡的充要条件

—系统同时达到热平衡和力平衡。一、平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）26讨论：1）系统平衡与均匀2）平衡与稳定—平衡可不均匀—稳定未必平衡27*二、状态公设（statepostulate）n—系统独立的状态参数数；f—系统与外界交换功形式数。简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式28三、纯物质的状态方程（puresubstancestateequation）状态方程1．理想气体状态方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）Rg—气体常数（gasconstant）R—通用气体常数（universal(molargasconstant)摩尔质量29２．实际气体(realgas;imperfectgas)的状态方程范德瓦尔方程（a,b为物性常数）R-K方程（a,b为物性常数）30BWR方程维里型方程31四、状态参数坐标图（parametriccoordinates）

一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO32附：纯物质的p-v-T图33水p-v-T图34一、准静态过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。进行条件：

破坏平衡的势—

过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小1-5工质的状态变化过程35二、可逆过程(reversibleprocess)定义：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化的过程。可逆过程与准静态过程的关系非准静态不可逆准静态可逆●单纯传热过程36非准静态过程

(nonequilibriumprocess)准静态过程，不可逆准静态过程，可逆●作功过程pFfpb371.可逆=准静态+没有耗散效应

2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果

3.一切实际过程不可逆

4.内部可逆过程的概念

5.可逆过程可用状态参数图上实线表示

讨论：38一、功(work)的定义和可逆过程的功

1．功的力学定义

2．功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。3．可逆过程功的计算▲功是过程量▲功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示1-6功和热量39

系统对外作功为“+”

外界对系统作功为“-”5．功和功率的单位：附：4．功的符号约定：406．讨论有用功(usefulwork)概念其中:

W—膨胀功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大气功。pbf例A700133141用外部参数计算不可逆过程的功?42二、广义功(generalizedwork)简介弹性力功表面张力功

电极化功及磁化功等43三、热量（heat）1．定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。2．符号约定：系统吸热“+”；放热“-”3．单位：

4．计算式及状态参数图热量是过程量（T-s图上）表示44四、热量与功的异同：

1.均为通过边界传递的能量；

3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；

4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。功2.均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。45思考题：容器为刚性绝热，抽去隔板，重又平衡，过程性质。逐个抽去隔板，又如何？461-7热力循环一、定义：

封闭的热力过程特性：一切状态参数恢复原值，即二、可逆循环与不可逆循环(reversiblecycleandirreversiblecycle)47三、动力循环（正向循环）（powercycle;directcycle）输出净功；在p－v图及T－s图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。48四、逆向循环(reversecycle)

▲制冷循环(refrigerationcycle)

▲热泵循环(heat-pumpcycle)

一般地讲：输入净功；在状态参数图逆时针运行；吸热小于放热。49

动力循环：热效率(thermalefficiency)逆向循环：制冷系数(coefficientofperformancefortherefrigerationcycle)供暖系数(coefficientofperformancefortheheat-pumpcycle)五、循环经济性指标：下一章50

第二章热力学第一定律

Firstlawofthermodynamics2–1热力学第一定律的实质2-2热力学能（内能）和总能2–3热力学第一定律基本表达式2–4闭口系基本能量方程式2–5开口系能量方程512–1

热力学第一定律的实质一、第一定律的实质

能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二、第一定律的表述

热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。522–2热力学能（内能）和总能一、热力学能(internalenergy)UchUnuUthUk平移动能转动动能振动动能Up—二、总（储存）能(totalstoredenergyofsystem)总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能53三、热力学能是状态参数

测量p、V、T可求出四、热力学能单位

五、工程中关心宏观动能与内动能的区别542–3热力学第一定律基本表达式

加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dE55或EE+dE562–4闭口系基本能量方程式

闭口系，

忽略宏观动能Uk和位能Up，第一定律第一解析式—功的基本表达式热57讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。58例自由膨胀如图，解：取气体为热力系

—闭口系？开口系？强调：功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求?例A4302661例A430377159归纳热力学解题思路1）取好热力系;2）计算初、终态;3）两种解题思路从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。602–5开口系能量方程一、推动功(flowwork;flowenergy)和流动功(flowwork;flowenergy)推动功：系统引进或排除工质传递的功量。pvp1v11o61流动功：系统维持流动所花费的代价。推动功在p-v图上：62二、焓(enthalpy)定义：H=U+pV

h=u+pv单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。63三、稳定流动能量方程(steady-flowenergyequation)稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。2）ΔECV=0，ΔSCV=0，ΔmCV=0ּ···

64流入系统的能量:流出系统的能量:系统内部储能增量:ΔECV–=考虑到稳流特征：ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

65讨论：1）改写式（B）为式（C）热能转变成功部分输出轴功流动功机械能增量（C）662）技术功(technicalwork)—由式（C）技术上可资利用的功wt可逆过程673)第一定律第二解析式1)通过膨胀，由热能2)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中能量方程才用焓。4）两个解析式的关系功，w=q–Δu总之：可逆68四、稳定流动能量方程式的应用1.蒸汽轮机、气轮机(steamturbine、gasturbine)

流进系统：

流出系统：内部储能增量：0692.压气机，水泵类(compressor，pump)流入流出内部贮能增量0703.换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger:boiler、heateretc.)71

流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差724.管内流动流入：流出：内增：073例A4312661例A4322661例A4332771例A433377174归纳：

1）开口系问题也可用闭口系方法求解。

2）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面变形时需考虑功的交换。

3）例A4333771中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？

——解法三即可认为是这种情况，故无影响。

4）若A4333771活塞为绝热材料制造，若活塞下有弹簧，若···

···如何？下一章75第三章气体和蒸气的性质Propertiesofgasandvapor3-1理想气体3-2理想气体的比热容3-3理想气体的热力学能、焓和熵3-4饱和状态、饱和温度和饱和压力3-5水的定压加热汽化过程3-6水和水蒸气状态参数3-7水蒸气图表和图763-1理想气体分子为不占体积的弹性质点除碰撞外分子间无作用力理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。一、理想气体(perfectgasoridealgas)的基本假设Pam3kg气体常数,单位为J/(kg·K)KR=MRg=8.3145J/(mol·K)二、理想气体的状态方程(ideal-gasequation)77

考察按理想气体状态方程求得的空气在表列温度、压力条件下的比体积v，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06J/(kg·K)计算依据相对误差=78（1）温度较高，随压力增大，误差增大;（2）虽压力较高，当温度较高时误差还不大，但温度较低，则误差极大;（3）压力低时，即使温度较低误差也较小。本例说明：低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。例A411133讨论理想气体状态方程式793–2理想气体的比热容一、比热容(specificheat)定义和分类定义：c与过程有关c是温度的函数分类：按物量质量热容（比热容）cJ/(kg·K)(specificheatcapacityperunitofmass)体积热容C'J/（Nm3·K）(volumetricspecificheatcapacity)摩尔热容CmJ/（mol·K）(molespecificheatcapacity)注：Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。80按过程质量定压热容（比定压热容）(constantpressurespecificheatcapacityperunitofmass)质量定容热容（比定容热容）(constantvolumespecificheatcapacityperunitofmass)及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式812.cV定容过程

dv=0若为理想气体温度的函数代入式（A）得比热容的一般表达式823.cp据一般表达式若为理想气体cp是温度函数834.cp-cV迈耶公式（Mayer’sformula）5.讨论1)cp与cV均为温度函数,但cp–cV恒为常数：Rg842)(理想气体)cp恒大于cV物理解释:85定容0定压b与c温度相同，均为(T+1)K而86c)气体常数Rg的物理意义Rg是1kg某种理想气体定压升高1K对外作的功。三、理想气体的比热容比

(specificheatratio；ratioofspecificheatcapacity)注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数

(adiabaticexponent;isentropicexponent)例A90235587三、利用比热容计算热量原理:

对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:

真实比热容积分利用平均比热表利用平均比热直线定值比热容881.利用真实比热容(truespecificheatcapacity)积分2.利用平均比热容表(meanspecificheatcapacity)T1,T2均为变量,制表太繁复=面积amoda-面积bnodb附表489而由此可制作出平均比热容表附表590附:线性插值913.平均比热直线式

令cn=a+bt,则即为区间的平均比热直线式

1)t的系数已除过22)t需用t1+t2代入注意:附表6924.定值比热容(invariablespecificheatcapacity)

据气体分子运动理论，可导出多原子误差更大93单原子气体

i=3双原子气体

i=5多原子气体

i=6943–3理想气体热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数2)一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力95讨论：

如图：0096若为任意工质??

对于理想气体一切同温限之间的过程Δu及Δh相同,且均可用cV

ΔT及cpΔT计算;

对于实际气体Δu及Δh不仅与ΔT有关,还与过程有关且只有定容过程Δu=cVΔT,定压过程Δh=cp

ΔT。2.热力学能和焓零点的规定

可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取0K。97二、利用气体热力性质表计算热量例A411197附表7例A41327798三、理想气体的熵(entropy)1.定义2.理想气体的熵是状态参数99定比热1003.零点规定:通常取标准状态下气体的熵为零4.理想气体变比热熵差计算令则制成表则附表7例A9101331例A4111551例A41115521013–4饱和状态、饱和温度和饱和压力一、汽化和液化(vaporizationandliquefaction)汽化：由液态到气态的过程蒸发：在液体表面进行的汽化过程液化：由气相到液相的过程沸腾：在液体表面及内部进行的强烈汽化过程。102二、饱和状态(Saturatedstate)

当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量—饱和状态。饱和状态的温度—饱和温度，ts(Ts)(Saturatedtemperature)

饱和状态的压力—饱和压力，ps（Saturatedpressure）

加热，使温度升高如t'，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps'。所以一一对应，只有一个独立变量，即如103t/℃02050100120150p/MPa0.00061120.00233850.01234460.10133250.1984830.47571104

三、几个名词

饱和液(saturatedliquid)—处于饱和状态的液体：t=ts

干饱和蒸汽(dry-saturatedvapor;dryvapor)—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液(unsaturatedliquid)

—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽(superheatedvapor)

—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,t–ts=d称过

热度(degreeofsuperheat)。

湿饱和蒸汽(wet-saturatedvapor;wetvapor)

—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：105干度（dryness）（湿度

y=1–x）x01饱和液湿饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。106四、饱和状态压力和温度的关系1.吉布斯相律对于多元（如k个组元）多相（如f个相）元化学反应的热力系，其独立参数，即自由度n=k–f+2

例：水在液相（或固相、气相）k=1，F=1，故n=1-1+2，此时压力，温度均可独立变化。水在汽液共存时k=1，f=2，故n=1，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：k=1，f=3故n=0

水的三相点(triplepint)：?1072.克拉贝隆方程

分别为汽化潜热(heatofvaporization)、熔解热(heatoffusion)和升华热(heatofsublimation)。分析：1）因γ、λ、σ为“+”；T为“+”；故相平衡线斜率正负由体积差决定；

2）三相点处不光滑。108预热汽化过热t<tst=tst=tst=tst>ts3–5水定压加热汽化过程一、水定压加热汽化过程109二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图一点临界点Criticalpoint两线上界限线下界限线三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽110各种工质均具有类似水的性质1113–6水和水蒸气状态参数

●水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算机计算）或查图表确定。●在动力工程中水蒸气不宜利用理想气体性质计算112一、零点规定规定：三相点液态水热力学能及熵为零可近似为零113二、未饱和水（t，p）●查图表或由专用程序计算三、饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)

查图表或由专用程序计算●压力不太高时，可近似四、过热蒸汽（p，t）注意：过热蒸汽不可用类似未饱和水的近似式，因cp变化复杂。查图表或由专用程序计算。114五、湿饱和蒸汽由ts（或ps）与x共同确定：x较大时未饱和水过热蒸汽湿饱和蒸汽1153–7水蒸气表和图一、水蒸气表

1.饱和水和干饱和蒸汽表1162.未饱和水和过热蒸汽表p0.001MPa0.005MPa0.01MPa饱和参数ts=6.949℃v’=0.0010001,v”=129.185h’=29.21,h”=2513.3s’=0.1056,s”=8.9735ts=32.879℃v’=0.0010053,v”=28.191h’=137.72,h”=2560.6s’=0.4761,s”=8.3930ts=45.799℃v’=0.0010103,v”=14.673h’=191.76,h”=2583.7s’=0.6490,s”=8.1481tvhsvhsvhs℃m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)00.0010002-0.05-0.00020.00100020.0010003-0.05-0.00020.0010002-0.04-0.000210130.5982519.08.993842.010.15100.001000342.010.151020135.2262537.79.05880.001001883.870.29630.001001883.870.296340144.4752575.29.182328.8542574.08.43660.001009167.510.572350149.0962593.99.241229.7832592.98.496114.8692591.88.173260153.7172612.79.298430.7122611.88.553715.3362610.88.231380162.9562650.39.408032.5662649.78.663916.2682648.98.3422100172.1922688.09.512034.4182687.58.768217.1962686.98.4471120181.4262725.99.610936.2692725.58.867418.1242725.18.5466117二、水蒸气的焓—熵（h-s）图●水蒸气的t–s图118●焓熵图斜率定压线定温线定容线定干度线1191201）定压线群湿蒸汽区，T=Ts，直线过热蒸汽区，斜率随T增大而增大01212）定温线群湿蒸汽区：直线，与等压线重合过热蒸汽区：等温线较等压线平坦，低压时趋于水平。体积膨胀系数1223）等容线群4）等干度线等容线比等压线陡等熵条件1233–8水和水蒸气热力性质程序简介

目前，多数软件采用IFC公式，适用范围：273.16~1073.15K；0~100MPa；将整个区域分成6个子区域，用不同的公式描述，它们的边界线也用不同的函数表达。1241997年,国际水和蒸汽性质协会（IAPWS）推出IAPWS-IF97作为水和水蒸汽热力学性质的国际工业标准，适用范围为：273.15K≤T≤1073.15K，p≤100MPa；1073.15K＜T≤2273.15Kp≤10MPa。IAPWS-IF97将此有效范围分为5个计算子区域：1—未饱和水区，2—过热蒸汽区，3—临界水和临界蒸汽区，4—饱和区，5—超高温（过热）蒸汽区。

严家騄教授推算出统一公式，满足新骨架表的要求。张喻研究员研制了科学研究用水和水蒸气热力性质程序。125例A122233例A8221552例A422155例A4221661下一章126第三章气体和蒸气的性质Propertiesofgasandvapor3-1理想气体3-2理想气体的比热容3-3理想气体的热力学能、焓和熵3-4饱和状态、饱和温度和饱和压力3-5水的定压加热汽化过程3-6水和水蒸气状态参数3-7水蒸气图表和图1273-1理想气体分子为不占体积的弹性质点除碰撞外分子间无作用力理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。一、理想气体(perfectgasoridealgas)的基本假设Pam3kg气体常数,单位为J/(kg·K)KR=MRg=8.3145J/(mol·K)二、理想气体的状态方程(ideal-gasequation)128

考察按理想气体状态方程求得的空气在表列温度、压力条件下的比体积v，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06J/(kg·K)计算依据相对误差=129（1）温度较高，随压力增大，误差增大;（2）虽压力较高，当温度较高时误差还不大，但温度较低，则误差极大;（3）压力低时，即使温度较低误差也较小。本例说明：低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。例A411133讨论理想气体状态方程式1303–2理想气体的比热容一、比热容(specificheat)定义和分类定义：c与过程有关c是温度的函数分类：按物量质量热容（比热容）cJ/(kg·K)(specificheatcapacityperunitofmass)体积热容C'J/（Nm3·K）(volumetricspecificheatcapacity)摩尔热容CmJ/（mol·K）(molespecificheatcapacity)注：Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。131按过程质量定压热容（比定压热容）(constantpressurespecificheatcapacityperunitofmass)质量定容热容（比定容热容）(constantvolumespecificheatcapacityperunitofmass)及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式1322.cV定容过程

dv=0若为理想气体温度的函数代入式（A）得比热容的一般表达式1333.cp据一般表达式若为理想气体cp是温度函数1344.cp-cV迈耶公式（Mayer’sformula）5.讨论1)cp与cV均为温度函数,但cp–cV恒为常数：Rg1352)(理想气体)cp恒大于cV物理解释:136定容0定压b与c温度相同，均为(T+1)K而137c)气体常数Rg的物理意义Rg是1kg某种理想气体定压升高1K对外作的功。三、理想气体的比热容比

(specificheatratio；ratioofspecificheatcapacity)注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数

(adiabaticexponent;isentropicexponent)例A902355138三、利用比热容计算热量原理:

对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:

真实比热容积分利用平均比热表利用平均比热直线定值比热容1391.利用真实比热容(truespecificheatcapacity)积分2.利用平均比热容表(meanspecificheatcapacity)T1,T2均为变量,制表太繁复=面积amoda-面积bnodb附表4140而由此可制作出平均比热容表附表5141附:线性插值1423.平均比热直线式

令cn=a+bt,则即为区间的平均比热直线式

1)t的系数已除过22)t需用t1+t2代入注意:附表61434.定值比热容(invariablespecificheatcapacity)

据气体分子运动理论，可导出多原子误差更大144单原子气体

i=3双原子气体

i=5多原子气体

i=61453–3理想气体热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数2)一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力146讨论：

如图：00147若为任意工质??

对于理想气体一切同温限之间的过程Δu及Δh相同,且均可用cV

ΔT及cpΔT计算;

对于实际气体Δu及Δh不仅与ΔT有关,还与过程有关且只有定容过程Δu=cVΔT,定压过程Δh=cp

ΔT。2.热力学能和焓零点的规定

可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取0K。148二、利用气体热力性质表计算热量例A411197附表7例A413277149三、理想气体的熵(entropy)1.定义2.理想气体的熵是状态参数150定比热1513.零点规定:通常取标准状态下气体的熵为零4.理想气体变比热熵差计算令则制成表则附表7例A9101331例A4111551例A41115521523–4饱和状态、饱和温度和饱和压力一、汽化和液化(vaporizationandliquefaction)汽化：由液态到气态的过程蒸发：在液体表面进行的汽化过程液化：由气相到液相的过程沸腾：在液体表面及内部进行的强烈汽化过程。153二、饱和状态(Saturatedstate)

当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量—饱和状态。饱和状态的温度—饱和温度，ts(Ts)(Saturatedtemperature)

饱和状态的压力—饱和压力，ps（Saturatedpressure）

加热，使温度升高如t'，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps'。所以一一对应，只有一个独立变量，即如154t/℃02050100120150p/MPa0.00061120.00233850.01234460.10133250.1984830.47571155

三、几个名词

饱和液(saturatedliquid)—处于饱和状态的液体：t=ts

干饱和蒸汽(dry-saturatedvapor;dryvapor)—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液(unsaturatedliquid)

—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽(superheatedvapor)

—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,t–ts=d称过

热度(degreeofsuperheat)。

湿饱和蒸汽(wet-saturatedvapor;wetvapor)

—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：156干度（dryness）（湿度

y=1–x）x01饱和液湿饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。157四、饱和状态压力和温度的关系1.吉布斯相律对于多元（如k个组元）多相（如f个相）元化学反应的热力系，其独立参数，即自由度n=k–f+2

例：水在液相（或固相、气相）k=1，F=1，故n=1-1+2，此时压力，温度均可独立变化。水在汽液共存时k=1，f=2，故n=1，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：k=1，f=3故n=0

水的三相点(triplepint)：?1582.克拉贝隆方程

分别为汽化潜热(heatofvaporization)、熔解热(heatoffusion)和升华热(heatofsublimation)。分析：1）因γ、λ、σ为“+”；T为“+”；故相平衡线斜率正负由体积差决定；

2）三相点处不光滑。159预热汽化过热t<tst=tst=tst=tst>ts3–5水定压加热汽化过程一、水定压加热汽化过程160二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图一点临界点Criticalpoint两线上界限线下界限线三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽161各种工质均具有类似水的性质1623–6水和水蒸气状态参数

●水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算机计算）或查图表确定。●在动力工程中水蒸气不宜利用理想气体性质计算163一、零点规定规定：三相点液态水热力学能及熵为零可近似为零164二、未饱和水（t，p）●查图表或由专用程序计算三、饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)

查图表或由专用程序计算●压力不太高时，可近似四、过热蒸汽（p，t）注意：过热蒸汽不可用类似未饱和水的近似式，因cp变化复杂。查图表或由专用程序计算。165五、湿饱和蒸汽由ts（或ps）与x共同确定：x较大时未饱和水过热蒸汽湿饱和蒸汽1663–7水蒸气表和图一、水蒸气表

1.饱和水和干饱和蒸汽表1672.未饱和水和过热蒸汽表p0.001MPa0.005MPa0.01MPa饱和参数ts=6.949℃v’=0.0010001,v”=129.185h’=29.21,h”=2513.3s’=0.1056,s”=8.9735ts=32.879℃v’=0.0010053,v”=28.191h’=137.72,h”=2560.6s’=0.4761,s”=8.3930ts=45.799℃v’=0.0010103,v”=14.673h’=191.76,h”=2583.7s’=0.6490,s”=8.1481tvhsvhsvhs℃m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)00.0010002-0.05-0.00020.00100020.0010003-0.05-0.00020.0010002-0.04-0.000210130.5982519.08.993842.010.15100.001000342.010.151020135.2262537.79.05880.001001883.870.29630.001001883.870.296340144.4752575.29.182328.8542574.08.43660.001009167.510.572350149.0962593.99.241229.7832592.98.496114.8692591.88.173260153.7172612.79.298430.7122611.88.553715.3362610.88.231380162.9562650.39.408032.5662649.78.663916.2682648.98.3422100172.1922688.09.512034.4182687.58.768217.1962686.98.4471120181.4262725.99.610936.2692725.58.867418.1242725.18.5466168二、水蒸气的焓—熵（h-s）图●水蒸气的t–s图169●焓熵图斜率定压线定温线定容线定干度线1701711）定压线群湿蒸汽区，T=Ts，直线过热蒸汽区，斜率随T增大而增大01722）定温线群湿蒸汽区：直线，与等压线重合过热蒸汽区：等温线较等压线平坦，低压时趋于水平。体积膨胀系数1733）等容线群4）等干度线等容线比等压线陡等熵条件1743–8水和水蒸气热力性质程序简介

目前，多数软件采用IFC公式，适用范围：273.16~1073.15K；0~100MPa；将整个区域分成6个子区域，用不同的公式描述，它们的边界线也用不同的函数表达。1751997年,国际水和蒸汽性质协会（IAPWS）推出IAPWS-IF97作为水和水蒸汽热力学性质的国际工业标准，适用范围为：273.15K≤T≤1073.15K，p≤100MPa；1073.15K＜T≤2273.15Kp≤10MPa。IAPWS-IF97将此有效范围分为5个计算子区域：1—未饱和水区，2—过热蒸汽区，3—临界水和临界蒸汽区，4—饱和区，5—超高温（过热）蒸汽区。

严家騄教授推算出统一公式，满足新骨架表的要求。张喻研究员研制了科学研究用水和水蒸气热力性质程序。176例A122233例A8221552例A422155例A4221661下一章177第五章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics5-1热力学第二定律5-2卡诺循环和卡诺定理5–3熵和热力学第二定律的数学表达式5–4熵方程与孤立系统熵增原理5-5系统的作功能力（火用）及熵产与作功能力损失5-6火用平衡方程及火用损失1785–1热力学第二定律一、自发过程的方向性只要Q'不大于Q，并不违反第一定律QQ'?179重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向电流？只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。180归纳：1）自发过程有方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的实质是能质有差异无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能不可转换能—环境介质的热力学能181能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件—补偿过程，其总效果是总体能质降低。代价代价182二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而

不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述的等效性T1

失去Q1–Q2T2

无得失热机净输出功Wnet=Q1–Q2183三.关于第二类永动机理想气体可逆等温膨胀环境一个热源?吸收热量全部转变成功?例例A3441551845–2卡诺循环和卡诺定理一、卡诺循环及其热效率

1.卡诺循环是两个热源的可逆循环1852.卡诺循环热效率??186187讨论：2）3）第二类永动机不可能制成。

4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：

a）一切过程不可逆；

b）气体实施等温吸热，等温放热困难；

c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微。

5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。1）即循环净功小于吸热量，必有放热q2。188二、逆向卡诺循环

制冷系数：Tc↑T-Tc

↓↑189供暖系数：TR↓TR-T0↓↑190三、概括性卡诺循环

1.回热和极限回热

2.概括性卡诺循环及其热效率191四、卡诺定理

定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种

工质也无关。

定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小

于可逆循环热效率。

理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2；

2）提高热机效率的极限。例A440155192五、多热源可逆循环1.平均吸（放）热温度注意：1）Tm仅在可逆过程中有意义2.多热源可逆循环2)193循环热效率归纳：讨论：热效率适用于一切工质，任意循环适用于多热源可逆循环，任意工质适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质1945–3熵和热力学第二定律的数学表达式一、熵是状态参数

证明：任意可逆过程可用一组初、终态相同的由可逆绝热及等温过程组成的过程替代。如图，1-2可用1-a，a-b-c及c-2代替。需证明：1-a及1-a-b-c-2的功和热量分别相等。令面积195又所以1962.熵参数的导出令分割循环的可逆绝热线

无穷大，且任意两线间距离0则197讨论：1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；2）因s是状态参数，故Δs12=s2-s1与过程无关；克劳修斯积分等式，（Tr–热源温度）s是状态参数令3）198二、克劳修斯积分不等式用一组等熵线分割循环可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分：不可逆小循环部分：199可逆部分+不可逆部分可逆“=”不可逆“<”注意：1）Tr是热源温度；2）工质循环，故q的符号以工质考虑。结合克氏等式，有例A443233克劳修斯不等式200三、热力学第二定律的数学表达式201所以可逆“=”不可逆，不等号第二定律数学表达式讨论：1)违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据。202a)b)若热源相同，则说明或热源相同，热量相同，但终态不同，经不可逆达终态s2'>s2（可逆达终态），如：q=03)并不意味着因为：2033）由克氏不等式与第二定律表达式相反！？204四、不可逆过程熵差计算

即设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。2055–4熵方程与孤立系统熵增原理一、熵方程1.熵流和熵产其中吸热

“+”放热“–”系统与外界换热造成系统熵的变化。（热）熵流206sg—熵产，非负不可逆“+”可逆“0”系统进行不可逆过程造成系统熵的增加例：若TA=TB，可逆，取A为系统207取B为系统若TA>TB，不可逆，取A为系统208

所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。

2.熵方程

考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为：

流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增其中流入流出热迁移质迁移造成的热质熵流例A4221441例A4412553例A442265209流入流出熵产熵增210熵方程核心：熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），因此熵是不守恒的，熵产是熵方程的核心。闭口系熵方程：闭口绝热系：可逆“=”不可逆“>”闭口系：211绝热稳流开系：稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）稳流开系：矛盾?例A140155例A444277212二、孤立系统熵增原理

由熵方程因为是孤立系可逆取“=”不可逆取“>”孤立系统熵增原理：

孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限—一切过程均可逆时系统熵保持不变。213

3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；讨论：

1）孤立系统熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；

2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是ΔSiso>0，

所以熵可反映某种物质的共同属性。例214R“=”IR“>”不