热力学全册配套完整课件3

热力学全册配套完整课件31热力学基本概念1.1.1

热力学系统的定义系

统(System)：

作为热力学研究对象的物质或空间被称为热力学系统，简称热力系。边

界(Boundary)：将系统从其周围环境中分离出来的，真实的或是假想的表面称为边界。环境(Surrounding)：又称为外界，热力系边界以外的任何物质与空间均称为环境。1.1

热力学系统热力系的边界可以是真实的也可以是假想的；可以是固定的也可以是可变的封闭热力系(Closedsystem):

1.1.2热力系的分类与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系，也称为闭口系。

(因热力系内部质量不变又被称为控制质量

ControlMass)开口热力系（Openedsystem）:

和外界既有能量交换又有物质交换的热力系(也称为控制体积controlvolume)孤立热力系:

与外界既无能量交换也无物质交换的热力系

宇宙1.2状态与平衡1.2.1

状态

某一时刻热力系所有宏观特性量的集合叫做状态1.2.2

状态的分类:

平衡态:

系统中任何一部份的特性完全相同。

系统中任何一部份的特性不随时间变化。非平衡态:1.2.3

平衡的条件热平衡力平衡化学平衡相平衡1.3系统的状态参数1.3.1

定义从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为状态参数1.3.2状态参数的特征只与状态一一对应，而与状态变化时所经历的中间过程无关用数学描述，即为：∮dx=01.3.3

状态参数的分类强度参数：

与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数，如：温度(T)、压力（强）(P)等广延参数：

与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数，如：质量(m)、体积(V)、焓(H)、熵(S)等比参数：

单位化（质量或摩尔）的广延参数，如：

比容(v=V/m)、比焓(h=H/m)、比熵(s=S/m)等比参数具有强度参数的性质1.4基本状态参数1.4.1.1压力的定义物理中压强单位:SI:Pa--------N/m2English:psi------bf/in2压力、温度、比容——易于测量1.4.1

压力（Pressure）1bar=105Pa=0.1MPa

≈1kgf/cm21atm=101,325Pa

≈1bar=14.696psi常用压力单位有：MPa，bar，kgf/cm21.4.2

表压力和真空度

绝对压力:

某一给定点的实际压力“实际”二字指由公式P=F/A计算所得值压力表表压力:绝对压力高于大气压（Pb）的部分，以

Pg表达真空度：绝对压力低于大气压的部分，以

Pv表示

pbpgppvp绝对压力？表压力？

真空度？woooooooo!哪一个是状态参数?

1.4.2.1热力学第零定律

如果两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系之间必然互相处于热平衡。1.4.2

温度（Temperature）我认为应该是指物体冷热的程度。

对么？什么是温度?首先由R.H.Fowler于1931年提出Iftwobodiesarein

thermalequilibrium

withathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量

温度。1.4.2.2

温度的热力学定义温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量1.4.2.3

温标温标的三要素

：

0点

两个基准点(易于重现)

标度温标——温度的标度历史上的温标SI:摄氏温标（Celesuisscale）

English:华氏温标（Fahrenheitscale）Formerlycalledthecentigradescale,in1948itwasrenamedaftertheSwedishastronomerA.Celsuis(1701-1744)namedaftertheGermaninstrumentmakerG.Fahrenheit(1686-1736)SI:开氏温标（Kelvinscale）English:朗肯温标（Rankinescale）热力学温标:温标间关系:约定：今后用摄氏温标表示的温度用字母

t指代，用开氏温标表示的温度用

T指代。1.4.2.4常用温度测量仪表日常：水银温度计，酒精温度计，thermometer工业：热电偶Thermocouple

热电阻Resistancetemperaturedetector

辐射温度计Radiationthermometer计量：铂电阻温度计Platinum1.4.3比容（

specificvolume

）m3/kg1.5状态公理热力系的状态是由状态参数描述的。但是需要已知多少个状态参数就可以确定一个状态呢？需要穷举法么？状态公理

对于可压缩纯物质体系，只要“两个”

独立的强度参数就可以确定其状态这里的“纯”，主要指相态纯，并非指单质1.6

热力学状态参数图由于两个独立状态参数决定一个状态，那么用二维的坐标图显示状态就顺理成章

pv平衡态非平衡态常用的状态参数坐标图有:p-v

图，

T-s

图，

h-s

图1.7过程与循环1.7.1过程

热力系从一个平衡态变化到另一个平衡态所经历所有状态的集合

古典热力学只研究平衡态，既然平衡还怎么变化呢？准静态过程:如果一个热力过程进行得无限缓慢使得过程进行时热力系内部随时都无限逼近于平衡态，则此过程为准静态过程可逆过程:如果一个过程能够逆向发生，并且逆向进行时不会出现任何因耗散效应产生的痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程成立的条件比准静态过程更强，如果它成立要求过程进行时：热力系内部无限趋近于平衡；热力系与外界无限趋近平衡；路径封闭的过程即为循环

Pv可逆循环不可逆循环1.7.2

循环1.8功（Work）1.8.1功的力学定义力

在力方向上的位移1.8.2功的热力学定义A：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。以字母W表示，单位J或kJ。单位化的功用w表示，单位kJ/kg。B：功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。1.8.3机械形式功本节不讨论诸如热电堆、太阳电池板等直接将热转化的电功1.8.3.1

膨胀功

单位化:P-v图因为功的大小与做功过程相关，即数学上与路径相关，因此不能写成全微分形式（1）公式成立的条件是：系统经历一可逆过程。讨论：（2）热力系对外做功，功为正；外界对热力系做功，功为负。1.8.3.2

重力功

1.8.3.3

加速功

1.9热量与熵热量是在温度的推动下，热力系与外界以微观无序运动方式相互传递的能量。用字母Q表示，单位为J或KJ。q为单位化热量，单位kJ/kg。1.9.1热量的热力学定义1.9.2热量的热力学计算式上式计算热量需要依据工质的性质，普适性不佳考虑膨胀功的计算式：微元功做功动力做功标志由于传热的驱动力来自温度，那么热量也应类似有：dx的含义应当是在可逆条件下，热力系和外界交换热量与否的标志。显然，dx的表达式数学上具有商的形式，又与热量有关，因此清华大学刘仙洲教授命名为“熵”，用字母S表示，单位为kJ/K；单位化熵为s，单位为kJ/kg.K。这样上式可写为：热量的普适表达式为：成立条件依然是可逆1.9.3热量的正负热力学规定热力系吸热为正，热力系对外放热为负因此：系统吸热时热量为正

Q>0dS>0，系统熵增加；系统放热时热量为负

Q<0dS<0，系统熵减少；1.9.4T-s

图本章完

谢谢！2

热力学第一定律2.1.1

能量守恒与转化定律能量既不能被创生也不能被消灭,它只能由一种形式向另一种形式转化。2.1

热力学第一定律的定义2.1.2热力学第一定律热与功均不能被创生和消灭，只能互相转化，即:Q=W2.1.2热力学第一定律表达式的不足

不能用于工程计算不能显示出热和功在能量品质上的区别在工程上我们更易于接受被称为热力学第一定律解析式的公式：系统储存能的变化量传入系统的净能量—传出系统的净能量=2.2热力系储存的总能量2.2.1总能量

E

总能量包括热力系具有的各种形式能量，包括热力系宏观形式的和微观形式的能量。单位化总能为e。2.2.2总能的分类

（1）宏观形式

动能

KE(或者单位化

ke)势能PE(或单位化

pe)（2）

微观形式

内能U(单位化内能为u)内能包括热力系内部分子无规则运动动能和势能，即：（3）总能E=U+KE+PE

Wascoinedin1807byThomasYoung,anditsuseinthermodynamicswasproposedin1852byLordKelvin.TheterminternalenergyanditssymbolU

wasappearedintheworksofRudolphClausuisandWilliamRankineinthesecondhalfofthenineteenthcentury内能是一个状态参数2.3闭口系热力学第一定律解析式2.3.1物理模型

（1）

传入热力系的净能量有:

Win,Qin（2）传出热力系的净能量有:

Wout,Qout（3）

热力系储存能:

E2.3.2闭口系热力学第一定律解析式

(Qin

＋

Win)-(Qout

＋Wout)=ΔE

(Qin-Qout)+(Win-Wout)=ΔE考虑Q

和W

的正负：

(Qin-∑Qout)-(∑Wout-∑Win)=ΔEQ-W=ΔE

Q=ΔE+W2.3.3闭口系热力学第一定律解析式的变体(1)微分形式：

δQ=dE+δW

若系统没有宏观动能和势能：δQ=dU+δW

单位化：δq=de+δwδq=du+δw

(2)可逆过程

δQ=dE+PdV

或

δQ=dU+PdV

单位化：

δq=de+pdvδq=du+pdv(3)循环

δq=du+δw

∮δq=∮du+∮δw

因为

∮du=0

所以

∮δq=∮δw

若

∮δq=0

∮δw=0上式说明第一类永动机不可能(4)可逆定压过程

δQ=dU+PdV

因为定压

p=const

δQ=dU+d(pV)

δq=du+d(pv)(5)孤立系dE=0

2.4.1物质守恒2.4开口系能量分析

热力系总储存能的变化量热力系通过边界交换的能量+伴随流体流入热力系的能量=-伴随流体流出热力系的能量2.4.2开口系能量守恒伴随着流体流动带入和带出热力系的能量有哪些呢？2.4.3流动功热力系流体流入热力系时为克服热力系内部的压力，外界必然要付出功，反之亦然，这种即为流动功。2.4.4流体携带的能量单位质量的流体流入热力系，蕴含在流体中的能量显然等于流体中储存的总能，即:再考虑到流体流入时外界付出的流动功那么流体带入（带出）热力系的总能量θ可写为：2.4.5焓（Enthalpy）流体流入或流出热力系时内能和流动功是同时传递的，且这二者在多数情况下是流体带入（带出）热力系能量的主要成分，这样为我们可以定义二者之和叫做焓：ProfessorJ.Kestinproposedin1966thatthetermθbecalledmethalpy(frommetaenthalpy,whichmeansbeyondenthalpy)（1）焓是状态参数（2）H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh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。关于焓的几点说明：2.5稳定流动过程2.5.1

稳定流动过程的定义流体稳定地流经开口系的热力学过程称为稳定流动过程2.5.2

稳定流动过程的特征开口系内部参数不随时间变化而变化；2.

在开口系边界处流体的流量和参数不随时间变化而变化3.开口系单位时间内与外界交换的热与功不随时间的变化而变化2.5.3稳定流动过程的能量方程由上述讨论可知，对于稳定流动热力系可得出:2.开口系储存能的变化为零：ΔE=0注：稳定流动热力系不可能膨胀或收缩，因此和外界交换的功只能以轴功的形式体现，用Ws表示。近年来学界指出若稳定流动热力系与外界交换电功则可被纳入轴功的范畴。稳定流动过程的能量方程考虑:0单位时间热力系与外界交换的热与功+单位时间流入热力系流体携带的能量=-单位时间流出热力系流体携带的能量用下角标1和2表示入口和出口的状态方程两边同除上式即为开口系稳定流动能量方程若将稳定流动能量方程中的焓展开，公式改写为：可写成：上述讨论表明，若不考虑热力系宏观储存能，热量q减去热力系内能变化量，就等于功w，这一点对于开口系和闭口系都是适用的。功这一项中的能量是实际可用功，被称为技术功，用Wt表示2.5.4技术功比较下列两式：在可逆的条件下：有：因此：pv12从左图易于看出，可逆时：这样我们有下列等式：若可逆：2.6工程上的稳定流动设备2.6.1喷管和扩压管(nozzleanddiffuser)q=Δh+ΔV2/2+gΔz+w因为q=0Δz=0w=0

2.6.2涡轮机（turbine）q=Δh+ΔV2/2+gΔz+w因q=0;Δc=0;Δz=0所以ws=-Δh=h1-h22.6.3节流阀（throttlingvalve）q=Δh+ΔV2/2+gΔz+w因为q=0;ws=0;z=0;ΔV2/2=0所以Δh=0即

h1=h22.6.4混合室（mixingchamber

）q=Δh+ΔV2/2+gΔz+ws

因为q=0;ws=0;z=0;ΔV2/2=0所以Δh=0即

∑hin=∑hexit2.6.5换热器（heatexchanger）q=Δh+ΔV2/2+gΔz+ws

因为q=0;ws=0;Δz=0;ΔV2/2=0所以Δh=0即

∑hin=∑hexit2.7非稳态流动过程2.7.1物理模型

1.流入热力系的净能量:

δQ，e1dm1

，p1v1dm1

2.流出热力系的净能量:

δW，e2dm2，p2v2dm22.7.2能量方程两边同除dτ本章结束谢谢第四章

理想气体性质与过程4-1-1理想气体

满足下列条件的气体即为理想气体：

气体分子是不占体积的质点

气体分子间没有引力尽管真正的理想气体是不存在的，但是自然界有许多气体的性质非常接近理想气体（如空气），因此运用理想气体的理论计算一些实际气体，在工程上具有良好的实用性。4-1理想气体状态方程

4-1-2理想气体状态方程根据状态公理，由任意两个状态参数解算理想气体其余参数的方程都可认为是状态方程。然而克拉贝龙方程实在太著名了，所以通常这个方程被称作理想气体状态方程(1).pV=mRTpv=RT

R------气体常数kJ/kg.K(2)pVm=μRmTpvm=RmT

Rm-----通用气体常数=8.314kJ/kmol.K4-2比热容（Specificheat）4-2-1比热容的定义

将单位质量的物质温度升高一度所需要的热量称为为质量比热容，用字母C表示，单位kJ/kg.K

那么

q=CTorδq=CdT除了质量比热容，还有体积比热容C’、摩尔比热容Cm等等；比热容的大小与吸热的过程、气体的温度和气体分子的结构有关；考虑:

4-2-2定容过程和定压过程的比热容δq=du+δw定容过程：δw=0δq=duCvdT=duA：

定容过程比热容考虑:δq=du+pdv定压过程

pdv=d(pv)

δq=du+d(pv)δq=d(u+pv)CpdT=dhB：

定压过程比热容A:理想气体定容比热容

由于理想气体分子间没有引力，那么理想气体的内能只包含动能项，而分子运动的剧烈程度又与温度直接联系，那么:

u=f(T)

4-2-3理想气体比热容B:理想气体定压比热容

由于:

u=f(T)

h=u+pv

=

f(T)+RT=f’(T)4-2-4理想气体平均比热容气体的比热容并不是一个常数，而是随温度的升高而升高。工程上为了处理方便，往往在一定温度范围内求取一个平均比热容，并认为在该温度范围内比热容是一个常数，其值就等于该平均比热容。这样处理会对计算带来方便，但是在温度范围很大、温度很高或者需要高精度计算的场合，是不能把比热容看作常数的。Ctt1t2C4-2-5理想气体分子结构对比热容的影响以理想气体定容过程为例。闭口系定容过程的吸热量全部用于提高系统的内能，即用于提高分子的微观动能。对于单原子分子，它具有3个飞行方向（自由度），因此吸收的热能将均匀分配到三个自由度上。现代物理学表明，一摩尔理想气体温度每升高1K，其每个自由度上分配的能量为Rm/2。理想气体分子拥有原子数不同，其自由度也不同，因此定容比热容也就不同，其关系见下表：单原子分子双原子分子多原子分子自由度357Cvm表4-1理想气体分子自由度和摩尔定容比热容4-3理想气体的内能、焓、熵

4-3-1内能与焓

我们定义当T=0时内能为0:显然T=0时焓也为0

:考虑:则:迈耶公式若两边同乘摩尔质量，有：定义

k=Cp/Cv称为比热容比回忆表4-1，以及迈耶公式，可以有下表：表4-2理想气体摩尔比热容和比热容比单原子气体双原子气体多原子气体CvmCpmk1.671.41.294-3-2理想气体的熵

δq=du+pdv考虑：

δq=Tds,du=CvdT,p=RT/v那么：两边同除T：

4-4理想气体过程4-4-1定容过程

过程方程:

dv=0

坐标图：pvTs因为:

热:

q=Cv(T2-T1)

功：

w=04-4-2理想气体定压过程

过程方程:dp=0

状态参数坐标图:pv因为:Ts定压过程定容过程

热:

q=Cp(T2-T1)

功:

w=p(v2-v1)4-4-3定温过程

过程方程：

dT=0

pv=const

状态参数坐标图：pvTs热：功：因为

T=const所以

对于技术功：因为：

T=const所以：

4-4-4绝热过程

过程方程:

dq=0

若可逆：考虑熵的计算式：状态参数坐标图pv绝热过程定温过程Ts热：功：

4-4-5多变过程

过程方程：

n=0constantpressureprocessn=1constanttemperatureprocessn=kAdiabaticprocessn=∞constantvolumeprocess功：

可见技术功是膨胀功的n倍热：

多变过程比热容本章结束

谢谢第四章

热力学第二定律

6-1自发过程6-1-1自发过程的方向性

温差传热

压差做功

功变热

有序到无序6-1-2自发过程的不可逆性

如果逆向，

环境会留下痕迹6-1-3自发过程的等效性

6-2-1Kelvin-Planck表述(1)热库

当一个热力系的热容量极大以至于吸、放热不会使物体的温度发生改变，这种热力系就被称为热库(2)热机

吸收热量并将其一部分转变为功的机械6-2热力学第二定律的表述

高温热源热沉热机QinQout热库热库Wnet能节省Qout?热效率=热机输出净功/热机吸热(3)制冷机与热泵高温热库底温热库制冷机WQLQH(3)Kelvin-Planck表述

It’sImpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork6-2-2Clausuis表述

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalowertemperaturebodytoahighertemperature

6-2-3两种表述的对等性

若违背Kelvin-Planck表述:那么就可以制造出效率100%的热机

低温热库高温热库热机QHW=QH制冷机QH+QLQL=制冷机低温热库高温热库QLQL6-3卡诺（Carnot）循环在18世纪中叶……热机的效率的极限是多少???6-3-1卡诺循环Carnot,(NicolasLeonard)Sadi

(1796-1832)法国军事工程师和科学家。对热力学有奠基性的贡献

高温热库低温热库THTL(1)卡诺循环的构建Ts1234q1q2

(2)效率

q1q2w因为1-4、2-3是绝热过程6-3-2逆卡诺循环环境温度THTLTsRefrigerator:对于制冷循环人们更关心机器从低温热库提取出的热量

-----q2q1q2wTHTLTsq1q2因此制冷机的性能指数(COPR)can可表达为：wCOPR

可以>,=or<1环境温度THTLTs热泵:对于热泵人们更关心向高温热库放的热-----即

q1q1q2wTHTLTsq1q2热泵的性能系数(COPHP)可表达为：wCOPHP

isalways>16-3-3卡诺定律

在两个相同热库之间，可逆热机的效率最高

两个相同热库之间，所有可逆热机的效率相同6-4克劳修斯不等式6-4-1克劳修斯积分式

对于单一卡诺循环即：考虑

δq1、

δq2符号，有：对于普通循环:

可按照如下图的办法将它分解为无数个卡诺循环那么：将上述方程叠加起来6-4-2克劳修斯不等式

若不可逆累加式子(1)…..(n):这就是克劳修斯不等式，请注意克劳修斯不等式只适用于循环对于任意循环（包括可逆和不可逆循环）它在热力学里被称为热温商。可见循环的热温商是小于等于零的6-5熵6-5-1可逆过程的熵6-5-1.不可逆过程的熵变化对于不可逆过程1-b-2.添加一段可逆过程1-a-2形成循环因为过程1-a-2是可逆过程所以：显然这时熵的变化大于

，即热温商的变化。6-5-3熵流和熵产ΔSg

是由于不可逆效应产生的因此被称为熵产因此，存在一数值大于零的熵ΔSg，使得：

热温商积分的这一项的变化是由于传热引起的，被称为熵流

ΔSf

熵流可以大于、等于或小于零熵产只能大于或等于零

上述讨论表明熵有二重特性：一方面熵通过熵流体现热力系的传热特性；另一方面熵通过熵产展现出热力系不逆效应的大小；6-5-4可逆定温过程的熵变化6-6孤立系熵增原理6-6-1.熵增原理

对于孤立系：

ΔSf

=0所以：

ΔSisolated=

ΔSg

>=0

6-6-2.温差传热过程的熵增

系统环境边界TsysTsurrQ6-6-3.

做功能力的损失TsT1T212’2绝热过程ss’损失6-6-4.

宇宙的熵与热寂假说HawkingStephen6-7熵的本质6-7-1.波尔兹曼关系式

6-7-2.熵的定义

熵:衡量热力系混乱或自由程度大小的物理量

热是一种无序的能量，因此热力系的吸热或放热就增加或减少了系统的无序性，这种效应可以通过熵流来计算；热力系内部发生的耗散效应引起了混乱程度的增加，这种效应的大小体现在熵产；6-8

（exergy)6-8-1.

的定义

在某状态下，系统由该状态可逆地变化到与环境平衡的状态时，理论上可转化为净有序能的那部分能量，称为

，用E

表示（e单位化）6-8-2.热量

ExQ对于具有某一温度T的热量Q，若此时环境温度为Tsur，根据卡诺定律能够转化为功的部分为：Tsur这就是热量6-8-3.冷量

ExQ0Q6-8-3.焓

ex根据热力学第一定律：根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵等于零，即：现：将上列各式代入(1)式：忽略动能、势能的变化：6-8-3.内能

Exu根据热力学第一定律：根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵等于零，即：现：将上列各式代入(1)式：对于功W，其中必定包括克服环境压力的部分，因此人类可资利用的最大有用能，即内能

为：本章结束谢谢第5章

压缩机和汽轮机5-1压缩机的分类

压缩机容积式涡轮式往复式回转式离心式轴流式

该种压缩机是本课程重点研究的对象5-2压缩功5-2-1往复式压缩机循环pv5-2-2压缩功若定温压缩

若绝热压缩

若多变过程压缩

pv定温多变绝热5-3实际压缩机5-3-1余隙容积5-3-2余隙容积对理论压缩循环的影响pv5-4多级压缩中间冷却pvp1p2pmBA因

p1v1=pmvm为获得最小功耗：则:5-5汽轮机5-5-1汽轮机原理5-6压缩机和涡轮机的内效率5-6-1压缩机

若绝热压缩:12将上述过程画在h-s图上，获得过程1-2。此时压缩功为w但如果压缩工程不可逆，则过程变为1-2’，压缩功增加为w’hsP2P1w2’w’我们定义压缩机内效率可按照下式计算:这个公式也适用于风机、泵5-6-2涡轮机

若为可逆绝热涡轮机:21hsP1P2ww’因此我们定义涡轮机的内效率按照下式计算:2’这个公式也适用于喷管若不可逆:本章结束第6章

气体动力循环

6-1对循环的分析

6-1-1过程的平均温度我们定义:即:12Tss1s2T6-1-2对循环的分析12Tss1s2对于一个循环:abT2T1显然提高循环效率的方法就是：设法提高循环吸热段平均段的温度；降低循环放热段的平均温度6-2奥拓（Otto

）循环6-2-1N.A.Otto的生平NicolausAugustOtto四冲程内燃机的发明人，1831年6月14日德国。1862年

他首先进行了四冲程发动机的实验（如图），该发动机和今天的汽油内燃机非常近似.他逝世于1891年1月26日。6-2-2循环的四个冲程（FourStrokes）吸气冲程:活塞沿着气缸向下运动

，气缸内的压力持续下降最终形成负压

，接着吸气阀打开。空气和汽油蒸汽的混合物被吸入气缸压缩冲程:在活塞的下死点(BottomDeadCenter(BDC))气缸达到最大容量，吸气阀关闭。

接着活塞向上死点(TopDeadCenter(TDC))移动，压缩油、气混合物。

在压缩冲程的末段，火花塞点火，引起油气混合物剧烈燃烧。

在活塞到达上死点时燃气压力达到最大。

做功冲程

高压气体推动活塞再次向下运行，活塞通过连杆驱动曲轴旋转。

气缸的容积逐渐增大同时气体的压力下降，直到活塞运行到下死点做功冲程结束。排气冲程

活塞运行到下死点后排气阀打开，活塞开始向上运动，燃烧后的废气被排出气缸，这个冲程当活塞运动到上死点结束。现代电喷汽油发动机12345pv6-2-3理论循环绝热过程理论奥拓循环的效率

那么：β

增压比ε

压缩比涡轮增压系统6-3柴油机循环（DieselCycle）6-2-1狄赛尔生平RudolfDiesel(德国1858–1913)。

大学毕业后他的职业是制冷工程师，

但是他真正感兴趣的却是发动机的设计。1893年，

他发表了关于压燃式内燃机的论文。1894年，他为他的新发明——柴油机申请了专利。尽管狄赛尔几乎死于新发动机的爆炸，但是他用事实证明了压燃式发动机的可行性。1897年他的柴油发动机终于研制成功。

6-3-2狄赛尔循环过程

柴油在活塞到达上死点后（此时空气压力高达30~50大气压，温度600~800℃），柴油被喷入混合室和高压空气混合，然后喷入汽缸，由于柴油和空气混合良好而且机器运行速度慢，滞燃问题会对循环影响小，使得循环的吸热段基本上呈现定压的吸热的趋势。6-3-3狄赛尔循环效率

理论循环12345pv狄赛尔循环理论效率

定义：过程1-4定容怎样提高效率:12345pv增压比要大容积增长要小8.3.4萨巴德（Sabathe）循环（混合加热循环）萨巴德循环（混合加热循环）是现代高速柴油机普遍使用的循环，它可视为狄赛尔循环的改进。萨巴德循环使用高压柴油喷射泵代替了狄赛尔循环中笨重的空气压缩机。有趣的是这种技术出现较晚的原因竟然是由于此前没人花精力去研制高压燃油泵。由于柴油在活塞到达上死点之前就被直接喷入汽缸，由于柴油的滞燃，使得循环的吸热段基本上呈现出先定容，后定压的吸热特点。这与标准狄赛尔循环的定压吸热是不同的。TsT3T1T2T3T4T1T”2T3T4T1T’2T3T4三种循环效率之比较：若T3一定8.3.5其它内燃机

6-4伯雷登循环（BraytonCycle燃气轮机循环）压缩机燃烧室燃气涡轮负载空气入口轴6-4-1伯雷登循环装置优点与活塞式发动机相比燃气轮机具有极好的功率-质量比。可以以很轻的重量实现大马力的输出。这一特点使得它在航空、舰船、重型车辆、地面发电等领域得到广泛的应用6-4-2理想循环Ts1234定压pv1234绝热6-4-3伯雷登循环效率β------增压比6-4-3最佳增压比Ts1234Tmax单纯提高增压能提高循环效率；但循环的功率却下降；

3’4’若T3一定显然我们不得不在高效率和高的功率之间作出折衷通常工程上对燃气轮机功率的要求更突出。

TsTmaxT0显然，存在一最佳增压比使得循环功率最大这个比率用字母表示为:

εmax显然在一定的最佳增压比下，提高燃气轮机效率的根本途径是提高T3

6-4-4提高燃气轮机效率的方法(1)回热伯雷登循环(RegenerativeBraytonCycle)TsT2T1T2T1燃油燃烧室空气入口压气机燃气透平回热器(2)定温压缩加回热循环Ts弗兰克．惠特尔（1907—1996）

6-5喷气发动机EngineCharacteristicTypeTwin-Spool,AugmentedTurbofanApplicationF-22AdvancedTacticalFighterThrust35,000PoundThrustClassEngineControlFull-AuthorityDigitalElectronicControlCompressionSystemTwinSpool/CounterRotating/AxialFlow/

Low-AspectRatio

Three-StageFan

Six-StageCompressorCombustorAnnularTurbineAxialFlow/CounterRotating

•One-Stage,High-PressureTurbine

•One-Stage,Low-PressureTurbineNozzleTwo-dimensionalVectoringConvergent/DivergentTs123456123456提高喷气发动机功率（不是效率）的方法

(1)加力/后燃(Afterburning)加力燃烧室Ts1234567(2)提高T4Ts1234’5’6’46提高T4的手段6-5斯特林循环(TheStirlingCycle)pv1234Ts1234AIP技术斯特林盘式太阳能发电系统太空斯特林太阳能发电系统本章结束谢谢

第7章

纯物质性质7-1纯物质7-1-1纯物质的相态

固体

液体

气体

等离子7-2纯物质的相变过程7-2-1水的定压加热过程

未饱和水

饱和水

湿蒸汽

饱和蒸汽

过热蒸汽pv123455’1’2’3’4’5”1”2”3”4”cTv123451’2’3’4’5’1”2”3”4”5”c7-2-1水蒸气的物性参数1.一点：

临界点C2.两线：

饱和水线，干饱和蒸汽线3.三区:未饱和水区，湿蒸汽区，

过热蒸汽区4.五态:未饱和水，饱和水，湿蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽

7-3-1p-v-T

面

7-3p-T

图7-3-2p-T

图

PT固相区汽相区液相区凝融线汽化线升华线凝固时膨胀凝固时收缩7-4纯物质性质参数表和焓熵图7-4-1饱和水及饱和蒸汽表

在该区域已知

1个参数就足以确定其它所有参数

t℃P,MPav’v”h’h”s’s”1000.10130.001041.6738419.062676.31.30697.35642001.55510.001160.12714352.42791.42.33076.42897-4-2湿蒸汽

一个

参数用于确定其它饱和参数

一个

特殊的参数用于确定汽/水间比例7-4-3未饱和水和过热蒸汽

两个

独立的状态参数可以确定其余所有状态参数T℃P=0.1MPav,m3/kgh,kJ/kgs,kJ/kg.K1001.69582676.27.36281501.93642776.47.54387-4-4参考状态和参考值

水:定义0.01℃时的饱和水为参考状态，

此时

u=0s=0R-12:-40℃时的饱和液体为参考状态，此时

u=0s=0注意:

不同的表格采用的参考状态会有所不同7-4-5焓熵图（h-sDiagram）hscp1p2T1T2vX=0.8定压线群(2)定温线群(3)定比容线群(4)定干度线群X=1X=0.6X=07-5蒸汽的热力过程7-5-1蒸汽的定压过程蒸汽的定压过程是以水为代表的实际气体经常使用的吸热或放热过程，工程上关心的是吸热/放热量。因：q=Δh+wt定压时wt=0

所以：

q=Δh即定压过程吸热量等于焓差，下面举例说明焓差的求法若已知水从未饱和初始状态t1，p1出发，经定压吸热终温达到t2，求单位质量工质的得热量。解：由t1，p1查未饱和水和过热蒸汽表，得h1由t2，p1查未饱和水和过热蒸汽表，得h2q=h2-h1Ts12T1T2c7-5-2蒸汽的绝热过程蒸汽的绝热过程是以水为代表的实际气体经常使用的做功或压缩过程，工程上关心的是做功量。下面举例说明功的求法：过热水蒸汽由初态p1，T1，在气缸活塞封闭的空间内，可逆绝热膨胀到P2。求单位质量工质膨胀功。因过程绝热：

Δu+w=0w=-Δu=u1-u2由p1，T1，查未饱和水和过热蒸汽表，得u1，s1对于u2，因p2的不同存在两种查取方法：（1）p2高，使得2点处于过热蒸汽区。此时，可由s1

，p2查过热蒸汽表直接求得

u2

。（2）p2低，使得2点处于湿蒸汽区。此时，先由p2查饱和水及饱和蒸汽表，得

s’2

，s”2

，

u’2

，

u’2

。由s2=s1=xs”2+(1-x)s’2

解得x。u2=xu”2+(1-x)u’2

w=u2-u1

若上题改为：过热水蒸汽由初态p1，T1，在汽轮机内可逆绝热膨胀到P2。求单位质量工质膨胀功。由以前的知识可知：汽轮机做功

w=h1-h2h1和h2的求法与内能的求法类似TsT1cp1P2hscp1T1X2p25-5-2-1涡轮机内效率

对于绝热涡轮机:21hsP1P2ww’因此我们可以定义涡轮机的内效率如下:2’这个方程也适用于喷管若不可逆:12hsP2P1w2’w’因此我们定义压缩机内效率如下:此式也适用于泵和扩压管5-5-2-2压缩机内效率

对于绝热压缩机，若不可逆:5-5实际气体5-5-1压缩因子公式pv=RT

只能被运用于气体温度高或压力低的状态对于实际气体，根据

pv=RT:z-------压缩因子:衡量偏离理想气体程度的因子z=1:理想气体z>1orz<1:实际气体5-5-2范德瓦尔斯(VanderWaals)状态方程在实际气体研究领域，范德瓦尔斯方程非常著名。其推导来自对理想气体状态方程的修正

(1)若考虑气体分子占有体积，由

pv=RT有:分子占有体积后将导致分子自由飞行的空间减少，进而使分子互相碰撞的概率提高，这种现象反映在宏观上就是气体压力的提高

。这种效应可以通过将

v

替换成

v-b来修正。(2)若考虑气体分子间有引力，则内层分子将吸引外层分子从而导致气体压力减小，其效应可以按下式计算：

引力将与ρ2成正比，即与1/v2成正比

‘a’

是比例系数通过实验确定

得：5-5-3其他状态方程(1)Beattie-Bridgeman方程(2)马丁-侯方程(3)维利方程本章结束谢谢第8章蒸汽动力循环8-1标准朗肯循环8-1-1.蒸汽卡诺循环

Ts1234蒸汽卡诺循环的不足:压缩过程绝热膨胀过程8-1-2.朗肯循环Trainedasacivilengineer,WilliamRankine(1820-1872)wasappointedtothechairmanofcivilengineeringandmechanicsatGlasgowin1855.Heworkedonheat,andattemptedtoderiveSadiCarnot'slaw由hisownhypothesis.HewaselectedaFellowoftheRoyalSocietyin1853.AmonghismostimportantworksareManualofAppliedMechanics(1858),ManualoftheSteamEngineandOtherPrimeMovers(1859).8-1-3.郎肯循环的效率qabsorb=h2-h1qexhaust=h3–h4通常情况下对于电厂:p1，t1和p2

为已知：

h1:由p1,t1,得h1,s1h2:由p2,得s2’,s3”

h2’,h2”这样，x

可被求得h3:由p2,得h2’,s2’.

h3=h3’s3=s3’h4:由p1,s3=s4

得h48-2初终蒸汽参数对郎肯循环的影响8-2-1.排汽压力的影响若降低排汽压力（背压）能够提高郎肯循环的效率。但是排汽干度也会因此降低，对汽轮机运行不利。8-2-2.初温的影响提高初温将会提高朗肯循环的循环效率。但是初温的提高依赖于材料的进步。8-2-3.初压的影响提高初压将会提高朗肯循环的循环效率。但是初压的提高也一定程度上依赖于材料的进步，更重要的是初压的提高会降低排汽的干度，危及汽轮机的安全运行。8-3再热循环由上一节分析可知提高初压可有效提高朗肯循环效率，但是会显著降低汽轮机排汽干度。如何能够提高初压却保持汽轮机排汽干度不变呢？再热循环正是针对这一问题提出的Tsm1234n锅炉凝汽器给水泵汽轮机8-3-1再热循环的主要设备再热器

8-3-2效率T-s图效率再热后循环吸热段平均温度提高，循环效率提高通常下列再热循环参数已知:p1,t1,pm,tn(通常等于t1),p2h1:

由p1,t1,得h1,s1hm:由pm,sm=s1,得hmhn:由pm,tn,得hnh2:由p2,得s2’,s2”

h2’,h2”因此，x

可计算得出h3:由p2,得h2’,s2’.

h3=h3’s3=s3’h4:由p1,s1=s4

得h48-4回热循环8-4-1理想回热循环8-4-2实际回热循环锅炉凝汽器给水泵汽轮机给水加热器蒸汽凝结水泵123456aTs123456给水被来自汽轮机的抽汽加热，进入锅炉的吸热段平均温度升高，循环效率提升。另一种解释是抽汽后向凝汽器的排汽量减少，冷源损失减少，效率提高。α被称为抽汽系数，定义为：锅炉凝汽器给水泵汽轮机给水加热器1#凝结水泵123457a6b给水加热器2#Ts1234567抽汽级数越多，循环效率越高8-4-2回热循环的效率以两级回热循环为例:p1,t1,pa,pb,p2

已知。若忽略泵功，循环的T-s图如下图所示。Ts12345ab6各点焓的求取：h1:由p1,t1,得h1,s1ha:由pa,s1,得hahb:由pb,s1,得hbTs12345ab6h2:由p2,得s2’,s3”

h2’,h2”这样可求得2点干度x，因此2点焓：Ts12345ab6h3:由p2,得h2’

,h3=h2’h5:由pb,得hb’

,h5=hb’

h6:由pa,得ha’

,h6=ha’

对于第一级加热器有下列热平衡图：hah5h6加热器为一稳定流动系统，根据热力学第一定律可知，流入热力系的焓等于流出热力系的焓，因此有关系式：对于第二级加热器有下列热平衡图：由热力学第一定律得：hbh4h58-5其他热力循环8-5-1超临界循环一般而言，新蒸汽的压力大于临界压力(22.064MPa)小于25MPa的锅炉称为超临界锅炉，配套的汽轮机称为超临界汽轮机；新蒸汽的压力介于25－31MPa的锅炉称为超超临界锅炉，配套的汽轮机称为超超临界汽轮机。在超临界与超超临界状态，水由液态直接成为汽态，即由湿蒸汽直接成为过热蒸汽、饱和蒸汽，所以热效率高。据了解，超临界机组的热效率比亚临界机组的高2％-3％左右.超超临界机组的热效率比常规超临界机组的高4％左右。因此，超临界、超超临界发电机组成为国外尤其是发达国家的主力机组。全世界范围内，属于超超临界参数的机组大约有60余台。我国近年来主力燃煤机组也将实现超临界化。根据电力市场发展形势需要，我国600MW机组参数已由亚临界参数(18.10MPa，540℃)

发展到超临界参数(24.10MPa，540℃～566℃)。目前常规的超临界机组参数一般为三种，对应的发电效率约为41％－42％：24.12MPa/538/538℃；

24.12MPa/538/566℃；24.12MPa/566/566℃；

超超临界是指压力达到25MPa-35MPa，温度达到593℃－650℃或者更高的参数，并具有一次再热或二次再热的热力循环，目前达到的发电效率为44％-45％。

8-5-2热电联产循环热电联产循环——能够同时生产热和电的循环。采用热电联产的循环的电厂称为热电厂。为了同时生产热和电的循环，热电厂一般使用特殊的汽轮机。这种汽轮机被称为供热汽轮机，它可分为三类：供热汽轮机背压式汽轮机抽汽凝汽式式汽轮机抽汽背压式汽轮机单次抽汽式多次抽汽式锅炉背压式汽轮机补水热用户采用背压式汽轮机后，循环的冷源损失全部被利用，理论热效率100%。但是采用该种汽轮机发电量会随着供热蒸汽流量的变化而变化制约，因此适用于全年供热蒸汽量比较稳定的场合。背压式汽轮机锅炉抽汽凝汽式汽轮机补水低温热用户凝汽器高温热用户采用抽汽凝汽式汽轮机，部分冷源损失被利用，热效率不及背压式汽轮机。但是采用该种汽轮机可以灵活协调发电量和供热蒸汽流量的变化，适用于供热蒸汽量全年有较大变化的场合。多次抽汽式汽轮机可以满足不同热用户对用热参数的不同要求。抽汽凝汽式汽轮机锅炉抽汽凝汽式汽轮机补水低温热用户高温热用户抽汽背压式汽轮机抽汽背压式汽轮机可以认为是背压式和抽汽式汽轮机的结合，它也没有冷源损失，因此具有理论上100%的热效率，而且还能协调不同热用户对用热参数的不同需要。但是它的发电量也受到供热蒸汽流量的制约，也需要较稳定热用户。8-5-3燃气-蒸汽联合循环

若从热分析的角度出发，燃煤电厂热损失最大的部件是凝汽器，因为它承担着低温热库的作用。热电联产循环正是这一思路的产物。但是若从熵分析的角度出发，不可逆损失最大的部件是锅炉，因为锅炉中燃气与水和蒸汽之间存在巨大的传热温差。这才是制约火电厂效率提高的关键因素。在这个分析基础上，学界提出了联合循环的概念。联合循环技术将布莱登循环与朗肯循环结合起来，减少了热段传热温差，有效提高了发电效率。目前西门子的联合循环机组效率高达55%受到燃气轮机的限制（一般使用液态或气态燃料），运用联合循环很难直接燃烧煤炭，这就限制了该技术在中国的使用。为了克服上述问题，国际上进行了广泛的研究，目前比较有希望的技术是：

IGCCPFBC8-5-4两汽循环本章结束谢谢

第9章

制冷循环9-1蒸汽压缩制冷循环9-1-1逆蒸汽卡诺循环Ts4123THTL能效比缺点过程2-3在压缩机内实现困难过程4-1对膨胀机有危害9-1-2理想蒸汽压缩制冷循环冷凝器设备:1234压缩机膨胀阀Expansionvalve蒸发器evaporatorTsTHTL1234冷凝器压缩机蒸发器毛细管9-1-3蒸汽压缩制冷循环的COPh-sdiagramhs1234通常，p1,p2

是已知的。hs1234由p1，得h1”,s1”h1=h1”s1=s1”

由p2

、s1，得h2由p2，得h2’h3=h2’h4=h3p-hdiagramph12349-2制冷剂(Refrigerant)好的制冷剂：

蒸发段焓差大蒸发压力不要过低冷凝压力不要过高无毒无腐蚀化学性质稳定低成本

氨(Ammonia)氯氟烃CFC(氟利昂chlorofluorocarbons)水常用制冷剂9-3热泵热泵：从低温环境吸热向高温热力系供热的装置

TsTHT01234空调器的热泵工况空调器的制冷工况9-4改进的蒸汽压缩制冷循环9-4-1回热制冷压缩循环设备冷凝器蒸发器回热器分液器压缩机TsTHTL1234T-s图2’1’9-4-2梯级制冷系统冷凝器蒸发器TsT0T-s图9-4-3多级压缩制冷冷凝器蒸发器闪蒸室123换热器456789Ts1234567899-4-4单压缩机多用制冷系统冷凝器冷冻室冷藏室123456旁通管Ts123459-4-5空气液化换热器补充空气液体排出多级压缩机12345Ts1213459-5空气压缩制冷循环9-4-1设备换热器QH换热器QL压缩机涡轮机Tsp2p11234T0TL9-4-2空气压缩制冷的COPTs1234T0TLTs1234T0TL因

由上述讨论可知，对于简单空气压缩制冷：降低压缩机增压比可以提高COP降低压缩机增压比会降低制冷功率TsT0TLTsT0TL12453q6q9-4-3回热空气压缩制冷换热器QH换热器QL压缩机涡轮机回热器1234569-6吸收式制冷系统热冷凝器蒸发器=压缩机蒸汽发生器吸收器溶液泵制冷剂:氨

吸收剂:水制冷剂:水

吸收剂:溴化锂常用吸收式制冷工质对9-6吸附式制冷Solarenergy活性炭吸附床蒸发器冷凝器冷

管白天太阳能夜晚冷空气活性炭真空管冷却塔本章结束谢谢第10章

湿空气10-1湿空气与干空气10-1-1什么是湿空气大气中通常含有一些水分这种空气就被称作湿空气。不包含水分的空气称为干空气.尽管空气中含有的水分是很少的，但它对人体的舒适感有很大影响，是现代空调系统需要考虑的重要因素之一大气中的水蒸气和干空气在空调领域所涉及的范围内(温度范围-10℃到50℃)可按理想气体处理10-1-2湿空气的压力湿空气全压干空气分压力

水蒸气分压力，

随湿空气内水蒸汽量的增加而增加sp2Tp1T1pmax10-1-3露点(Dew-point)温度Tp1T11对于蒸汽状态1，

降低温度，

水蒸气分压力不会变化露点露点的定义如下：当湿空气被定压冷却时，凝结刚刚发生时的温度被称为露点温度10-2湿空气的参数10-2-1湿空气的比湿度（绝对湿度）湿空气中单位质量干空气中含有的水蒸汽质量称为比湿度，用ω来表示因为

Vv=Va且

Tv=TaRa=287.1J/kg.KRv=461.4J/kg.K10-2-2湿空气的相对湿度空气的舒适度