朱明善清华大学工程热力学课件全集

工程热力学2021/6/271教材与参考书教材：《工程热力学》朱明善等编参考书：《工程热力学》（第二版）庞麓鸣等编

《工程热力学》（第四版

）沈维道编2007年

《工程热力学》严家騄编2007年2021/6/272绪论工程热力学是重要的专业基础课工程热力学

是一门研究热能有效利用及

热能和其它形式能量转换规律的科学2021/6/273

主要内容0-1热能及其利用0-2热能转换装置的工作过程0-3工程热力学的研究对象及其主要内容0-4热力学的研究方法2021/6/2740-1热能及其利用热能电能机械能风能水力能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖能源转换利用的关系2021/6/275风力发电2021/6/276水力发电2021/6/277火力发电2021/6/278江苏田湾核电站2021/6/2792021/6/27100-2热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理

2021/6/27112021/6/2712火力发电装置基本特点锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器

1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)2021/6/2713二、燃气轮机装置的工作原理

压气机—从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。燃烧室—空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。涡轮机—高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功。工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务。燃烧室2021/6/27142021/6/2715燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气燃料2021/6/2716三、内燃机的工作原理

进气过程：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。压缩过程：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升高。燃烧过程：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。2021/6/2717内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气2021/6/2718内燃机装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)2021/6/2719四、蒸汽压缩制冷装置

压气机—吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩(耗功)产生高温高压的蒸汽。冷凝器—使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀—使液体降压，产生低压低温的液体。蒸发器—工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷库降温。2021/6/2720制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环

(加压、放热、膨胀、吸热)2021/6/2721热力装置共同基本特点1、热源，冷源

2、工质

3、容积变化功

4、循环2021/6/27220-3工程热力学的研究内容

1、能量转换的基本定律2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理

4、化学热力学基础2021/6/27231、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。特点：可靠，普遍，不能任意推广经典（宏观）热力学

0-4工程热力学研究方法√2021/6/27242、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律特点：揭示本质，模型近似微观（统计）热力学

工程热力学研究方法2021/6/2725工程热力学的学习方法

抓住主线理论联系实际重视基本技能训练分析计算能力、实验技能认真完成作业2021/6/2726绪论完

2021/6/2727第一章基本概念1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5

准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环2021/6/2728第一章基本概念

主要内容1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环2021/6/27291-1热力系统

一、系统、外界与边界热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面2021/6/2730边界特性真实、虚构固定、活动2021/6/2731封闭热力系（闭口系）只与外界有能量交换而无物质交换开口热力系(开口系)

与外界既有能量交换又有物质交换孤立系与外界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类以系统与外界关系划分：2021/6/2732

有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系归纳：2021/6/27331234mQW1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系2021/6/2734热力系统其它分类方式

其它分类方式物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相2021/6/2735简单可压缩系统最重要的系统

简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功2021/6/27361-2状态

平衡状态一、状态与状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。二、平衡状态与非平衡状态平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。三、平衡状态的判据1、力平衡2、热平衡3、相平衡4、化学平衡2021/6/27371-3热力状态参数一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。二、特点1、与状态一一对应，完全取决于状态。2、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。三、分类1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度ρ、比焓h、比熵s、比容ν、比内能u2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S2021/6/2738四、基本状态参数（一）压力1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的总效果。2、单位：1Pa=1N/m21kPa=1000Pa，1MPa=106Pa，1bar=105Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa标准大气压1atm=760mmHg=1.01325×105Pa工程大气压1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa2021/6/2739注意：只有绝对压力p

才是状态参数压力p测量2021/6/2740绝对压力与相对压力当p

>pb表压力

pg当p

<pb真空度pvpbpgppvp2021/6/2741（二）比容单位质量的物质所占的体积。2021/6/2742（三）温度1、定义：温度是物系间达到热平衡的判据习惯上：物体冷热程度的度量。热力学第零定律:

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计2021/6/2743温度的热力学定义

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。

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2021/6/27442、温标：指温度的标度或温度的定量表示法。热力学温标（单位：开尔文，符号K），摄氏温标℃，华氏温标℉朗肯温标

R

热力学温标T——不依赖于测温物质的性质。

选用热力学温度，以水的三相点为基准点，并规定它的温度为273.16K，即每单位开尔文等于水三相点的1/273.16。2021/6/2745常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.672021/6/2746温标的换算2021/6/27471-4

状态方程、状态参数坐标图一、状态方程

足够的状态参数就能确定一个状态,而一旦状态确定,该状态的所有状态参数也就确定了。

热力学的研究结果告诉我们,对于可压缩纯物质只要两个状态参数就足够了。那么从数学上就应有:v=f(p,t)u=f(p,t)h=f(p,t)s=f(p,t)(设已知状态参数为p,t)

以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况下它通常指p,v,T组成的方程。2021/6/2748二、

状态参数坐标图

两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。注:对非平衡态由于其各部分状态参数不尽相同,故无法绘在状态参数坐标图上。2021/6/27491-5准静态过程和可逆过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程2021/6/2750一、基本概念

1、过程

—热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合。

2、非准静态过程

—系统经历一系列不平衡状态的过程。

3、准静态过程

—系统经历一系列无限接近平衡状态过程。

2021/6/2751准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？2021/6/2752准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程2021/6/2753准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=2000

2

0.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。2021/6/2754准静态过程的容积变化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果

p外微小

可视为准静态过程dx以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功

W

=p

A

dx=pdV1kg工质

w

=pdvdx很小，近似认为p不变2021/6/2755准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：

W=pdV1kg工质：

w=pdv1注意：上式仅适用于准静态过程2021/6/2756示功图(p-V图)pV.12.pp外21mkg工质：

W=pdV1kg工质：

w=pdvW2021/6/2757准静态容积变化功的说明pV.12.2）

p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，

过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）

dV<0，压缩对内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为[kJ]

或[kJ/kg]Ww2021/6/2758摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’<W若外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’<W’则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。2021/6/2759摩擦损失的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。2021/6/2760二、可逆过程

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。2021/6/2761可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

耗散效应2021/6/2762常见的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p22021/6/2763常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••2021/6/2764引入可逆过程的意义

准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。

可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。

实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。2021/6/27651-6

功和热量1、力学定义:力

在力方向上的位移2、热力学定义I：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举起重物，此即为热力系对外作功。

热力学定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。一、功2021/6/27663、功的计算式①物理上为:W=Fx②若系统内外力平衡2021/6/2767二、热量

1、定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

2、热量的表达式考虑：δW=pdV

式中：p为压差是作功的驱动力,dV表示热力系是否作功对于热量Q：热传递的驱动力是温度T，若dS表示热力系是否传热应有:2021/6/2768热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p

温度T标志

dV,dv

dS

,ds公式条件准静态或可逆可逆2021/6/2769熵的定义比参数

[kJ/kg·K]ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量

[kJ/K]2021/6/2770熵的说明1、熵是状态参数

3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程

传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正

Q>0dS>0系统放热时为负

Q<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量2021/6/2771示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图2021/6/27721-7热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。2021/6/2773循环和过程循环由过程构成不可逆循环可逆过程不可逆循环可逆循环2021/6/2774正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向2112动力循环2021/6/2775逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向2112制冷循环2021/6/2776热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率2021/6/2777热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数2021/6/2778第一章小结基本概念：

热力系

平衡态

准静态、可逆

过程量、状态量、状态参数

功量、热量、熵

p-V图、T-S图

循环、评价指标2021/6/2779第一章讨论课

热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、孤立系

热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。

一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。2021/6/2780例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。2021/6/2781(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q2021/6/2782(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’2021/6/2783(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W

+W’热量：Q+Q’WQW’Q’2021/6/2784(4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’2021/6/2785(5)以气缸活塞为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ2021/6/2786思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。2021/6/2787可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。2021/6/2788判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆2021/6/2789判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散是不是准静态，取决于开度2021/6/2790判断是否准静态与可逆（3）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水＋活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆2021/6/2791判断是否准静态与可逆（4）电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热耗散是否准静态，看加热快慢但不可逆2021/6/2792有用功气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp2021/6/2793可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA1）以B中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态无摩擦可逆B中气体（理想气体，可逆，绝热）B得到的功遵循2021/6/2794可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA2）以A中气体为系统绝热，无摩擦缓慢加热准静态无摩擦内可逆3）以A腔为系统4）以A＋B腔为系统电功耗散为热不可逆电功耗散为热不可逆2021/6/2795自由膨胀过程刚性，绝热真空•••••••••••••••••ABB中没有气体，不能取做系统以A中原有气体为系统A中气体非准静态A中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的气体作功了吗？2021/6/2796气体混合过程刚性，绝热，pA>>pB•••••••••••••••••AB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取A＋B气体为系统，无功2021/6/2797灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功2021/6/2798第一章完2021/6/2799第二章热力学第一定律

主要内容2-1热力学第一定律的实质2-2储存能2-3闭口系统能量方程

2-4开口系统能量方程2-5稳定流动能量方程2-6稳定流动能量方程的应用2021/6/27100

2-1热力学第一定律的实质一、能量守恒与转化定律

定义：能量既不能创造也不能被消灭。只能由一种形式向另一种形式转化。在转换中，能的总量不变。2021/6/27101

二、热力学第一定律

1、内容：当热能与其它形式的能量相互转化时，能的总量保持不变。（在热力系中，消耗等量的热必产生等量的功。反之消耗等量的功必产生等量的热。）

2、实质：能量守恒与转化定律在热力学中的应用3、数学表达式

Q=W2021/6/27102闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”2021/6/27103三、热力学第一定律的解析式1、Q=W的不足

(1)只表明热力学第一定律的数学意义，但未考虑热力系的能量变化，无法应用于工程计算。

(2)只体现了Q，W之间的量的关系，还不能区分二者之间质的不同。

2、热力学第一定律的解析式若考虑热力系的能量变化，则有：输入热力系的能-输出热力系的能=热力系内部储存能的变化量2021/6/271042-2

储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能一、从宏观上看：宏观能（外部储存能）2021/6/27105二、从微观上看：微观能（内部能）对于热力系的内部能，热力学上称之为内能，用u表示它包括：①微观动能：由分子热运动之和构成，由温度T来反映②微观位能：由分子间相互作用力引起，由比容v和温度来反映所以：u=f(T,v)

内能是状态参数。

2021/6/27106三、系统的总储存能（总能）总能：E=U+Ek+Ep比总能量：

e=u+ek+ep系统总能变化量可以写为：2021/6/27107内能的导出内能的导出闭口系循环2021/6/27108内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc2021/6/27109内能及闭口系热一律表达式定义dU=

Q

-

W

内能U

状态参数

Q=

dU

+

WQ=

U

+

W闭口系热一律表达式！！！两种特例

绝功系

Q

=

dU

绝热系

W=-

dU2021/6/27110内能U的物理意义dU=

Q

-

W

W

Q

dU

代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。

U代表储存于系统内部的能量

内储存能（内能、热力学能）2021/6/27111内能的说明

内能是状态量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2021/6/27112热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-2021/6/271132-3闭口系统能量方程

W

Q一般式

Q

=dU

+

W

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：

1）任何工质

2)任何过程2021/6/27114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2021/6/27115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2021/6/27116门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统

闭口系闭口系能量方程T空调Q2021/6/271172-4开口系能量方程

Wnet

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2021/6/27118推进功的引入

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv这个结果与实验不符少了推进功2021/6/27119推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v没有变化2021/6/27120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（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2021/6/27121开口系能量方程的推导

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv

minpvout2021/6/27122开口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2

+

gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2

+gz)out

=

dEcv工程上常用流率2021/6/27123开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在2021/6/27124焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程2021/6/27125焓的说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]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。2021/6/271262-5

稳定流动能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功每截面状态不变4、2021/6/27127稳定流动能量方程的推导稳定流动条件02021/6/27128稳定流动能量方程的推导1kg工质2021/6/27129稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程2021/6/27130技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能2021/6/27131单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功2021/6/27132稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功

(pv)几种功的关系？2021/6/27133几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws2021/6/27134对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wws

wt2021/6/27135准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二2021/6/27136技术功在示功图上的表示2021/6/27137机械能守恒对于流体流过管道，

压力能

动能

位能机械能守恒柏努利方程2021/6/27138

2-6稳定流动能量方程应用举例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/kg2021/6/27139例1：透平机械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2021/6/27140透平机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的2021/6/27141

q=Δh+wt

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

现q=0;Δc=0;Δz=0

故ws=-Δh=h1-h22021/6/27142例2：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2021/6/27143压缩机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0输入的轴功转变为焓升2021/6/27144泵与风机

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

现

q=0Δc=0Δz=0

故ws=-Δh=h2-h1（压缩功）

2021/6/27145例3：换热设备火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器2021/6/27146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2021/6/27147锅炉

q=Δh+wt

现wt=0∴q=Δh=h2-h12021/6/27148例4：绝热节流管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管2021/6/27149绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热2021/6/27150例5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶2021/6/27151喷管和扩压管喷管目的：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2021/6/27152第二章小结1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-2021/6/27153第二章小结通用式2、热一律表达式：2021/6/27154第二章小结稳流：dEcv/

=0通用式2021/6/27155第二章小结闭口系：

通用式2021/6/27156第二章小结

通用式循环dEcv

=0out

=in2021/6/27157第二章小结孤立系：

通用式

2021/6/27158第二章小结3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化2021/6/27159第二章小结4、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2021/6/27160第二章小结5、u与h

U,H

广延参数u,

h

比参数

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

2021/6/27161第二章小结6、四种功的关系

准静态下闭口系过程开口系过程2021/6/27162第二章作业2-152-162-182021/6/27163第二章完2021/6/27164第三章理想气体的性质与过程

主要内容3-1理想气体状态方程

3-2热容3-3理想气体的内能、焓和比热容3-4理想气体的熵3-5研究热力过程的目的和方法3-6绝热过程3-7基本热力过程的综合分析3-8活塞式压气机的过程分析2021/6/27165工程热力学的两大类工质

1、理想气体

可用简单的式子描述

如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等2、实际气体

不能用简单的式子描述，真实工质

火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等2021/6/27166一、理想气体

1.气体的分子是一些弹性的,不占体积的质点

2.气体分子之间没有相互作用力二、研究理想气体的意义

1.理论上引入它可简化分析，简化计算

2.工程上部分气体按理想气体处理与实际出入不大3-1理想气体状态方程2021/6/27167三、理想气体状态方程理想气体状态方程:

pv=RT----又称克拉贝龙方程其中：

p为绝对压力Pav为比容m3/kgT为开氏温度KR为气体常数J/kg·k2021/6/27168四种形式的克拉贝龙方程：注意:

Rm

与R

摩尔容积Vm状态方程统一单位2021/6/27169摩尔容积(Vm)阿伏伽德罗假说:

相同p

和T

下各理想气体的摩尔容积Vm相同在标准状况下Vm常用来表示数量2021/6/27170

Rm与R的区别Rm——通用气体常数R——气体常数M-----摩尔质量例如与气体种类无关与气体种类有关2021/6/27171计算时注意事项

1、绝对压力2、温度单位

K3、统一单位（最好均用国际单位）2021/6/27172计算时注意事项实例V=1m3的容器有N2，温度为20℃

，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。1）2）3）4）√2021/6/271731.

分子之间没有作用力2.

分子本身不占容积

但是,当实际气体p

很小,V

很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。

理想气体模型现实中没有理想气体2021/6/27174

当实际气体p

很小,V

很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。

哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO2

2021/6/271753-2

(比)热容计算内能,焓,热量都要用到热容定义:比热容单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量

其大小取决于:①工质数量②加热的过程③工质性质④工质的状态2021/6/27176

比热容c:

质量比热容Cm:摩尔比热容C’:

容积比热容Cm=M·c=22.414C’2021/6/27177Ts(1)(2)1

K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容2021/6/27178定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设

定容2021/6/27179定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设

定压2021/6/27180cv和cp的说明1、

cv和cp

，过程已定,可当作状态量。2、前面的推导没有用到理想气体性质3、

h、u

、s的计算要用cv和cp

。适用于任何气体。cv物理意义：v时1kg工质升高1K内能的增加量cp物理意义：p时1kg工质升高1K焓的增加量2021/6/271813-3理想气体的u、h、s和热容一、理想气体的u

1843年焦耳实验，对于理想气体p

v

T不变

AB绝热自由膨胀真空2021/6/27182理想气体的内能u理气绝热自由膨胀

p

v

T不变

2021/6/27183理想气体内能的物理解释内能＝内动能＋内位能T,v

理想气体无分子间作用力，内能只决定于内动能?

如何求理想气体的内能uT理想气体u只与T有关2021/6/27184理想气体内能的计算理想气体，任何过程理想气体

实际气体2021/6/27185理想气体的焓理想气体实际气体理想气体h只与T有关理想气体，任何过程2021/6/27186熵的定义:

可逆过程

理想气体理想气体的熵pv=RT仅可逆适用？T1p1v1s1T2p2v2s212理想气体，任何过程2021/6/271871.由δq=du+pdv

代入

δq=Tds,du=cvdT,p=RT/v

有：两边同除T2021/6/271882.由δq=dh-vdp

代入δq=Tds,dh=cpdT,v=RT/p得两边同除T2021/6/271893.对于pv=RT

两边微分有

pdv+vdp=RdT

两边同除pv有根据理想气体状态方程pv=RT

得1/T=R/pv则：将上式代入熵的计算式：2021/6/27190合并同类项得：将迈耶公式cp=cv+R代入上式得到新的熵表达式2021/6/27191

结论：①Δs只取决于p、v、T中任何两个，即只与状态有关②工程上只关心Δs而很少涉及绝对熵的问题，故这里暂不提熵的零点问题③上面Δs的计算式虽然由可逆条件下导出，但它也可用于不可逆过程4.总结：根据以上推导得：2021/6/27192一般工质:

理想气体：迈耶公式理想气体的热容令比热比2021/6/271931、按定比热

2、按真实比热计算3-4理想气体热容、u、h和s的计算3、按平均比热法计算理想气体热容的计算方法：h、u

、s的计算要用cv和cp2021/6/27194分子运动论1、按定比热计算理想气体热容运动自由度单原子双原子多原子Cv,m[kJ/kmol.K]Cp,m

[kJ/kmol.K]k1.671.41.292021/6/271952、按真实比热计算理想气体的热容根据实验结果整理理想气体2021/6/271963、按平均比热计算理想气体的热容t

t2

t1

c(cp,cv)

附表3，4，5，6

c=f(t)

摄氏℃求O2在100-500℃平均定压热容2021/6/271971.

2.

cv为真实比热3.

cv为平均比热理想气体

u的计算4.

若为空气，直接查附表2理想气体，任何过程T1u1T2u2122021/6/271981.

2.

cp为真实比热3.

cp为平均比热理想气体

h的计算4.

若为空气，直接查附表2理想气体，任何过程2021/6/271991、若定比热理想气体

s的计算理想气体，任何过程2021/6/27200理想气体

s的计算2、真实比热取基准温度T0若为空气，查附表2得2021/6/27201§3-5

研究热力学过程的目的与方法目的提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响

主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算2021/6/27202研究热力学过程的对象与方法对象1)参数(p,T,v,u,h,s

)变化2)能量转换关系,

q

,w,wt方法抽象分类2)可逆过程(不可逆再修正)基本过程2021/6/27203研究热力学过程的依据2)理想气体3)可逆过程

1)热一律稳流2021/6/27204研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w

,

wt,

q4)求3)用T-s

与p-v

图表示2)根据已知参数及过程方程求未知参数2021/6/272051、过程方程v=constdv=02、状态参数关系式现v1=v2

则：一、定容过程2021/6/272063、曲线对于T-S图1-2过程曲线，因为dv=0

，根据公式：得：即：1-2过程曲线斜率为T/cv2021/6/27207△u=cv△T△h=cp△T5.功与热①闭口系dw=pdv=0q=Δu+pdv=Δu4.u，h，s变化量2021/6/27208②开口系2021/6/27209二、定压过程现p1=p2

，

则：1、过程方程p=constdp=02、状态参数关系式2021/6/272103.曲线因此，如图所示，定压线斜率小于定容线斜率。现dp=0故：比较定容与定压过程，有>pvTs2021/6/272115.功与热①开口系dwt=vdp=0q=Δh-vdp=Δh=cpΔT②闭口系4.u，h，s变化量△h=cp△T△u=cv△T2021/6/272123-6理想气体的等熵过程(2)不仅,s处处相等

绝热可逆s说明:(1)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。2021/6/27213三个条件:

(1)理想气体(2)可逆过程(3)

k为常数理想气体s

的过程方程当理想气体2021/6/272143.曲线显然：代入pv=RT得：故在p~v图上定熵线较定温线陡。对于p-v图因为ds=0

根据公式：得：由于定温时：2021/6/272154.u，h，s变化量

u=cvΔTh=cpΔTΔS=02021/6/272165.功与热①闭口系因pvk

为常数，所以：2021/6/27217同时，因pv=RT由式得：因为cv=R/(k-1)，所以这个式子也可以变为w=cv(T1-T2)关于热量q因为绝热所以热量为零2021/6/27218②开口系因pvk

为常数，所以：2021/6/27219同时，因pv=RT由式得：因为cp=kR/(k-1)，所以这个式子也可以变为wt=cp(T1-T2)可见对于绝热过程wt

是w

的k倍。关于热量q因为绝热所以热量为零。2021/6/272203-7理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程过程方程n是常量，每一过程有一n值nn=ks2021/6/27221理想气体n

w,wt,q的计算多变过程比热容2021/6/27222(1)

当n=0

(2)

当n=1多变过程与基本过程的关系(3)

当n=k

(4)

当n=

pTsvnpTsv基本过程是多变过程的特例2021/6/27223

基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表3－4

公式汇总理想气体基本过程的计算2021/6/27224斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp2021/6/27225斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv2021/6/27226斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT2021/6/27227理想气体过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss2021/6/27228理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTss2021/6/27229u在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT=

u>0

u>02021/6/27230h在p-v,T-s图上的变化趋势sTvphT=

u>0

u>0

h>0

h>02021/6/27231w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>02021/6/27232wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>02021/6/27233q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>02021/6/27234u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvp

u>0

u>0

h>0

h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>02021/6/27235p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？2021/6/27236p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？2021/6/27237p-v,T-s图练习（3）sTvp膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？2021/6/272383-8活塞式压气机的压缩过程分析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、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等型式结构活塞式(往复式)离心式，涡旋轴流式，螺杆连续流动压力范围通风机鼓风机压缩机出口当连续流动2021/6/27239理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt2021/6/27240(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是

可能的压气过程sTn2021/6/27241

三种压气过程的参数关系2021/6/27242

三种压气过程功的计算最小重要启示2021/6/27243两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比

省功2021/6/27244最佳增压比的推导

省功2021/6/27245最佳增压比的推导

省功欲求w分级最小值，可证明若m级最佳增压比2021/6/27246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2021/6/27247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)一般采用2~4

级压缩T2021/6/27248压气机的设计计算需要压气机，想设计一台已知：要求：配马达功率，

出口温度。？sn？根据经验，有无冷却水套假定，理论功s2021/6/27249压气机的设计计算实际过程有摩擦机械效率经验值

70％2021/6/27250压气机的校核计算已有压气机，实测要求：压气机效率太低，则压气机报废或修理2021/6/27251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2021/6/27252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2021/6/27253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435642021/6/27254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2021/6/27255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＝0.03~0.082021/6/27256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2021/6/27257余隙影响例题已知：求（1）有余隙时的排气量和耗功（2）无余隙时的排气量和耗功解：（1）有效容积2021/6/27258例题(1)有余隙影响2021/6/27259余隙影响例题解：（2）无余隙时的排气量和耗功2021/6/27260第三章小结1、什么样的气体是理想气体？2、理想气体状态方程的正确使用3、理想气体比热、内能、焓的的特点和计算4、理想气体各种可逆过程的特性，参数变化，功，热的计算。5、