沈维道热力学课件全集ppt.ppt

工程热力学 沈维道 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 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 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 0 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 风力发电 水力发电 火力发电 江苏田湾核电站 0 2热能转换装置的工作过程一 蒸汽动力装置的工作原理 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 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 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 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 内燃机装置 空气 油 废气 吸气 压缩点火 膨胀 排气 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 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 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 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 0 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 1 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 2 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 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 绪论完 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 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 1 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 边界特性 真实 虚构 固定 活动 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 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 1 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 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 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 1 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 1 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 比焓h 比熵s 比容 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S 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 104Pa 压力p测量 绝对压力与相对压力 当p pb 表压力pg 当p pb 真空度pv pb pg p pv p 二 比容单位质量的物质所占的体积 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 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 2 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 常用温标之间的关系 绝对K 摄氏 华氏F 朗肯R 100 373 15 0 01 273 16 0 273 15 17 8 0 273 15 212 671 67 37 8 100 0 32 459 67 0 459 67 491 67 冰熔点 水三相点 盐水熔点 发烧 水沸点 559 67 温标的换算 1 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 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 1 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 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 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 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 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 准静态过程的容积变化功 p p外 f 初始 p A p外 A f A 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 pdV 1kg工质 w pdv dx很小 近似认为p不变 准静态过程的容积变化功 p p外 2 mkg工质 W pdV 1kg工质 w pdv 1 上式仅适用于准静态过程 示功图 p V图 p V 1 2 p p外 2 1 mkg工质 W pdV 1kg工质 w pdv W 准静态容积变化功的说明 p V 1 2 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 摩擦损失的影响 若有f存在 就存在损失 p p外 2 1 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 摩擦损失的影响 若f 0 p p外 2 1 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 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 可逆过程只是指可能性 并不是指必须要回到初态的过程 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 常见的不可逆过程 不等温传热 T1 T2 T1 T2 Q 节流过程 阀门 p1 p2 p1 p2 常见的不可逆过程 混合过程 自由膨胀 真空 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 1 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 3 功的计算式 物理上为 W Fx 若系统内外力平衡 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 W 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 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 dvdS ds 公式 条件准静态或可逆可逆 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 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 0 4 用途 判断热量方向计算可逆过程的传热量 示功图与示热图 p V W T S Q 示功图 温熵 示热 图 1 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 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 正循环 p V T S 净效应 对外作功 净效应 吸热 顺时针方向 2 1 1 2 逆循环 p V T S 净效应 对内作功 净效应 放热 逆时针方向 2 1 1 2 热力循环的评价指标 正循环 净效应 对外作功 吸热 W T1 Q1 Q2 T2 动力循环 热效率 热力循环的评价指标 逆循环 净效应 对内作功 放热 W T0 Q1 Q2 T2 制冷循环 制冷系数 制热循环 制热系数 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 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 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 1 以容器内原有气体为系统 闭口系 功量 气体对活塞作功W W Q 热量 气体通过活塞从外界吸热Q 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 3 以放逸气体为系统 闭口系 功量 W W 热量 Q Q W Q W Q 4 以容器为系统 开口系 功量 W 热量 Q W Q 5 以气缸活塞为系统 开口系 功量 W W 热量 Q Q W Q W Q 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 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 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 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 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 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 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 pb p 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 B A 1 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 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 B A 2 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 自由膨胀过程 刚性 绝热 真空 A B B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 气体混合过程 刚性 绝热 pA pB A B 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 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pb V 气体作功 第一章完 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 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 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 W 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 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 2 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 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 微观动能 由分子热运动之和构成 由温度T来反映 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 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 内能的导出 内能的导出 闭口系循环 内能的导出 对于循环1a2c1 对于循环1b2c1 状态参数 p V 1 2 a b c 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 dU 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 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 热一律的文字表达式 热一律 能量守恒与转换定律 2 3闭口系统能量方程 W Q 一般式 Q dU WQ U W q du wq u w 单位工质 适用条件 1 任何工质2 任何过程 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 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 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 Q 2 4开口系能量方程 Wnet Q min mout uin uout gzin gzout 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 推进功的引入 Wnet Q min mout uin uout gzin gzout 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 推进功的表达式 推进功 流动功 推动功 p A p V dl W推 pAdl pVw推 pv 注意 不是pdvv没有变化 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 开口系能量方程的推导 Wnet Q pvin mout uin uout gzin gzout Q min u c2 2 gz in mout u c2 2 gz out Wnet dEcv min pvout 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 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 焓的引入 定义 焓h u pv h h 开口系能量方程 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 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 2 5稳定流动能量方程 Wnet Q min mout uin uout gzin gzout 稳定流动条件 1 2 3 轴功 每截面状态不变 4 稳定流动能量方程的推导 稳定流动条件 0 稳定流动能量方程的推导 1kg工质 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 技术功 动能 工程技术上可以直接利用 轴功 机械能 位能 单位质量工质的开口与闭口 ws q 稳流开口系 闭口系 1kg 容积变化功 等价 技术功 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 几种功的关系 w wt pv c2 2 ws g z 做功的根源 ws 对功的小结 2 开口系 系统与外界交换的功为轴功ws 3 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w ws wt 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 技术功在示功图上的表示 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 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 1m sc2 30m s c22 c12 2 0 449kJ kg z1 0mz2 30mg z2 z1 0 3kJ kg 1bar下 0oC水的h1 84kJ kg100oC水蒸气的h2 2676kJ kg 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 透平机械 1 体积不大 2 流量大 3 保温层 q 0 ws h h1 h2 0 输出的轴功是靠焓降转变的 q h wtq h c2 2 g z ws现q 0 c 0 z 0故ws h h1 h2 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 压缩机械 1 体积不大 2 流量大 3 保温层 q 0 ws h h1 h2 0 输入的轴功转变为焓升 泵与风机 q h c2 2 g z ws现q 0 c 0 z 0故ws h h2 h1 压缩功 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 换热设备 热流体放热量 没有作功部件 热流体 冷流体 h1 h2 h1 h2 冷流体吸热量 焓变 锅炉 q h wt现wt 0 q h h2 h1 例4 绝热节流 管道阀门 制冷空调 膨胀阀 毛细管 绝热节流 绝热节流过程 前后h不变 但h不是处处相等 没有作功部件 绝热 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 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 第二章小结 1 本质 能量守恒与转换定律 第二章小结 通用式 2 热一律表达式 第二章小结 稳流 dEcv 0 通用式 第二章小结 闭口系 通用式 第二章小结 通用式 循环 dEcv 0 out in 第二章小结 孤立系 通用式 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 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 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 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 第二章作业 2 152 162 18 第二章完 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 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 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 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 k 四种形式的克拉贝龙方程 Rm与R 摩尔容积Vm 状态方程 统一单位 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 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 计算时注意事项 1 绝对压力 2 温度单位K 3 统一单位 最好均用国际单位 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 1 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 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 3 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 工质数量 加热的过程 工质性质 工质的状态 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 T s 1 2 1K 比热容是过程量还是状态量 c1 c2 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 定容比热容cv 任意准静态过程 u是状态量 设 定容 定压比热容cp 任意准静态过程 h是状态量 设 定压 cv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 3 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 pvT不变 理想气体的内能u 理气绝热自由膨胀pvT不变 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u T 理想气体u只与T有关 理想气体内能的计算 理想气体 实际气体 理想气体的焓 理想气体 实际气体 理想气体h只与T有关 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 1 由 q du pdv代入 q Tds du cvdT p RT v有 两边同除T 2 由 q dh vdp代入 q Tds dh cpdT v RT p得 两边同除T 3 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 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 结论 s只取决于p v T中任何两个 即只与状态有关 工程上只关心 s而很少涉及绝对熵的问题 故这里暂不提熵的零点问题 上面 s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 一般工质 理想气体 迈耶公式 理想气体的热容 令 比热比 1 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cp 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 k 1 67 1 4 1 29 2 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 3 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 1 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 1 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 1 若定比热 理想气体 s的计算 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 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 研究热力学过程的对象与方法 对象 方法 抽象分类 2 可逆过程 不可逆再修正 基本过程 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 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 q 4 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 1 过程方程v constdv 02 状态参数关系式 现v1 v2则 一 定容过程 3 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 cv u cv T h cp T 5 功与热 闭口系dw pdv 0q u pdv u 4 u h s变化量 开口系 二 定压过程 现p1 p2 则 1 过程方程p constdp 02 状态参数关系式 3 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 p v T s 5 功与热 开口系dwt vdp 0q h vdp h cp T 闭口系 4 u h s变化量 h cp T u cv T 3 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 理想气体s的过程方程 当 理想气体 3 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 4 u h s变化量u cv Th cp T S 0 5 功与热 闭口系 因pvk为常数 所以 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 开口系 因pvk为常数 所以 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 3 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 n n k s 理想气体nw wt q的计算 多变过程比热容 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 p T s v n p T s v 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 斜率 理想气体过程的p v T s图 上凸 下凹 s T v p p p p 斜率 理想气体过程的p v T s图 上凸 下凹 s T v p p p v v v 斜率 理想气体过程的p v T s图 上凸 下凹 s T v p p p T v v T T 理想气体过程的p v T s图 s T v p p p s v v T T s s 理想气体基本过程的p v T s图 s T v p p p v v T T s s u在p v T s图上的变化趋势 s T v p u T u 0 u 0 h在p v T s图上的变化趋势 s T v p h T u 0 u 0 h 0 h 0 w在p v T s图上的变化趋势 s T v p u 0 u 0 h 0 h 0 w 0 w 0 wt在p v T s图上的变化趋势 s T v p u 0 u 0 h 0 h 0 w 0 w 0 wt 0 wt 0 q在p v T s图上的变化趋势 s T v p u 0 u 0 h 0 h 0 w 0 w 0 wt 0 wt 0 q 0 T q 0 u h w wt q在p v T s图上的变化趋势 s T v p u 0 u 0 h 0 h 0 w 0 w 0 wt 0 wt 0 q 0 u h T w v wt p q s q 0 p v T s图练习 1 s T v p 压缩 升温 放热的过程 终态在哪个区域 p v T s图练习 2 s T v p 膨胀 降温 放热的过程 终态在哪个区域 p v T s图练习 3 s T v p 膨胀 升温 吸热的过程 终态在哪个区域 3 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 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wt 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 三种压气过程的参数关系 三种压气过程功的计算 最小 重要启示 两级压缩中间冷却分析 有一个最佳增压比 省功 最佳增压比的推导 省功 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 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 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 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 根据经验 有无冷却水套 假定 理论功 压气机的设计计算 实际过程有摩擦 机械效率 经验值 70 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 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 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 余隙容积VC对理论压气功的影响 设1 2和4 3两过程n相同 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 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 08 余隙容积VC对产气量的影响 讨论 极限 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 例题 1 有余隙影响 余隙影响例题 解 2 无余隙时的排气量和耗功 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 p v图 T s图上的表示 6 压气机热力过程的分析方法 作图练习题 1 s 比较 作图练习题 2 比较 作图练习题 3 比较 第三章完 第四章热力学第二定律 能量之间数量的关系 热力学第一定律 能量守恒与转换定律 所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行 自发过程的方向性 自发过程 不需要任何外界作用而自动进行的过程 自然界自发过程都具有方向性 热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势 自发过程的方向性 功量 自发过程具有方向性 条件 限度 摩擦生热 热量 100 热量 发电厂 功量 40 放热 热力学第二定律的实质 能不能找出共同的规律性 能不能找到一个判据 自然界过程的方向性表现在不同的方面 热力学第二定律 4 1热二律的表述与实质 热功转换传热 热二律的表述有60 70种 1851年开尔文 普朗克表述热功转换的角度 1850年克劳修斯表述热量传递的角度 开尔文 普朗克表述 不可能从单一热源取热 并使之完全转变为有用功而不产生其它影响 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功 而必须将某一部分传给冷源 理想气体T过程 q w T s p v 1 2 热机 连续作功构成循环 1 2 有吸热 有放热 但违反了热力学第二定律 第二类永动机 设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机 这类永动机并不违反热力学第一定律 第二类永动机是不可能制造成功的 环境是个大热源 锅炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器 Wnet Qout Q 克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化 热量不可能自发地 不付代价地从低温物体传至高温物体 空调 制冷 代价 耗功 两种表述的关系 开尔文 普朗克表述 完全等效 克劳修斯表述 违反一种表述 必违反另一种表述 热二律的实质 自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然 说明共同本质 若想逆向进行 必付出代价 热一律否定第一类永动机 热机的热效率最大能达到多少 又与哪些因素有关 热一律与热二律 t 100 不可能 热二律否定第二类永动机 t 100 不可能 4 2卡诺循环与卡诺定理 法国工程师卡诺 S Carnot 1824年提出卡诺循环 热二律奠基人 卡诺循环 理想可逆热机循环 卡诺循环示意图 4 1绝热压缩过程 对内作功 1 2定温吸热过程 q1 T1 s2 s1 2 3绝热膨胀过程 对外作功 3 4定温放热过程 q2 T2 s2 s1 卡诺循环热机效率 卡诺循环热机效率 q1 q2 w t c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关 卡诺循环热机效率的说明 T1 t c T2 t c 温差越大 t c越高 当T1 T2 t c 0 单热源热机不可能 T1 K T2 0K t c 100 热二律 T0 c 卡诺逆循环 卡诺制冷循环 T0 T2 制冷 q1 q2 w T2 c T1 卡诺逆循环 卡诺制热循环 T0 T1 制热 q1 q2 w s2 s1 T0 三种卡诺循环 T0 T2 T1 制冷 制热 T s T1 T2 动力 卡诺定理 热二律的推论之一 定理 在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机 以可逆热机的热效率为最高 卡诺提出 卡诺循环效率最高 即在恒温T1 T2下 卡诺定理推论一 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机 具有相同的热效率 且与工质的性质无关 卡诺定理推论二 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机 其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率 卡诺定理小结 1 在两个不同T的恒温热源间工作的一切可逆热机 tR tC 2 多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC 3 不可逆热机 tIR 同热源间工作可逆热机 tR tIR tR tC 卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件 指出了提高热机热效率的方向 是研究热机性能不可缺少的准绳 对热力学第二定律的建立具有重大意义 卡诺定理举例 A热机是否能实现 1000K 300K A 2000kJ 800kJ 1200kJ 可能 如果 W 1500kJ 1500kJ 不可能 500kJ 实际循环与卡诺循环 内燃机t1 2000oC t2 300oC tC 74 7 实际 t 30 40 火力发电t1 600oC t2 25oC tC 65 9 实际 t 40 回热和联合循环 t可达50 4 3克劳修斯不等式 4 3 4 4熵 4 5孤立系熵增原理围绕方向性问题 不等式 热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想 热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性定义熵 克劳修斯不等式 克劳修斯不等式的研究对象是循环方向性的判据 正循环逆循环可逆循环不可逆循环 克劳修斯不等式的推导 克劳修斯不等式的推导 1 可逆循环 1 正循环 卡诺循环 T1 T2 R Q1 Q2 W 吸热 克劳修斯不等式的推导 2 不可逆循环 1 正循环 卡诺循环 T1 T2 R Q1 Q2 W 吸热 假定Q1 Q1 tIR tR W W 可逆时 IR W Q1 Q2 克劳修斯不等式的推导 1 可逆循环 2 反循环 卡诺循环 T1 T2 R Q1 Q2 W 放热 克劳修斯不等式的推导 2 不可逆循环 2 反循环 卡诺循环 T1 T2 R Q1 Q2 W 放热 假定Q2 Q2 W W 可逆时 IR W Q1 Q2 克劳修斯不等式推导总结 可逆 不可逆 正循环 可逆 不可逆 吸热 反循环 可逆 不可逆 放热 仅卡诺循环 克劳修斯不等式 对任意循环 可逆循环不可能 热源温度 热二律表达式之一 克劳修斯不等式例题 A热机是否能实现 1000K 300K A 2000kJ 800kJ 1200kJ 可能 如果 W 1500kJ 1500kJ 不可能 500kJ 4 4熵 热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想 热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性 热二律推论之三熵反映方向性 熵的导出 定义 熵 克劳修斯不等式 可逆过程 代表某一状态函数 可逆循环 不可逆循环 比熵 熵的物理意义 定义 熵 热源温度 工质温度 比熵 克劳修斯不等式 熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小 熵的物理意义 熵是状态量 可逆循环 熵变与路径无关 只与初终态有关 不可逆过程 S与传热量的关系 任意不可逆循环 1 2 a 可逆 不可逆 S与传热量的关系 可逆 不可逆 不可能 热二律表达式之一 对于循环 克劳修斯不等式 除了传热 还有其它因素影响熵 不可逆