热工基础张学学第二版高等教育出版社ppt课件

绪论,1.能量,0-1能量与能源,能量是物质运动的度量。,能量是人类社会进步的动力。,世界是由物质构成的，一切物质都处于运动状态，所以一切物质都具有能量。,1,能量的主要形式:,机械能,：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉及化学变化和核反应的热力学能，也称为内热能；,电能,化学能,核能,辐射能,:物体的动能与势能；,热能,：与电荷的运动和积蓄有关的能量；,：通过化学反应释放的能量；,：通过核反应释放的能量；,：物体以电磁波的形式发射的能量。,2,2.能源,能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。,（1）能源分类,1）按开发利用的情况：,常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。,新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、核聚变燃料等。,2）按开发的步骤：,一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。,二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。,3,3）按能否再生：,可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；,非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。,4）按开发利用过程中对环境的污染情况：,清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；,非清洁能源：煤、石油、天然气等。,（2）能源对人类社会发展的重要意义,能源是人类社会生存的基础，能源的开发和利用是人类社会发展的动力，能源开发和利用水平是人类社会文明的重要标志之一。,4,能源问题是全世界关注的重大问题，从20世纪70年代起，就被列入世界5大问题之一。,全世界关注的5大问题：,1）能源,2）人口,3）粮食,4）环境,5）资源,能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。,5,（3）我国能源利用的现状及主要问题,正常情况下，每个国家能源消费总量及增长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比，而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水平的高低。,1）人均储备量少，远低于世界平均水平,原煤：95吨/人（世界人均209吨/人）；,原油：3吨/人（世界人均28吨/人）；,天然气：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。,我国能源利用现状及存在的主要问题：,6,我国大陆地区年总发电量2.5亿千瓦，人均0.2千瓦/（人年）；台湾地区人均1.0千瓦/（人年）；,欧、美、日本等发达国家6千瓦/人年）。,我国的人均能源消费水平低，并且远低于世界发达国家的水平：,人均能源消费水平,7,2）能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重,我国能源的终端利用效率为3233；,发达国家能源的终端利用效率大于42。,我国每万元GDP的能耗是日本的6倍、美国的3倍、韩国的4.5倍。,我国单位产品的能耗平均比发达国家高40左右。,8,中国与日本工业能耗比较,9,中国发电的平均耗煤量,g/(kW.h),10,3）环境污染严重,工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，,我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标；,48个大中城市空气中的SO2浓度超标；,82%城市出现过酸雨；,我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占世界总排放量的13.6%。,据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使农作物减产每年损失达50亿美元。,11,我国的能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：,（1）合理利用能源，提高能源利用率。主要途径就是改造或更新技术落后的能源利用终端设备；,（2）大力开发对环境无污染或污染很小的新能源，如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。,12,3.能量的转换与利用,能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。,13,据统计，目前通过热能形式利用的能源在我国占总能源利用的90以上，世界其它各国平均也超过85。由此可见，在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。,14,热能利用的基本方式,（1）热利用：,烧饭、采暖、烘干、熔炼等；,（2）动力利用：,通过热机将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。,由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有12，现代燃气轮机装置的热效率大约只有3742，蒸汽电站的热效率也只有40左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。,15,0-2热工基础的研究内容,热工基础（热工理论基础）,工程热力学篇,传热学篇,主要研究内容：,热工基础主要研究热能利用的基本规律以及热能利用过程及自然界所有热现象中热量传递的基本规律。,16,1.工程热力学的研究内容与研究方法,（1）研究内容,工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施。（举例）,（2）研究方法,工程热力学采用经典热力学的宏观研究方法，还普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法。（举例说明）,17,热机工作过程示意图,如何提高热机的热能利用率（热效率）是工程热力学的主要研究内容之一。,18,2.传热学的研究内容与研究方法,（1）研究内容,传热学主要研究热量传递的规律。,所谓热量，是指在温差的作用下传递的热能的数量。由于在人们的日常生活和生产实践中温差几乎无处不在，所以热量传递是普遍存在的物理现象。,一切热能利用过程都离不开传热，热能利用率和传热过程密切相关。,19,传热学的应用非常广泛，传热学知识在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、低温工程、环境与建筑等工业领域以及在许多高科技领域都发挥着极其重要的作用。如电子信息工程、航空航天、医学和生命科学等。（举例）,（2）研究方法,传热学主要采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究方法。,20,热工基础课程的学习主要有两个目的,（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间相互转换的规律及提高转换经济性的方法和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；,（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。,21,热工基础是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分。除了能源、动力类专业学生必须进一步深入学习工程热力学与传热学之外，热工基础课程应该是机械类、交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、环境与安全类等各类专业大学本科生必修的一门技术基础课。,热工基础课程在人才培养中的地位与作用,22,第一篇,工程热力学,23,第一章基本概念,1-1热机、工质、热源与热力系统,热机：,能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。,24,工质：,实现热能和机械能之间转换的媒介物质。,热源：,本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。,例如空气、燃气、水蒸气等。,例如锅炉、循环水池、大气等。,提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。,25,热力系统：,在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。系统以外的物体称为外界或环境。系统与外界之间的分界面称为边界。,边界,闭口系统,（1）闭口系统,与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。,外界,26,（2）开口系统,与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。,（3）绝热系统,与外界没有热量交换的系统。,（4）孤立系统,与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。,27,1-2平衡状态及基本状态参数,1.平衡状态,（1）状态（热力状态）,系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。,（2）平衡状态,系统内部各处的宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为平衡状态。,系统内部不存在热量传递，即各处的温度均匀一致的状态称为热平衡状态。,28,（4）非平衡状态,系统内部存在不平衡势（温差或压差），因此存在能量或质量传递的宏观物理状况。非平衡状态不能用状态参数来描写。,状态参数的特点：,（3）状态参数,用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。,状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。,29,2.基本状态参数,工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。,（1）压力,单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）,单位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，,1MPa=103kPa=106Pa,30,常用非SI压力单位：,1bar（巴）=105Pa,1atm（标准大气压）=1.013105Pa,1at（工程大气压）=0.981105Pa,1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa,1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa,31,压力测量：,绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv,只有绝对压力p才是状态参数。,32,（2）温度,温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。,当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据。,1）温度的物理意义,33,2）热力学第零定律：,如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。,热力学第零定律是温度测量的理论依据。,3）温标：,温度的数值表示法。,建立温标的三个要素：,a.选择温度的固定点，规定其数值；b.确定温度标尺的分度方法和单位；c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的依据。,34,摄氏温标:,在标准大气压下，纯水的冰点温度为0，纯水的沸点温度为100，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01。,瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位为。,选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0100温度下的体积差均分成100份，每份对应1。,35,用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T表示，单位为K（开）。,热力学温标（绝对温标）:,英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,热力学温标与摄氏温标的关系：,温差:1K=1,t=T273.15K,36,国际单位制（SI）采用热力学温度T作为基本状态参数。,4)温度的测量,a.接触式,水银温度计、酒精温度计,热电偶、电阻温度计等。,b.非接触式,光学辐射高温计,激光全息干涉仪,CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,37,（3）比体积,定义：,单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为m3/kg。,密度：,单位体积工质的质量，用符号表示，单位为kg/m3。,比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数。,38,1-3状态方程与状态参数坐标图,（1）状态公理,对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v，p、T或v、T）便可确定它的平衡状态。,（2）状态方程式,表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。如：,39,（3）状态参数坐标图,在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。,以独立状态参数为坐标的坐标图。,40,1-4准平衡过程和可逆过程,（1）热力过程,系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。,41,（2）准平衡过程（准静态过程）,所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。,在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的实线表示。,在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间非常短的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。,42,（3）可逆过程,如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化，这样的过程为可逆过程。,实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。,可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件：准平衡过程无耗散效应。,43,1-5功量与热量,1.功量与示功图,(1)膨胀功,工质在体积膨胀时所作的功称为膨胀功。,符号：W,单位：J或kJ,对于微元可逆过程，,对于可逆过程12：,44,单位质量工质所作的膨胀功用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。,(2)示功图（p-v图）,功是过程量而不是状态量。,膨胀：dv0,w0,压缩：dv0,w0;,系统放热：q0。,热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量,46,在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量的计算公式具有相同的形式。,功量：,热量：,s称为比熵。比熵同比体积v一样是工质的状态参数。,比熵的定义式：,（可逆过程）,比熵的单位为J/(kgK)或kJ/(kgK)。,47,对于质量为m的工质，,S为质量为m的工质的熵，单位是J/K。,根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：,48,（2）示热图（T-s图）,在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s图（温熵图）上过程曲线下的面积来表示。,温熵图也称示热图,49,第二章热力学第一定律,热力学第一定律就是一切热力过程所必须遵循的能量转换与守衡定律。本章重点阐述热力学第一定律的实质与数学描述，为热力过程计算奠定理论基础。,50,2-1热力系统的储存能,热力系统储存能,热力学能,宏观动能、宏观位能,1.热力学能,不涉及化学变化和核反应时的物质分子热运动动能和分子之间的位能之和（热能）。,热力学能符号：U，单位：J或kJ。,51,气体工质的比热力学能可表示为,任何状态下系统热力学能的数值不可能为零。由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热力学能的变化量，因此热力学能的零点可以人为地规定，例如，通常取0K时气体的热力学能为零。,比热力学能：,单位质量工质的热力学能。符号：u；单位：J/kg或kJ/kg。比热力学能是状态参数。,52,3.宏观位能：Ep，单位为J或kJ,4.储存能：E，单位为J或kJ,比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg,2.宏观动能：Ek，单位为J或kJ,53,2-2热力学第一定律的实质,热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，可表述为：,在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。,不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。,进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化,54,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,U,对于微元过程，,55,对于可逆过程，,对于单位质量工质,对于单位质量工质的可逆过程,56,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,1.稳定流动与流动功,（1）稳定流动,流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变。,稳定流动的实现条件：,1）系统和外界交换的能量（功量和热量）与质量不随时间而变；,2）进、出口截面的状态参数不随时间而变。,57,（2）流动功,推动工质流动所作的功，也称为推进功。,对于单位质量工质，,流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具有的能量。,58,2.开口系统的稳定流动能量方程,在时间内,进口质量m1、流速cf1、标高z1,出口质量m2、流速cf2、标高z2,稳定流动：,59,在时间内进入系统的能量,在时间内离开系统的能量,60,根据热力学第一定律可得,令,，h称为比焓。,比焓的物理意义：,比焓是状态参数；对于流动工质，比焓表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分。,61,上式可整理成,62,以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。,对于单位质量工质，,对于微元过程，稳定流动能量方程写成,63,注意：,（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数；,（2）对于流动工质，流动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分；,（3）对于不流动工质，不存在流动功，比焓也不表示能量，仅是状态参数。,（4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。,64,3.技术功,定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功，用Wt表示,对于单位质量工质，,65,开口系统的稳定流动能量方程式可改写为,对于微元过程，,对于开口系统的稳定流动过程，系统内各点的状态都不随时间而变化，所以可以将质量为m的工质作为闭口系统来研究。,66,可以假定质量为m的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量Q,作了膨胀功W。,根据闭口系统的热力学第一定律表达式,对比开口系统的稳定流动能量方程式,可得,67,对可逆过程，,式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反。,68,将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式,可得,（适用于一般过程）,（适用于可逆过程）,对于微元可逆过程，,技术功的图形表示,69,2-5稳定流动能量方程式的应用,工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。,1.热交换器,2.动力机械,70,3.绝热节流,(q=0,ws=0),注意：绝热节流过程不是定焓过程。,71,第二章小结,重点掌握以下内容：,（1）热力学第一定律的实质；,（2）热力学第一定律表达式及其适用范围；,（3）运用第一定律求解工程上的能量转换问题。,72,第三章理想气体的性质与热力过程,理想气体是一种经过科学抽象的假想气体，在自然界中并不存在。但是，在工程上的许多情况下，气体工质的性质接近于理想气体。因此，研究理想气体的性质具有重要的工程实用价值。本章重点讨论理想气体的性质、状态参数与热力过程的特点及计算方法。,73,3-1理想气体状态方程式,1.理想气体与实际气体,热机的工质通常采用气态物质：气体或蒸气。,气体：远离液态，不易液化。,蒸气：离液态较近，容易液化。,理想气体是一种经过科学抽象的假想气体，它具有以下3个特征：,74,（1）理想气体分子的体积忽略不计；,（2）理想气体分子之间无作用力；,（3）理想气体分子之间以及分子与容器壁的碰撞都是弹性碰撞。,理想气体在自然界并不存在，但常温下，压力不超过5MPa的O2、N2、H2、CO等实际气体及其混合物都可以近似为理想气体。另外，大气或燃气中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理。,75,2.理想气体状态方程式,又称克拉贝龙方程式。Rg为气体常数，单位为J/(kgK)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。,对于质量为m的理想气体，,物质的量：n，单位：mol（摩尔）。,摩尔质量：M，1mol物质的质量，kg/mol。,物质的多少还以物质的量（摩尔数）来衡量。,76,物质的量与摩尔质量的关系：,1kmol物质的质量数值与气体的相对分子质量的数值相同。,摩尔质量与气体的相对分子量之间的关系：,77,R称为摩尔气体常数。,根据阿佛伽德罗定律，同温、同压下任何气体的摩尔体积Vm都相等，所以任何气体的摩尔气体常数R都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。,R=8.314J/(molK),摩尔体积Vm：1mol物质的体积，m3/mol。,78,气体常数Rg与摩尔气体常数的关系：,可得物质的量为n的理想气体的状态方程式,由式,79,3-2理想气体的热容、热力学能、焓和熵,1.热容,定义：,物体温度升高1K（或1）所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容。,物体热容量的大小与物体的种类及其数量有关，此外还与过程有关，因为热量是过程量。如果物体初、终态相同而经历的过程不同，则吸入或放出的热量就不同。,80,（2）摩尔热容,1mol物质的热容，Cm，J/(molK)。,（3）比定容热容,（1）比热容（质量热容）：,单位质量物质的热容，c，J/(kgK)。,根据物质的数量和经历的过程不同，热容又分为,81,据热力学第一定律，对微元可逆过程，,热力学能u是状态参数，,对定容过程，,由上两式可得,82,（4）比定压热容,由比定容热容定义式可得,据热力学第一定律，对微元可逆过程，,83,焓也是状态参数，,对定压过程，,由上两式可得,由比定压热容的定义式可得,84,2.理想气体的比热容,（1）理想气体的比定容热容与比定压热容,由于理想气体的热力学能仅包含与温度有关的分子动能，只是温度的单值函数，所以,对于理想气体，根据焓的定义，,可见，理想气体的焓h也是温度的单值函数。,85,理想气体的cp与cV之间的关系：,=cV+Rg,上式两边乘以摩尔质量M，得,摩尔定压热容,摩尔定容热容,迈耶公式,86,比热容比：,理想气体的u和h是温度的单值函数，所以理想气体的cV和cp也是温度的单值函数。,（2）真实比热容与平均比热容,真实比热容：,，联立式,得,87,平均比热容：,称为工质在t1t2温度范围内的平均比热容,88,为工质在0t温度范围内的平均比热容。,一些常用气体在0t温度范围内的平均比热容数值查书后附表2和3。,（3）理想气体的定值摩尔热容,89,根据气体分子运动论及能量按自由度均分原则，原子数目相同的气体，其摩尔热容相同，且与温度无关，称为定值摩尔热容。,对于单原子气体，在相当大的温度范围内，表中所列的定值摩尔热容数值与实际热容非常吻合；,对于双原子气体，在0200温度范围内，定值摩尔热容数值与平均比热容数值相当接近；,对于多原子气体，定值摩尔热容数值与平均比热容数值相差较大。,90,3.理想气体的热力学能，焓和熵,（1）理想气体的热力学能与焓,理想气体的热力学能与焓都是温度的单值函数。,理想气体在任一过程中的热力学能与焓的变化和可以分别由以上两式计算，也可查表求得。,91,2)理想气体的熵,根据熵的定义式及热力学第一定律表达式，可得,对于理想气体，,代入上面两式，可得,92,比热容为定值时，分别将上两式积分，可得,93,结论：,（1）理想气体比熵的变化完全取决于初态和终态，与过程所经历的路径无关。这就是说，理想气体的比熵是一个状态参数。,（2）虽然以上各式是根据理想气体可逆过程的热力学第一定律表达式导出，但适用于计算理想气体在任何过程中的熵的变化。,94,3-3理想混合气体,1.理想混合气体的定义,由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。,2.理想混合气体的基本定律,（1）分压力与道尔顿定律,分压力：,某组元i单独占有混合气体体积V并处于混合气体温度T时的压力称为该组元的分压力。用pi表示。,95,道尔顿定律：,混合气体的总压力等于各组元分压力之和（仅适用于理想气体）。,96,分体积：,（2）分体积与分体积定律,混合气体中第i种组元处于与混合气体压力和温度时所单独占据的体积称为该组元的分体积，用Vi表示。,分体积定律：,理想混合气体的总体积等于各组元的分体积之和，即,97,3.理想混合气体的成分,成分：各组元在混合气体中所占的数量份额。,（1）成分的分类,1）质量分数,：某组元的质量与混合气体总质量的比值称为该组元的质量分数。,2）摩尔分数,：某组元物质的量与混合气体总物质的量的比值。,98,3）体积分数,：某组元分体积与混合气体总体积的比值称为该组元的体积分数。,组元i:,（2）各成分间的关系,混合气体：,混合气体的成分表示法实际上只有两种：质量分数wi和摩尔分数xi，二者之间的关系为,99,4理想混合气体的平均摩尔质量和平均气体常数,（1）理想混合气体的平均摩尔质量,100,5理想混合气体的比热容,（2）理想混合气体的平均气体常数,摩尔热容:,比热容:,101,（3）依据：热力学第一定律表达式、理想气体状态方程式及可逆过程的特征关系式。,3-4理想气体的热力过程,1热力过程的研究目的与方法,（1）目的：了解外部条件对热能与机械能之间相互转换的影响，以便合理地安排热力过程，提高热能和机械能转换效率。,（2）任务：确定过程中工质状态参数的变化规律，分析过程中的能量转换关系。,102,（4）分析方法：,采用抽象、概括的方法，将实际过程近似为具有简单规律的典型可逆过程，如可逆定容、定压、定温、绝热过程等。,（5）分析内容与步骤：,1）确定过程方程式，分析初、终状态参数之间的函数关系及热力学能和焓的变化；,2）在p-v图和T-s图上表示过程中状态参数的变化规律；,3）确定过程的功量（膨胀功和技术功）和热量。,103,2理想气体的基本热力过程,（1）定容过程：,气体比体积保持不变的过程。,1)定容过程方程式及初、终状态参数关系式,定容过程方程式：,v=常数,定容过程初、终态基本状态参数间的关系:,理想气体经历任何过程，热力学能和焓的变化都为：,104,2)定容过程在p-v图和T-s图上的表示,定容过程在p-v图上为一条垂直于v轴的直线。,105,对于定容过程,如果比热容取定值，上式积分,可见，定容线在T-s图上为一指数函数曲线。,由于T与cV都不会是负值，所以定容过程在图上是一条斜率为正值的指数曲线。,其斜率为,106,3)定容过程的功量和热量,因为dv=0，所以膨胀功为零，即,技术功,热量,107,（2）定压过程,气体压力保持不变的过程。,1)定压过程方程式及初、终状态参数关系式,定压过程方程式：,p=常数,定压过程初、终态基本状态参数间的关系:,2)定压过程在p-v图和T-s图上的表示,定压过程在p-v图上为一条平行于v轴的直线。,108,对于定压过程，,若比热容取为定值，将上式积分，可得,可见，定压过程线在T-s图上也是一指数函数曲线。,其斜率为,109,(3)定温过程,3)定压过程的功量和热量,膨胀功,技术功,热量,气体温度保持不变的过程。,1)定温过程方程式及初、终状态参数关系式,定温过程方程式：,T=常数,pv=常数,根据pv=RgT，,110,定温过程初、终态基本状态参数间的关系:,2)定温过程在p-v图和T-s图上的表示,在p-v图上，定温过程线为一等边双曲线。,111,3)定温过程的功量和热量,膨胀功:,技术功:,热量:,对于理想气体的定温过程，,根据热力学第一定律表达式，,112,（4）定熵过程,热量也可以由熵的变化进行计算：,上式对实际气体或液体的定温过程同样适用。,气体与外界没有热量交换（q=0）的过程称为绝热过程。,对于可逆绝热过程，,所以可逆绝热过程也称为定熵过程。,113,对于理想气体，,可得,令,于是,该式称为理想气体定熵过程的过程方程式。,，称为比热容比，对于理想气体，一般用表示，通常称为绝热指数，也称为定熵指数。,1)定熵过程方程式及初、终状态参数关系式,114,2)定熵过程在p-v图和T-s图上的表示,绝热过程初、终态基本状态参数间的关系:,根据,，上式可变为,绝热线斜率,定温线斜率,115,3)定熵过程的功量和热量,膨胀功:,116,对于比热容为定值的理想气体，,上式适用于比热容为定值的理想气体的任何过程。,对于理想气体的可逆过程，,代入上式,117,技术功,上式适用于流动工质的可逆与不可逆绝热过程。,对于比热容为定值的理想气体，,对于理想气体的可逆过程，,代入上式,118,3.多变过程,(1)多变过程的定义及过程方程式,常数,n=0，p=常数，定压过程；,n=1，pv=常数，定温过程；,n=，pv=常数，定熵过程；,，v=常数，定容过程。,(2)多变过程中状态参数的变化规律,多变过程的过程方程式及初、终状态参数关系式的形式与绝热过程完全相同。,119,多变过程中的u、h、s可按理想气体的有关公式进行计算。,(3)多变过程在p-v图和T-s图上的表示,p-v图：,p-v图上多变过程曲线的斜率为,120,T-s图：,根据,n=0:,n=1:,n=:,n=:,121,(4)多变过程的功量和热量,膨胀功:,pv=RgT,(n0,1),技术功:,(n),122,热量:,当n=1时，为定温过程，u=0,当n1时，若取比热容为定值，,称为多变热容。,123,当n=0时，,(定压过程),当n=1时，,(定温过程),当n=时，,(定熵过程),当n时，,(定容过程),为了便于对比，将四种典型热力过程和多变过程的的公式汇总在书中表32中。,124,125,第三章小结,重点掌握以下内容：,（1）会利用理想气体状态方程式计算理想气体的状态参数；,（2）掌握热容的定义及理想气体热容的特点；,（3）掌握理想气体热力学能、焓、熵的计算方法；,（4）掌握理想混合气体成分的描述方法，掌握理想混合气体状态参数的计算方法；,（5）掌握理想气体基本热力过程的过程方程式、状态参数坐标图上的表示及状态参数的变化与过程中的功量、热量的计算方法。,126,第四章热力学第二定律,41自发过程的方向性与热力学第二定律的表述,热力学第一定律阐明了热能和机械能以及其它形式的能量在传递和转换过程中数量上的守恒关系。热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。,1.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。,127,2热力学第二定律的表述,自发过程是不可逆的。,要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种代价，或者说给外界留下某种变化。,随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。,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。,开尔文普朗克表述：,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。,第二类永动机是不可能制造成功的。,128,42卡诺循环与卡诺定理,1.热力循环,热力循环：,工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。,可逆循环：,全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。,不可逆循环：,循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。,(1)正向循环：,将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。,129,正向循环示意图：,在p-v与T-s图上，正向循环按顺时针方向进行。,130,经过一个正向循环，,根据热力学第一定律，,循环热效率：,循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然，t0；,放热：dSfT0），传出的热量为Q，则其热量等于在该热源与环境之间工作的卡诺热机所能作出的功，即,如果热源温度随热量的传递而变化，可假想在热源与环境之间有无穷多个微卡诺循环，,153,3.稳定流动工质的,在除环境之外没有其它热源的情况下，稳定流动工质由所处的状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时所能作出的最大有用功称为该工质在所处状态的。,进口状态：A(T、p、h、s）,出口状态：,A-a：可逆绝热膨胀,a-0：可逆定温膨胀,0(T0、p0、h0、s0）,154,工质由状态A经状态a变化到状态0的全过程为可逆过程，可作出最大有用功。对于单位质量工质，最大有用功为,根据热力学第一定律，,ws,max就是单位质量稳定流动工质的，也称为比焓，ex,H,155,单位质量工质从状态1稳定流动到状态2，理论上所能作出的最大有用功等于两状态的比焓之差,如果在状态变化过程中还从环境以外的热源吸收了热量，则这一过程中理论上所能作出的最大有用功还应包括比热量ex,Q，即,可见，如果环境恒定不变，则稳定流动工质的比焓只与工质的热力状态有关。,156,将上式改写成损失的表达式,该式为不可逆稳定流动过程的平衡方程式。,热工系统的热能利用程度可以通过列出其平衡方程式来加以分析（分析），因为分析可以清楚地揭示出导致作功能力损失的原因和部位，从而为系统的改进提供有力的依据。分析对合理用能及节能具有重要的指导意义。,实际过程是不可逆的，必然有作功能力损失，即损失,用ex,I表示，则实际对外输出的功为,157,第四章小结,重点掌握以下内容：,（1）热力学第二定律的实质及表述；,（2）热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济性的描述方法；,（3）卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；,（4）卡诺定理的内容及实际意义；,（5）理解熵的导出方法，掌握克劳修斯不等式的形式及其物理意义；,（6）不可逆过程熵的变化特点，任意过程熵变的计算方法，熵流与熵产的定义；,158,（7）孤立系统熵增原理的内容与实际意义；,（8）作功能力损失与孤立系统熵增之间的关系；,（9）、比热量、比焓的定义；,（10）分析及其实际意义。,159,第五章水蒸气与湿空气,51水蒸气的产生过程,气态工质,气体,蒸气,：远离液态，一般可作为理想气体处理，如空气、燃气。,：靠近液态，一般不能作为理想气体处理，如水蒸气、氨蒸气等。,水蒸气来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，是热工技术上应用最广泛的工质。,蒸气是由液体汽化而产生的。,160,液体汽化,蒸发,沸腾,：任何温度下在液体表面进行的汽化现象，温度愈高愈强烈。,：沸腾是在给定压力所对应的温度下发生并伴随着大量汽泡产生的汽化现象。,饱和状态,：液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态。,饱和压力ps、,饱和温度ts：,水蒸气：ps0.101325MPa，ts=100C,161,水的定压加热过程：,湿饱和蒸气（湿蒸气）的干度x,mv-湿蒸气中干饱和蒸气的质量,mw-湿蒸气中饱和水的质量,汽化潜热,J/kg,162,水的定压加热过程在p-v图和T-s图上的表示：,临界状态,水的临界状态,m3/kg,163,5-2水蒸气的状态参数,水在临界压力或高于临界压力下定压加热到临界温度时，不存在汽液分界线和汽液共存的汽化过程，再加热就直接成为过热蒸汽。,一般情况下，水蒸气的性质与理想气体差别很大,为了便于工程计算，将不同温度和不压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成表或绘成线算图。,饱和水与饱和蒸气表,分为以温度为序（附录表5）和以压力为序（表6）两种。,164,165,未饱和水与过热蒸气表（附录表7）,166,国际规定，蒸汽表取三相点（即固、液、汽三相共存状态）液相水的热力学能和熵为零。,即：p=611.7Pa，v=0.00100021m3/kg,T=273.16K,u=0kJ/kg，s=0kJ/(kgK),湿蒸汽的状态参数,1kg湿蒸汽是由xkg干蒸汽和（1x）kg饱和水混合而成，,注意单位,167,水蒸气的焓熵图,C临界点,CA下界线,CB上界线,定压线,定容线,定温线,定干度线,湿蒸汽区的定压线就是定温线。,168,5-3水蒸气的基本热力过程,分析目的：,分析步骤：,了解过程中水蒸气的状态变化规律，确定过程中水蒸气与外界的能量交换。,(1)根据给定条件，在h-s图上（或水蒸气表中）查出初态的其它参数值;,(2)根据初态和过程特点以及终态的一个参数值，确定终态的其它参数值;,(3)根据热力学基本定律，结合过程的特点，计算过程中工质与外界交换的功量与热量。,169,定容过程：,170,定温过程：,171,定压过程：,172,定熵过程：,在热工计算中，遇到最多的是水蒸气的定压过程(如锅炉中水蒸气的产生与冷凝器中水蒸气的凝结)和绝热过程(蒸汽机或汽轮机中水蒸气的膨胀作功过程)。,173,蒸汽节流测量湿蒸汽的干度：,174,5-4湿空气的性质,湿空气：含有水蒸气的空气。,干空气：完全不含水蒸气的空气。,在干燥、空气调节以及精密仪表和电绝缘的防潮等对空气中的水蒸气特殊敏感的领域，则必须考虑空气中水蒸气的影响。,湿空气中水蒸气的分压力很低，可视水蒸气为理想气体。一般情况下，湿空气可以看作理想混合气体。根据道尔顿定律，湿空气的总压力等于水蒸气的分压力与干空气的分压力之和：,175,1.未饱和湿空气与饱和湿空气,未饱和湿空气：,饱和湿空气：,湿空气中的水蒸气未饱和，处于过热状态，湿空气还能吸收水份。,湿空气中的水蒸气已饱和，不能再吸收水份。,定温吸湿过程13,176,2.露点,露点：,结露：,湿空气中的水蒸气分压力pv对应的饱和温度Td称为露点温度，简称露点。,定压降温到露点，湿空气中的水蒸气饱和，凝结成水（过程12）。,结霜：,177,3.绝对湿度、相对湿度和含湿量,湿度：湿空气中水蒸气的含量。,（1）绝对湿度,1m3的湿空气中所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，即湿空气中水蒸气的密度：,饱和湿空气的绝对湿度达到最大值,水蒸气的气体常数：,178,（2）相对湿度,湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度之比称为湿空气的相对湿度。,饱和湿空气,干空气,未饱和湿空气,相对湿度越小，空气越干燥，吸水能力越强；相对湿度越大，空气越湿润，吸水能力越低。,179,（3）含湿量,在湿空气中，与单位质量干空气共存的水蒸气的质量，称为湿空气的含湿量或比湿度。,kg/kg(干空气),据理想气体状态方程：,180,4.湿空气的相对分子质量、气体常数及密度,干空气的相对分子质量:,水蒸气的相对分子质量:,湿空气的平均相对分子质量:,181,湿空气的气体常数,湿空气的密度:每立方米湿空气所具有的质量。,182,5.湿空气的焓,湿空气的焓：,湿空气的比焓：,kJ/kg（干空气）,工程上，取0C时干空气、饱和水的焓为零，即ha=0、hv=0,温度t下干空气和水蒸气的焓分别为,温度t下干湿空气的焓为,kJ/kg（干空气）,183,6.湿空气的焓湿图,湿空气的焓-湿图是湿空气工程计算的重要工具。,（1）定焓线簇h0、h1、h2、h3,（2）定含湿量线簇d1、d2、d3,（3）定温线簇t0、t1、t2、t3,（4）定相对湿度线簇1、2、3,184,5-5湿空气的基本热力过程,1.加热吸湿过程,工程上的干燥处理过程，如谷物、木材、药材、纺织品、食品、造纸等许多烘干工艺。,人工干燥方法：利用未饱和湿空气来吸收被干燥物体的水分，达到干燥的目的。,为了提高湿空气的吸湿能力，通常先对湿空气进行加热。由于加热过程中湿空气的含湿量不变，但随着温度升高，相对湿度降低，湿空气的吸湿能力增强。,185,在焓-湿图中湿空气的加热过程如12所示。,加热后的湿空气送入干燥室吸收被干燥物料的水份。如果忽略干燥室与外界的热量交换，物料中水份蒸发所吸收的潜热完全来自湿空气，因此物料干燥过程对湿空气来说是绝热加湿过程，湿空气的含湿量d和相对湿度增加，其焓值基本不变，如23所示。,186,2.冷却去湿过程,湿空气被冷却时，温度降低。在温度降至露点前其含湿量保持不变，相对湿度逐渐增加。当相对湿度达到1时，湿空气饱和，如果再继续冷却，则析出水份，过程将沿着的饱和曲线向含湿量减少、温度降低的方向进行，如12所示。,187,5-6干湿球温度计,将干湿球温度计由两个温度计构成，如图所示。,如果将干湿球温度计置于通风良好的湿空气中，由于湿球温度计上湿布的水分蒸发,吸收汽化潜热，使湿纱布中的水温降低，湿球温度计读书下降。当水分蒸发所需要的热量等于周围空气所传给的热量时，湿球温度计读书维持在某一数值不变，这一温度值称为湿球温度tw。,干球温度计：测量空气温度t湿球温度计:测量湿球温度tw,188,当湿空气未饱和时，其相对湿度愈小，湿球温度计上纱布中水分蒸发愈快，需要的汽化潜热愈多，湿球温度愈低，干、湿球温度差就愈大；反之，湿空气的相对湿度越大，干、湿球温度之差就愈小；当湿空气的相对湿度等于1时，湿空气为饱和湿空气，干球温度与湿球温度相等。,干、湿球温度之差可以表征空气相对湿度的大小，它们之间的关系可以表达为,根据干湿球温度计测量的干、湿球温度就可以由上式确定空气相对湿度的大小。,189,第五章小结,(1)水蒸气的定压加热产生过程，在p-v图和T-s图上表示定压加热时水蒸气的状态变化；,(2)利用水和水蒸气表及水蒸气的焓熵图确定水蒸气的状态参数。,(3)湿空气的性质及其描述方法，利用焓-湿图表示湿空气的加热吸湿和冷却去湿过程，。,重点掌握：,190,第八章热量传递的基本方式,第二篇传热学,热量传递有三种基本方式,热传导(thermalconduction),热对流(thermalconvection),热辐射(thermalradiation),191,81热传导,热传导（简称导热）,在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。,导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。,本书不讨论导热的微观机理，只讨论热量传递的宏观规律。,192,最简单的导热现象：大平壁的一维稳态导热,特点：,1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；,2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变