朱明善清华大学工程热力学课件全集PPT

1、朱明善朱明善教材与参考书教材与参考书教教 材：材：工程热力学工程热力学朱明善等编朱明善等编参考书：参考书：工程热力学工程热力学（第二版）（第二版） 庞麓鸣等编庞麓鸣等编 工程热力学工程热力学（第四版（第四版 ） 沈维道沈维道编编 20072007年年 工程热力学工程热力学严家騄严家騄编编 20072007年年 工程热力学工程热力学是重要的是重要的专业基础课专业基础课工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及 热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律 的科学的科学0-1 0-1 热能及其利用热能及其利用0-2 0-2 热能转换装置的工热能转换装置的工 作过

2、程作过程0-3 0-3 工程热力学的研究工程热力学的研究 对象及其主要内容对象及其主要内容0-4 0-4 热力学的研究方法热力学的研究方法热热能及其利用能及其利用热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水力力能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机90%转转换换直接利用直接利用供暖供暖0-2 0-2 热能转换装置的工作过程热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理一、蒸汽动力装置的工作原理

3、 锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 1、热源，冷源热源，冷源2、工质（水，蒸工质（水，蒸 汽）汽）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )二、燃气轮机装置二、燃气轮机装置的工作原理的工作原理 l压气机压气机 从大气环境吸从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。力和温度得以提高。l燃烧室燃烧室 空气和燃料在空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。高压的燃气。l涡轮机涡轮机 高温高压的燃高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外气推动涡

4、轮机叶轮旋转对外输出机械功。输出机械功。l工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进工质（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。而实现将热能转换为机械能的任务。 1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气） 3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气燃燃料料三、内燃机的工作原理三、内燃机的工作原理 l进气过程进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气塞下行，将空气吸入气 缸。缸。l压缩过程压缩过程 ：进、排

5、气门关，活塞上行：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压缩空气，使其温度和 压力得以升高。压力得以升高。l燃烧过程燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧，：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高气体压力和温度急剧升高 （燃料的化学能转换为热能）。（燃料的化学能转换为热能）。l膨胀过程膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。行，曲轴向外输出机械功。l排气过程排气过程 ：活塞接近下死点时，排气：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气门开，在压差的作用下废气 流出气缸。流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气随后，活塞上行，将残余气体推出气缸

6、。缸。l重复上述过程，将热能转换为机械能。重复上述过程，将热能转换为机械能。空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气内燃机内燃机装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 (加压、加热、加压、加热、 膨胀做功、放热膨胀做功、放热)四、蒸汽压缩制冷装置四、蒸汽压缩制冷装置 l压气机压气机 吸入来自蒸发器吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩的低压蒸汽，将其压缩 ( 耗耗功功 ) 产生高温高压的蒸汽。产生高温高压的蒸汽。l冷凝器冷凝器 使气体冷凝，得使气体冷凝，得到常温高压的液体。到常温高压的液体。l节流阀节流阀

7、 使液体降压，产使液体降压，产生低压低温的液体。生低压低温的液体。l蒸发器蒸发器 工质吸收冷藏库工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气内的热量，汽化为低压气体，使冷体，使冷 库降温。库降温。 制冷空调制冷空调装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（制冷剂）工质（制冷剂）3、得到容积变化功得到容积变化功4、循环循环 (加压、放热、加压、放热、 膨胀、吸热膨胀、吸热)热力热力装置装置共同基本特点共同基本特点 1、热源，冷源热源，冷源 2、工质工质 3、容积变化功容积变化功 4、循环循环 1、能量转换的基本定律能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程

8、3、热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理 4、化学热力学基础化学热力学基础1、宏观方法：宏观方法：连续体，用宏观物理量连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。总结。 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 经典经典 （宏观宏观）热力学热力学 0-4 0-4 工程热力学研究方法工程热力学研究方法2、微观方法：微观方法：从微观粒子的运动及相从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律互作用角度研究热现象及规律 特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 微观微观（统计统计）热力学热力学 工程热力学研究方法工程

9、热力学研究方法l 抓住主线抓住主线l 理论联系实际理论联系实际l 重视基本技能训练重视基本技能训练 分析计算能力、实验技能分析计算能力、实验技能 认真完成作业认真完成作业1-1 热力系统热力系统1-2 状态状态 平衡状态平衡状态1-3 热力状态参数热力状态参数1-4 状态方程、状态参数坐标图状态方程、状态参数坐标图1-5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程1-6 功和热量功和热量1-7 热力循环热力循环1-1 热力系统热力系统1-2 状态状态 平衡状态平衡状态1-3 热力状态参数热力状态参数1-4 状态方程、状态参数坐标图状态方程、状态参数坐标图1-5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可

10、逆过程1-6 功和热量功和热量1-7 热力循环热力循环1-1 热力系统热力系统 一、系统、外界与边界一、系统、外界与边界热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)：人为地研究对象：人为地研究对象外界外界：系统以外的所有物质：系统以外的所有物质边界边界(界面界面)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动封闭热力系（闭口系）封闭热力系（闭口系） 只与外界有能量交换而无物质交换只与外界有能量交换而无物质交换开口热力系开口热力系( (开口系开口系) ) 与外界既有能量交换又有物质交换与外界既有能量交换又有物质交换孤立系孤立系 与外界既无能量交换又无物质交换与外

11、界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类二、热力系的分类以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系归纳：归纳：1234mqw1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系

12、单元系相态相态多相多相单相单相最重要的最重要的系统系统 简单可压缩系统简单可压缩系统只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功1-2 状态状态 平衡状态平衡状态一、状态与状态参数一、状态与状态参数 状态状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。：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二、平衡状态与非平衡状态 平衡状态平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。：热力系宏观性质不随时间变化。 非平衡状态非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。：

13、热力系宏观性质随时间变化。三、平衡状态的判据三、平衡状态的判据1、力平衡、力平衡 2、热平衡、热平衡 3、相平衡、相平衡 4、化学平衡、化学平衡1-3 热力状态参数热力状态参数一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。二、特点二、特点1、与状态一一对应，完全取决于状态。、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，、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。与变化路径无关。三、分类三、分类1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力参数。如压力p、温度、温度

14、t、密度、密度、比焓、比焓h、比熵、比熵s、比容、比容、比内能、比内能u2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积参数。如容积v、内能、内能u、熵、熵s四、基本状态参数四、基本状态参数（一）压力（一）压力1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即、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。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。总效果。 2、单位：、单位：1pa=1n/m21kpa=1000 pa，1m

15、pa=106 pa，1bar= 105 pa1mmh2o=9.80665pa，1mmhg=133.3pa标准大气压标准大气压1atm=760mmhg=1.01325 105 pa工程大气压工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665104 paafpn注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才才是是状态参数状态参数当当 p pb表压力表压力 pg当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m

16、/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。pp外外f初始：初始：p a = p外外 a + +fa如果如果 p外外微小微小 可视为可视为准静态过程准静态过程dx以汽缸中以汽缸中mkg工质为系统工质为系统mkg工质发生容积变工质发生容积变化对外界作的功化对外界作的功 w = p a dx =pdv1kg工质工质 w =pdvdx 很小很小，

17、近似认为近似认为 p 不变不变pp外外2mkg工质：工质： w =pdv1kg工质：工质： w =pdv121wpdv21wpdv注意：注意：上式仅适用于上式仅适用于准静态过程准静态过程pv. .12. .pp外外21mkg工质：工质： w =pdv21wpdv1kg工质：工质： w =pdv21wpdvwpv. .12. .2） p-v 图上用图上用面积面积表示表示3）功的大小与路径有关，功的大小与路径有关， 过程量过程量4）统一规定：统一规定：dv0，膨胀，膨胀 对外作功（对外作功（正正） dv0，压缩，压缩 对对内作功（内作功（负负）5）适于适于准静态下准静态下的的任何任何工质（一般为流

18、体）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外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无有无f，只影响系统功与外界功的大小差别，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为单位为 kj 或或 kj/kgww若有若有f 存在，就存在损失存在，就存在损失pp外外21系统对外作功系统对外作功w，外界得到的功，外界得到的功w w若外界将得到的功若外界将得到的功w 再返还给系统，系再返还给系统，系统得到的功统得到的功wt2q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程，

19、但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。1 1、力学力学定义定义: : 力力 在在力力方向上的位移方向上的位移2、热力学热力学定义定义i：当热力系

20、与外界发生能量当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起唯一效果可归结为举起重物重物，此即为热力系对外作功。，此即为热力系对外作功。 热力学热力学定义定义ii：功是系统与外界相互作用功是系统与外界相互作用的一种方式，在的一种方式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序有序运动方运动方式传递的能量式传递的能量。一、功一、功3、功的计算式、功的计算式 物理上为物理上为: w=fx 若系统内外力平衡若系统内外力平衡fdxw padxpdvxp二、热量二、热量 1、定义：、定义：热量热量是热力系与外界相互作用的另是热力系与外界相互作用的另一种方式，在一种方式，在

21、温度温度的推动下，以微观的推动下，以微观无序无序运动运动方式传递的方式传递的能量。能量。 2、热量的表达式、热量的表达式 考虑：考虑： w=pdv 式中：式中：p为压差是作功的驱动力为压差是作功的驱动力, dv表示表示热力系是否作功热力系是否作功 对于热量对于热量q： 热传递的驱动力是温度热传递的驱动力是温度t，若，若ds表示热力系是否传热应有表示热力系是否传热应有:tdsqrev能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 t标志标志 dv , dv ds , ds公式公式pdvw tdsq pdvw t

22、dsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆revqdstrevqdst比参数比参数 kj/kgkds: 可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的t所得的所得的商商 清华大学清华大学刘仙洲刘仙洲教授命名为教授命名为“熵熵”广延量广延量 kj/k1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 q 0 ds 0系统系统放热放热时时为为负负 q 0 ds pbab非准静态过程，非可逆过程非准静态过程，非可逆过程取取a或或b中气体为系统中气体为系统可逆热

23、力学可逆热力学没法计算没法计算相互有功的作用相互有功的作用取取ab气体为系统，气体为系统，无功无功充气球充气球若若准静态过程准静态过程若取若取进入气球的进入气球的气体气体为为系统系统但但pv的关系不知的关系不知 ？若看外部效果，若看外部效果，p pb b不变不变外界得到功外界得到功p pb b v=气体作功气体作功wpdv2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2-2 储存能储存能2-3 闭口系统能量方程闭口系统能量方程2-4 开口系统能量方程开口系统能量方程2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2-6 稳定流动能量方程的应用稳定流动能量方程的应用 2-1 热力学第一定律的实质热力学

24、第一定律的实质一、能量守恒与转化定律一、能量守恒与转化定律 定义定义：能量既不能创造也不能被消灭。：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。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。在转换中，能的总量不变。 二、热力学第一定律二、热力学第一定律 1、内容：当热能与其它形式的能量相互转、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。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（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。）功。反之消耗等量的功必产生等量的热。） 2、实质：、实质： 能量守恒与转化定律在热力

25、学中的应用能量守恒与转化定律在热力学中的应用3、数学表达式、数学表达式 q = w要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”wq三、热力学第一定律的解析式三、热力学第一定律的解析式1、q=w 的不足的不足 (1) 只表明热力学第一定律的数学意义，但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，无法应用于工未考虑热力系的能量变化，无法应用于工程计算。程计算。 (2) 只体现了只体现了q，w 之间的量的关系，还不之间的量的关系，还不能区分二者之间质的不同。能区分二者之间质

26、的不同。 2、热力学第一定律的解析式、热力学第一定律的解析式 若考虑热力系的能量变化，则有：若考虑热力系的能量变化，则有： 输入热力系的能输入热力系的能 - 输出热力系的能输出热力系的能 = 热热力系内部储存能的变化量力系内部储存能的变化量2-2 储存能储存能宏观动能宏观动能 ek= mc2/2宏观位能宏观位能 ep= mgz机械能机械能一、从宏观上看：一、从宏观上看： 宏观能（外部储存能）宏观能（外部储存能）二、从微观上看：二、从微观上看： 微观能（内部能）对于热力系的内微观能（内部能）对于热力系的内部能，热力学上称之为内能，用部能，热力学上称之为内能，用u表示表示它包括：它包括： 微观动能

27、：由分子热运动之和微观动能：由分子热运动之和构成，由温度构成，由温度t来反映来反映 微观位能：由分子间相互作用微观位能：由分子间相互作用力引起，由比容力引起，由比容 v和温度来反映和温度来反映 所以：所以：u = f(t,v) 内能是状态参数。内能是状态参数。 三、系统的总储存能（总能）三、系统的总储存能（总能）总能总能 ： e=u+ek+ep比总能量：比总能量： e = u + ek + ep系统总能变化量可以写为：系统总能变化量可以写为：pkdededudepkeeue内能内能的导出的导出闭口系循环闭口系循环0qw qw蜒对于循环对于循环1a2c11 22 1()()0acqwqw对于循环

28、对于循环1b2c11 22 1()()0bcqwqw1 21 2()()abqwqw0qw 状态参数状态参数pv12abc定义定义 du = q - w 内能内能u 状态参数状态参数 q = du + wq = u + w闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 q = du 绝热系绝热系 w = - dudu = q - w w q du 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。 u 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储

29、存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能） 内能内能是状态量是状态量 u : : 广延参数广延参数 kj u : : 比参数比参数 kj/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定热一律热一律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化- w q一般式一般式 q = du + w q = u + w q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程

30、 w = pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q = tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一tds = du + pdv tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程qu w0q0uw0w t电电冰冰箱箱以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程qu w0quq w0w t空空调调 qqw wnet q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量

31、- -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化 wnet q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - wnet = decv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）papvdl w推推 = p a dl = pv w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2

32、 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量 wnet qpvin moutuinuoutgzingzout2

33、12inc212outc q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - wnet = decv minpvout q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = decv工程上常用工程上常用流率流率0limqq0limmm0limww2cvout2innetind/ 2/ 2outqeupvcgzmupvcgzmw当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2qewupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起

34、存在定义：定义：焓焓 h = u + pvnetcv2outout2inind/ 2/ 2qewupvcgzmupvcgzmhh开口系能量方程开口系能量方程 定义：定义：h = u + pv kj/kg h = u + pv kj 1、焓焓是状态量是状态量 2、h为广延参数为广延参数 h=u+pv= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。 w

35、net q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件1、outinmmm2、qconst3、netswconstw轴功轴功每截面状态不变每截面状态不变4、,/0c vdeoutinmmmqconstnetswconstw,/0c vdenetcv2outout2inind/ 2/ 2qewhcgzmhcgzm稳定流动条件稳定流动条件0mmsw22soutin22ccqmhgzhgzwqm qsswm w1kg工质工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 2s12qhcgzw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流

36、动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能2f12sqhmcm gzw 2f12sqhcgzw 位能位能twtwtqmhwtqhw wsq稳流开口系稳流开口系tqhw quw 闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功tqhw 容积变化功容积变化功w技术功技术功wtquw 闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws2、开口系，开口系，系

37、统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw准静态准静态()()twpdv d pvpdvpdv vdpvdptwvdp准静态准静态qdupdvqdh vdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp1 12 2ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a 230 2bs2t2/wgdzdcvd

38、pw对于流体流过管道，对于流体流过管道，0sw2102vdpdcgdz 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程s22/wzgchq热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kj/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kj/kg1bar下下, 0 oc水的水的 h1 = 84 kj/kg100 oc水蒸气水蒸气的的 h2 = 2676 kj/kgsqhw 火力发电火力发电核电

39、核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的 q = h + wt q = h + c2 / 2 + gz+ ws 现现 q = 0; c = 0; z = 0 故故 ws = -h = h1 - h2火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层

40、q 0ws = -h = h1 - h2常温常温，pppctdsdt12lnttcsp12lnvvcp5.功与热功与热 开口系开口系 dwt= vdp= 0 q=h-vdp=h=cpt闭口系闭口系)(1221vvppdvwtcdhpdvduqp4. u，h，s变化量变化量h= cpt u= cvttqdsr(2) 不仅不仅 , s 处处相等处处相等 0s0ds绝热绝热可逆可逆0dss说明说明: (1) 不能说不能说绝热绝热过程就是过程就是等熵等熵过程过程, 必须是必须是可逆绝热可逆绝热过程才是过程才是等熵等熵过程。过程。vp0dpdvdsccpvconstk constpvk三个条件三个条件:

41、 (1)理想气体理想气体 (2)可逆过程可逆过程 (3) k 为常数为常数pvckc0dpdvkpv当当lnlnpkvconst0ds理想气体理想气体3.曲线曲线显然：显然：kvvpp1212代入代入 pv=rt 得：得：kkpptt11212故在故在pv图上定熵线较定温线陡。图上定熵线较定温线陡。对于对于p-v图因为图因为 ds= 0 根据公式：根据公式：得：得：vpkdvdpspdpcvdvcdsvp由于定温时：由于定温时：vpdvdpt4. u，h，s变化量变化量 u= cvt h= cpt s= 05.功与热功与热闭口系闭口系21pdvw21kkvdvpv因因 pvk 为常数，所以：为

42、常数，所以：21kkvdvpvw21dvvpvkk2111kvpvkk211kpv211krtw)(112ttkr12111ttkrt同时，因同时，因 pv=rt 由式由式211kpvw得：得：kkppkrt112111)(121ttkr因为因为 cv=r/(k-1)，所以，所以这个式子也可以变为这个式子也可以变为w=cv(t1 -t2 )关于热量关于热量q 因为绝热所以热量为零因为绝热所以热量为零开口系开口系21vdpwt2111)(kkkpdppv因因 pvk 为常数，为常数，所以：所以：2111kkpdpvpw2111dppvpkk21111kkpvpkkk211kkpv211kkrtw

43、t)(112ttkkr12111ttkkrt同时，因同时，因 pv=rt 由式由式211kkpvwt得：得：kkppkkrt112111)(121ttkkr因为因为 cp=kr/(k-1)，所，所以这个式子也可以变以这个式子也可以变为为 wt=cp(t1 -t2 )可见对于绝热过程可见对于绝热过程wt 是是 w 的的 k 倍倍 。关于热量关于热量q 因为绝热所以热量为零。因为绝热所以热量为零。理想气体的理想气体的多变多变过程过程 过程方程过程方程constpvnn是常量，是常量，每一过程有一每一过程有一 n 值值nn = ksnvvpp)(211212112)(nvvttnnpptt11212

44、)(12()1rwpdvttntwnwv2121()()1rquwc ttttn v21v21n21()()()()11rn-kcttc ttc ttnnnc多变过程比热容多变过程比热容constpvn(1) 当当 n = 0 cpconstpv0nvpckcc(2) 当当 n = 1ctconstpv1nc (3) 当当 n = k kpvconstscn0c (4) 当当 n = 1np vconstvcnvccnv1n-kccnptsvnconstpvnptsvpvrtnv111k-nccn基本过程是多变过程的特例基本过程是多变过程的特例 基本过程的计算是我们的基础，基本过程的计算是我们

45、的基础，要非常清楚，非常熟悉。要非常清楚，非常熟悉。基本要求：基本要求：拿来就会算拿来就会算参见书上参见书上表表34 公式汇总公式汇总0n p()?dtdst斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？ptdsc dtvdpstvppptc0n pp0n v()?dtdst斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？vtdsc dtpdvstvppvtc0n pvpvccn n vvpp()dttdsc0n t()?dpdvp斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？pvcstvpppv 0n pt0pdvvdpn n vv1n tt1n 0n stvpp0n psn n vv1n tt1n nksnks ?sdpdvcpvkkpv

46、0)(kpvd10kkkpvdvv dpt()dppdvv 0n stvpp0n pn n vv1n tt1n nksnkskkpptt11212)(0n stvp0n n n 1n 1n nknkut= u0pvrt u0vuc dt 0n stvp0n n n 1n 1n nknkht= u0 u0phc dt h0 h00n stvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0wpdv h0 h0w012112)(kvvttw00n stvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0twvdp h0 h0w0w0wt0kkpptt11212)(wt00n stvp0n n n 1n

47、 1n nknk u0 u0qtds h0 h0w0w0wt0wt0q0tqwq00n stvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0 h0 h0w0w0wt0wt0q0u,h(t) w(v) wt(p) q(s)q00n stvp0n n n 1n 1n nknk压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？0n stvp0n n n 1n 1n nknk膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？0n stvp0n n n 1n 1n nknk膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？膨胀、升温、吸热的过程，终态在

48、哪个区域？压气机压气机的作用的作用生活中：自行车打气。生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等炼钢、燃气轮机、制冷空调等等型式型式结构结构活塞式活塞式(往复式往复式)离心式离心式 ，涡旋涡旋轴流式，螺杆轴流式，螺杆连续流动连续流动压压力力范范围围通风机通风机鼓风机鼓风机压缩机压缩机0.01pmpa 0.010.3mpapmpa 0.3pmpa 出口当连续流动出口当连续流动理论压气功理论压气功(可逆过程可逆过程)指什么功指什么功pv目的：目的：研究研究耗功耗功，越少越好越少越好技术功技术功wt12(1)、特别快，来不及换热。特别快，

49、来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是实际压气过程是 kn 12p1p1t2n2s2pvt2n21ts2p1ps2stnnk1n 2p1p1t2n2s2pvt2n21ts2p1ps2tttntswww2t2n2svvvtns0qqq12t2n2stttt2p1p1t2n2s2pvt2n21ts2p1ps21tt12lnpwrtpn 12ntn111 ()1npwrtnp12ts111 ()1kkkpwrtkp最小最小 重要启示重要启示储气罐冷却水高压缸低压缸进气口123452p1p12pp有一个最佳增压比有一个最佳增压比pv 省功省功123454p1pp

50、v 省功省功iiit(n)t(n)www分级n-12n11n-14n331() 11()1nprtnpnprtnpn-1n-124nn1122()() 1nppwrtnpp分级2p2412pppp123454p1ppv 省功省功n-1n-124nn1122()() 1nppwrtnpp分级欲求欲求w分级分级最小值，最小值，20wp分级412ppp 2p1424111pp ppppppp终初可证明可证明若若m级级mpp终初最佳增压比最佳增压比123454p1ppvts2p1p2p4p123456645tt 润滑油要求润滑油要求t100不可能不可能热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t

51、=100不可能不可能法国工程师卡诺法国工程师卡诺 ( (s. carnot) )，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程， q1 = t1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程， q2 = t2(s2-s1)t1wq2212t,c121111tsstt sst 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率t1t2rcq1q2w122111qqqqq t,c只取决于只取决于恒温热源恒温热源t1和和t2 而与工质的性质无

52、关；而与工质的性质无关；2t,c11tt t1 t,c , t2 t,c ，温差越大，温差越大， t,c越高越高 当当t1=t2， t,c = 0, 单热源热机不可能单热源热机不可能 t1 = k, t2 = 0 k, t,c 100%， 热二律热二律t0 ct0t2制冷制冷2212cqqwqq221202122102()()()t sstt sst ssttt0t2rcq1q2w0211tttss2s1t2 c t1 t0t1制热制热ts1112qqwqq121112102110()()()t sstt sst ssttt1t0rcq1q2w0111tts2s1t0 t0t2t1制冷制冷制热

53、制热tst1t2动力动力定理：在两个不同温度的定理：在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作间工作 的所有热机，以的所有热机，以可逆热机可逆热机的热效率的热效率 为为最高最高。 卡诺提出：卡诺提出：卡诺循环卡诺循环效率最高效率最高即在恒温即在恒温t1、t2下下t,rt,任 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的一间工作的一切切可逆热机可逆热机，具有，具有相同相同的的热效率热效率，且与工质，且与工质的性质无关。的性质无关。 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的任间工作的任何何不可逆热机不可逆热机，其热效率，其热效率总小于总小于这两个热源这两个热源间工作的间工作

54、的可逆热机可逆热机的效率。的效率。1、在两个不同在两个不同 t t 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切 可逆可逆热机热机 tr = tc 2、多多热源间工作的一切可逆热机热源间工作的一切可逆热机 tr多多 同温限间工作卡诺机同温限间工作卡诺机 tc 3、不可逆不可逆热机热机 tir 同热源间工作同热源间工作可逆可逆热机热机 tr tir tr= tc 在给定的温度界限间工作的在给定的温度界限间工作的一切热机一切热机， tc最高最高 热机极限热机极限 从理论上确定了通过热机循环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

55、，是研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。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对热力学第二定律的建立具有重大意义。重大意义。 a 热机是否能实现热机是否能实现1000 k300 ka2000 kj800 kj1200 kj可能可能 如果：如果：w=1500 kj2tc13001170%1000tt t1120060%2000wq1500 kjt150075%2000不可能不可能500 kj 内燃机内燃机 t1=2000oc，t2=300oc tc =74.7% 实际实际 t =3040% 卡诺热机卡诺热机只有只有理论理论意义，意义，最高理想最高理想实际上实

56、际上 t s 很难实现很难实现 火力发电火力发电 t1=600oc，t2=25oc tc =65.9% 实际实际 t =40%回热和联合循环回热和联合循环 t 可达可达50%4-3、 4-4 熵熵、 4-5 孤立系熵增原理孤立系熵增原理 围绕方向性问题，围绕方向性问题，不等式不等式热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性 定义定义熵熵克劳修斯不等式的研究对象是克劳修斯不等式的研究对象是循环循环 方向性的方向性的判据判据正正循环循环逆逆循环循环可逆可逆循环循环不可逆不可逆循环循

57、环 克劳修斯不等式克劳修斯不等式的推导的推导（1）可逆循环可逆循环1、正循环（正循环（卡诺循环卡诺循环）t1t2rq1q2w120qqq 吸热吸热221111tqtqt 2112qqtt 21120qqqttt （2）不可逆循环不可逆循环1、正循环（正循环（卡诺循环卡诺循环）t1t2rq1q2w120qqq 吸热吸热2112qqtt 21120qqqttt 假定假定 q1=q1 ， tir tr，ww 11qq可逆时可逆时irwq1q2可逆可逆 =不可逆不可逆 正循环（可逆、不可逆）正循环（可逆、不可逆）0q 吸热吸热0qt 反循环（可逆、不可逆）反循环（可逆、不可逆）0q 放热放热仅卡诺循环

58、仅卡诺循环 对任意循环对任意循环0rqt 克劳修斯克劳修斯不等式不等式将循环用无数组将循环用无数组 s 线细线细分，分，abfga近似可看成卡近似可看成卡诺循环诺循环= 可逆循环可逆循环 不可能不可能热源温度热源温度热二律表达式之一热二律表达式之一 a 热机是否能实现热机是否能实现1000 k300 ka2000 kj800 kj1200 kj可能可能 如果：如果：w=1500 kj1500 kj不可能不可能200080010003000.667kj/k0qt 500 kj200050010003000.333kj/k0qt 注意：注意： 热量的正和负是站在循环的立场上热量的正和负是站在循环的

59、立场上热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性定义：定义：熵熵reqdst0rqt 克劳修斯不等式克劳修斯不等式可逆过程，可逆过程， ， 代表某一代表某一状态函数状态函数。tqqt= 可逆循环可逆循环 不可逆不可逆212112qssst= 可逆可逆不可逆不可逆：不可逆过程：不可逆过程定义定义fqdst熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起g0ds gfdsdsds结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是

60、过程不可逆性大小的度量。qdst熵流：熵流：永远永远fgsss 热二律表达式之一热二律表达式之一任意不可逆过程任意不可逆过程gfdsdsdsfgsss 0s f0sg0s可逆过程可逆过程f0ss g0s不可逆绝热过程不可逆绝热过程0sf0sg0s可逆绝热过程可逆绝热过程0sf0sg0s不易求不易求理想气体理想气体2221v11lndtvscrtv仅仅可可逆逆过过程程适适用用2221p11lndtpscrtp2221pv11dvdpsccvpts1234132131231qssst 242141242qssst 任何过程任何过程非理想气体：非理想气体：查图表查图表固体和液体：固体和液体： 通常通