工程热力学(5-11章)教案 - 沈道维版概要

1、 工程热力学 【章节名称】：第五章 热力学第二定律【教学目标】：使学生熟练掌握热力学第二定律实质、数学表达式，能进行热力过程不可逆性的判定。 【教学重点】：热力学第二定律的实质；卡诺循环及卡诺定理对热功转换效率的指导意义，熵参数定义，过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。【教学难点】：热力过程的方向性与不可逆性的判定，熵的概念及其物理意义，孤立系统熵增原理对生产实践的指导意义。【课时安排】：理论：6课时【教学环境及教具准备】：多媒体教学，板书第11次课【教学内容】：热力学第一定律确定了各种能量的转换和转移不会引起总能量的改变。创造能量（第一类永动机）不可能

2、，消灭能量也办不到。总之，自然界中一切过程都必须遵守热力学第一定律。然而，是否任何不违反热力学第一定律的过程都是可以实现的呢？事实上又并非如此。热力学第二定律就是解决与热现象有关的过程进行的方向、条件和限度等问题的规律。热力学第二定律和热力学第一定律共同构成热力学理论基础。51 热力学第二定律1. 自发过程的方向性不需外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向性，典型的自发过程有温差传热、摩擦生热、自由膨胀、扩散混合等。这里并不是说这些非自发过程根本无法实现，而只是说，如果没有外界的推动，它们是不会自发进行的。一个非自发过程的进行，必须有另外的自发过程来推

3、动，或者说必须以另外的自发过程的进行作为代价、作为补偿条件。2. 可逆过程和不可逆过程一切自发过程都是不可逆过程。任何实际热力过程在作机械运动时不可避免地存在着摩擦；电能输送过程中存在电阻；在传热时必定存在着温差，扩散混合存在浓度差。因此，实际的热力过程必然具有这样的特性：如果过程沿原路线反向进行，并使热力系恢复到原状态，将会给外界留下这种或那种影响这就是实际过程的不可逆性。人们把这样的过程统称为不可逆过程。我们把因摩擦使机械能转化为热能，或因电阻使电能转化为热能等的现象，称为耗散效应。所谓可逆过程是指具备如下特性的过程：过程进行后，如果使热力系沿原过程路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界

4、留下任何影响。因此，可逆过程的进行必须满足下述条件： (1)热力系内部原来处于平衡状态； (2)过程进行时无耗散效应和有限势差存在。3. 热力学第二定律的表述在历史上，热力学第二定律曾以不同的陈述表达出来，但它们所表达的实质是共同的、一致的，任何一种表述都是其它各种表述的逻辑上的必然结果。这里介绍两种常用的说法。克劳修斯的表述：“不可能将热量由低温物体传送到高温物体而不引起其它变化”。开尔文普朗克的表述：“不可能制造出从单一热源吸热而使之全部转变为功的循环发动机”。 52 卡诺循环和卡诺定理图51所示的循环由两个可逆的定温过程(和)以及两个可逆的绝热(定熵)过程(和)组成，称为卡诺循环。卡诺循

5、环的热效率为： (51)图 51 图 52图52所示的循环由两个可逆的定温过程（和）以及两个在温熵图中平行的、吸热()和放热()正好抵消的可逆过程()组成，称为概括性卡诺循环。它的热效率为： 由于 因此 (52)所以，工作在两个恒温热源之间的可逆热机所进行的具体循环只能是卡诺循环或回热卡诺循环(卡诺循环也可看作是回热卡诺循环中的特例)。它们是一定温度范围(、)内热效率最高的循环。概括性卡诺循环要借助无限多个蓄热器才能实现，这在实际热力过程中很难做到，但它从原则上提出了减小不等温传热损失以使过程可逆的一种方法。5-3. 卡诺定理卡诺定理是1824年由法国工程师卡诺提出的。卡诺定理包含两个定理：定

6、理一 工作在相同的恒温高温热源()和低温热源()之间的循环，不管采用什么工质，可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。定理二 工作在相同的恒温高温热源()和低温热源（）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率相等。卡诺定理在理论和实践都具有重大的意义。首先它指出热机热效率的极限值；其次提出了提高热机热效率的途径。同时，它也表明，任何一种将热能转换机械能、电能或其它能量的转换装置都受到热力学第二定律的制约。对卡诺定理和卡诺循环的分析讨论可以得出如下几点对热机具有原则指导意义的结论：(1) 不能期望热机的热效率达到100%。就拿热效率最高的卡诺循环来说，要使热效率达到100，则必须0

7、K或。然而，绝对零度是达不到的，无限高的温度则是不可能的。所以，供给循环发动机的热量不可能全部转变为机械功。(2) 无论采用什么工质和什么循环，也无论将不可逆损失减小到何种程度，在一定的温度范围到之间，不能期望制造出热效率超过的热机。最高热效率也只能接近，而实际上不能达到。(3) 不能指望靠单一热源供热而使热机循环不停地工作。因为当时，0，也就是说，在单一热源的情况下，不可能通过循环发动机从该热源取得热量而使之转变为正功(第二类永动机不可能制成)。(4) 提高热机循环热效率的根本途径是提高循环的平均吸热温度和降低循环的平均放热温度。第12次课【教学内容】：5-4 熵、热力学第二定律的表达式克劳

8、修斯积分式包括一个等式和个不等式： (53) 式中了为外界的温度。等号对可逆循环而言；不等号对不可逆循环而言。它所表达的意思是：任何闭口热力系，在进行了一个循环后，它和外界交换的微元热量(有正、有负)与参与这一微元换热过程时外界温度的比值(商)的循环积分不可能大于零，而只能小于零(如果循环是不可逆的)，或者最多等于零(如果循环是可逆的)。1. 状态参数熵的导出1865年，克劳修斯将，这个新的状态参数定义为熵，用符号S表示。即 （53）式（49）为状态参数熵的定义式。1kg工质的比熵为 （5-4）由此可得熵变的计算式为 （5-5）或 （5-6）2. 热力学第二定律的表达式克劳修斯积分不等式： （

9、57）判断循环是否可逆或可行： （58）克劳修斯积分等于零为可逆循环，小于零为不可逆循环，而大于零的循环则不能实现。判断过程是否可逆或可行： （59）等于号时，表示系统可逆；大于号时，表示系统不可逆；小于号时，表示系统不可行。55 熵 方 程1. 熵流和熵产 对内部平衡(均匀)的闭口系，在时间内熵的变化dS可根据熵的定义式得出： = (510) 式中称为熵流，它表示热力系与外界交换热量而导致的熵的流动量。熵流可正可负。2. 闭口系熵方程对热力系而言，当它从外界吸热时，熵流为正；当它向外界放热时，熵流为负。 = （511）式中熵流 （可正可负）熵产 （512） 3开口系熵方程 （513）将式（5

10、13）对时间积分，可得： （514）式(513)和(514)即熵方程的基本表达式。式中也是一种熵流，它是随物质流进或流出热力系的熵流。流进热力系为正，流出热力系为负。这样，热力系的熵的变化就等于总的熵流与熵产之和。由式（514）知，引起系统发生熵变的原因有三种：1） 1） 热力系与外界间的热量交换引起的熵流，2） 2） 热力过程的不可逆因素引起的熵产，3） 3） 热力学与外界的物质交换引起的熵流， 对稳定流动的开口系来说，由于在d的时间内流进和流出热力系的质量相等（），而这种开口系的总熵又不随时间而变化(dS0)，因而式(425)简化为： 如果取一段时间，在这段时间内恰好有1kg流体流过开口系

11、，则该式又可进一步写为：即 （515） 如果稳定流动过程是绝热的(0)，则可得： (516)不等号对不可逆绝热稳定流动过程而言；等号对可逆绝热(定熵)稳定流动过程而言。该式表明：绝热的稳定流动过程，其出口处的比熵比入口处的大（不可逆过程）或与出口处的比熵相等（可逆过程）。第13次课【教学内容】：5-7孤立系的熵增原理绝热闭口系或孤立系的熵只会增加，不会减少。这就是绝热闭口系或孤立系的熵增原理。式中不等号对不可逆过程而言；等号对可逆过程而言；小于号对应不可能过程。孤立系统 = 非孤立系统 + 相关外界a)孤立系统的熵可以增大,理想上也可以保持不变,但决不能减少b)孤立系统熵增原理可以判断过程进行

12、的方向,凡使孤立系统熵增的过程,才有可能发生,使熵减少的任何过程都不可能发生c)孤立系统的熵增大,表示系统内部发生了不可逆变化,即系统内部发生了机械能损失5. 熵的小结为了对熵有一个系统性的了解，有必要对熵作一个小结。1） 熵是一个广延的状态参数，即与物质有关。计算物质的熵为kJ/K。为质量流量，量纲为kg/s；s为比熵，量纲为kJ/ (kgK)。2） 由熵的定义可知，熵变是可逆过程同外界交换的热量与热力学温标之比。但这并不意味不可逆过程的熵变无法计算，因为熵是状态参数，只要不可逆过程的初、终状态是平衡的，就可在这两个状态之间假设一个可逆过程来计算不可逆过程的熵变。3） 热力学第二定律的数学表

13、达式可写为； ；4） 熵的物理意义a. 对于可逆过程，熵变是系统和外界能量和质量交换的大小和方向，其表现形式为熵流，熵流可正，可负。b. 由孤立系统的熵增原理可知，孤立系统的熵的变化，表征过程的不可逆程度。过程不可逆性引起的熵变称为熵产，熵产只增不减，即。熵产必然引起能量的贬值。5-7火用参数的基本概念、热量火用热能中可用能（即可以转变为功的部分）所占的比例，既和热能所处的温度水平有关，也和环境的温度有关。(exergy)：在环境条件下，能量中可转化为有用功的 最高份额称为该能量的；用Ex表示。热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地变化到与环境平衡时，作出的最大有用功称为该热力系的 。火无(

14、anergy)：系统中不能转变为有用功的那部分能量称为火无；用An表示。热量：在温度为T0的环境条件下，系统（T T0 ）所提供的热量Q中可转化为有用功的最大值称为热量。用EX,Q表示。冷量：温度低于环境温度的系统（T T0 ） ，吸入热量Q0所时作出的最大有用功称为冷量 ，用EX,Q0表示 。热量与热量的比值的绝对值总小于1，冷量与热量的比值的绝对值可以大于1。课后作业思考题：5-2、5-6；习题：5-1、5-7、5-8、5-9 工程热力学 【章节名称】：第七章 压气机的热力过程【教学目标】：使学生深入理解截面积变化对热力流动的影响，能进行喷管绝热稳定流动的热力计算。【教学重点】：喷管内绝热

15、稳定流动的基本特性，喷管出口的截面、流速和流量的计算，喷管的设计和校核计算，绝热节流过程的特点。【教学难点】：通过确定临界压力比，对喷管进行设计和校核的计算，理想气体与蒸汽不同的流速和流量计算公式。【课时安排】：理论：2课时【教学环境及教具准备】：多媒体教学，板书第14次课【教学内容】：7-1 稳定流动的基本方程式工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管(nozzle; jet)、扩压管(diffuser)及节流阀throttle valve)内流动过程的能量转换情况。稳定流动：流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不随时间而变化的流动过程。简化假设：1、沿流动方向上的一维问题：取

16、同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值。2、可逆绝热过程：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热，另外，不计管道摩擦。一、连续性方程稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时间而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随时间而变 。以上两式为稳定流动的连续方程式。它描述了流道内的流速、比体积和截面积之间的关系。普遍适用于稳定流动过程。1）对于气体等可压缩流体，流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差；流速的变化取决于截面和比体积的综合变化。2）对于不可压缩流体（dv = 0），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积A与流速cf成反比；二、稳定流动能量

17、方程式1）气体动能的增加等于气流的焓降;2）任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0。三、过程方程式在稳定流动过程中，若：1）任一截面上的参数不随时间而变化；2）与外界没有热量交换；3）流经相邻两截面时各参数是连续变化；4）不计摩擦和扰动。7-2 促使流速改变的条件一、力学条件dcf、dp的符号始终相反，即：气体在流动过程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低。二、几何条件Ma1时，dv/v1时，dv/vdcf /cf当流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流速的变化有关，还与当地马赫数有关。Ma1,亚声速流动,dA0,截面扩张；7-3 喷管

18、的设计一、流速计算1、喷管的设计计算：据给定条件（气流初参数、流量及背压），选择喷管的外形及确定几何尺寸。2、喷管的校核计算：已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量。注意： 1）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质 ； 2）式中h单位是J/kg，cf是m/s，但一般资料提供h单位是kJ/kg。二、流量计算根据连续方程，喷管各截面的质量流量相等。但各种形式喷管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收缩喷管的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算流量，即：渐缩喷管：缩放喷管：课后作业无 工程热力学 【章节名称】：第八章 压气机的热力过程【教学目标】：使学生了解压

19、气机热力过程。【教学重点】：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；叶轮式压气机的工作原理。【教学难点】：余隙容积对压气机性能的影响；【课时安排】：理论：3课时【教学环境及教具准备】：多媒体教学，板书第16次课【教学内容】压气机：压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。按工作原理和构造来分：1）活塞式压气机2）叶轮式压气机 3）特殊引射式压缩器4）罗茨式压气机8-1 单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量工作原理：吸气压缩排气三个过程。压气机耗功：压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应等于压缩过程耗功与

20、进、排气过程推动功的代数和。定温、定熵、多变压缩消耗理论功的比较：8-2 余隙容积的影响余隙容积：当活塞运动到上死点位置时，在活塞顶面与气缸盖间有一定的空隙，该空隙的容积称为余隙容积。1） 对生产量的影响：降低排气量。2） 对理论耗功的影响: 不论有无余隙，压缩单位质量气体所消耗的理论压气功相同。84叶轮式压气机的工作原理 与活塞式压气机相比，叶轮式压气机结构紧凑，输气量大，输气均匀且运转平稳，效率高。缺点是单级增压比小、摩擦损耗大。 叶轮式压气机分为离心式与轴流式两种型式。轴流式压气机：离心式压气机：课后作业无 工程热力学 【章节名称】：第九章 气体动力循环【教学目标】：使学生掌握分析动力循

21、环的一般方法；了解活塞式内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析方法。 【教学重点】：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循环分析;燃气轮机装置循环的分析方法。【教学难点】：实际循环简化成理想循环的方法。【课时安排】：理论：3课时【教学环境及教具准备】：多媒体教学，板书第17次课【教学内容】热力装置：动力装置、制冷装置、热泵装置。9-1 动力循环分析的一般方法一、分析动力循环的一般步骤和方法1、将实际循环抽象和简化为理想循环2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上3、对理想循环进行分析计算4、对理想循环进行分析计算5、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。6、对理想循环的计算结果引入必要的修正7、对实际循环进行热力学第一定律分析或者热力学第二定律分析9-2 活塞式内燃机的简化1）燃烧过程和排气过程的假设2）循环工质的假设3）忽略节流损失4）膨胀和压缩过程为绝热9-3活塞式