机电工程基础课件1第1-3章

1、工程热力学基础工程热力学基础张晓亮张晓亮装备制造学院装备制造学院, 主教楼主教楼A01-529，QQ 179844735213731011003，研究内容和对象研究内容和对象1. 热力学基本定律热力学基本定律，包括基本概念及定义、热力学第一定，包括基本概念及定义、热力学第一定律、熵与热力学第二定律等。律、熵与热力学第二定律等。2. 工质的热力性质工质的热力性质，包括一般热力学关系，理想气体、水，包括一般热力学关系，理想气体、水蒸汽、理想气体混合物、湿空气的热力性质的计算及图表蒸汽、理想气体混合物、湿空气的热力性质的计算及图表的应用。的应用。3. 热力过程及热力循环热力过程及热力循环，包括典型热

2、力过程的分析以及气，包括典型热力过程的分析以及气体与蒸汽的流动、气体压缩、蒸汽动力循环、气体动力循体与蒸汽的流动、气体压缩、蒸汽动力循环、气体动力循环和制冷循环的分析计算。环和制冷循环的分析计算。考试方式考试方式平时成绩：平时成绩：3030出勤，课堂参与，作业出勤，课堂参与，作业期末闭卷考试：期末闭卷考试：70%70%考试时间：考试时间：12.19 12.19 上午：上午：10:10-12:0010:10-12:00第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义1-1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程1-2 热力系统热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学

3、状态及其基本状态参数1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程1-6 过程功和热量过程功和热量1-7 热力循环热力循环第一章第一章 要领小结要领小结1. 热能热能-机械能机械能：通过工质：通过工质吸热吸热膨胀作功膨胀作功排热排热2. 热力系统热力系统：闭口系、开口系、绝热系、孤立系闭口系、开口系、绝热系、孤立系3. 状态参数状态参数变化只与变化只与初终态相关初终态相关，与路径无关，与路径无关4. 平衡状态：平衡状态：平衡必稳定平衡必稳定，稳定未必平衡稳定未必平衡，平衡未必均匀平衡未必均匀5. 无任何耗散效应的准平衡过程是可逆过程

4、无任何耗散效应的准平衡过程是可逆过程6. 功和热量是过程量功和热量是过程量，只有在能量传递或转换过程中才有，只有在能量传递或转换过程中才有功和热量功和热量7. 热力系经过一系列变化热力系经过一系列变化回到初态回到初态，这一系列变化过程称，这一系列变化过程称为为热力循环热力循环：可逆循环、正向循环、逆向循环：可逆循环、正向循环、逆向循环做功和传热的异同做功和传热的异同： 1.通过边界传递的能量通过边界传递的能量； 1.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；2.功是物系

5、间通过宏观运动发生相互作用传递的能功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过杂乱的微粒运动发生相互作用量；热是物系间通过杂乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。而传递的能量。 2.过程量过程量； 3.传热仅是热能的传递过程，而做功过程一般伴随传热仅是热能的传递过程，而做功过程一般伴随能量形态的转化。能量形态的转化。4.功转化为热是无条件的，而热转化为功是有条件、功转化为热是无条件的，而热转化为功是有条件、有限度的。有限度的。1234质量质量热量热量功量功量1 开口系开口系非孤立系非孤立系相关外界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

6、+4 孤立系孤立系热力系示例热力系示例 1刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝闭口系闭口系黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝闭口绝热系闭口绝热系兰线内兰线内孤立系孤立系1 1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。2 2、孤立系一定是绝热闭口系。、孤立系一定是绝热闭口系。3 3、绝热闭口系一定是孤立系。、绝热闭口系一定是孤立系。XX1 1、如果容器中气体的压力保持不变，那么压力表、如果容器中气体的压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变。的读数

7、一定也保持不变。2 2、作为工质状态参数的应是绝对压力，还是表压、作为工质状态参数的应是绝对压力，还是表压力（或真空度）？力（或真空度）？注意：注意： 只有只有 绝对压力绝对压力 才才是是状态参数。状态参数。X3 3、炉膛处于、炉膛处于“负压负压”或或“正压正压”，说明炉膛中的，说明炉膛中的绝对压力大于或小于零。绝对压力大于或小于零。X1 1、温度高的物体比温度低的物体具有更多的、温度高的物体比温度低的物体具有更多的热量，这种说法对吗？热量，这种说法对吗？3 3、温度、压力、体积、膨胀功、热量中，哪、温度、压力、体积、膨胀功、热量中，哪些是状态量，哪些是过程量？些是状态量，哪些是过程量？ X2

8、 2、热量是指储存于物体内部的热能量。、热量是指储存于物体内部的热能量。X1. 状态量：温度、压力、体积；状态量：温度、压力、体积；2. 过程量：膨胀功和热量。过程量：膨胀功和热量。1 1、某过程可在、某过程可在p-vp-v图中用实线表示，则必为准静态过程图中用实线表示，则必为准静态过程2 2、某过程可在、某过程可在p-vp-v图中用实线表示，则必为可逆过程。图中用实线表示，则必为可逆过程。3 3、某过程如图所示，则曲线、某过程如图所示，则曲线 下面积表示膨胀功。下面积表示膨胀功。4 4、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。5 5、可逆过程肯定是准静态

9、过程。、可逆过程肯定是准静态过程。6 6、如右图所示，有、如右图所示，有21212121 , babaTTwwpV. .12. .pv12. . .abXXXX选择题：选择题：并简述选择理由并简述选择理由1 1、系统处于平衡状态时，、系统处于平衡状态时， 。A.A.表压力不变表压力不变 B.B.绝对压力不变绝对压力不变 C.C.表压力和绝表压力和绝对压力都不变对压力都不变 D.D.表压力和绝对压力都改变表压力和绝对压力都改变B2 2、不计恒力场作用，平衡态单相系统内各点、不计恒力场作用，平衡态单相系统内各点的状态参数，如密度的状态参数，如密度 。A.A.在不断变化在不断变化 B.B.必定是接近

10、相等必定是接近相等 C.C.必必定是均匀一致的定是均匀一致的 D.D.不一定是均匀一致不一定是均匀一致C选择题：选择题：并简述选择理由并简述选择理由1 1、经过一个不可逆循环，工质不能恢复原来状、经过一个不可逆循环，工质不能恢复原来状态，态， 。A.A.这种说法是错的这种说法是错的 B.B.这种说法是正确的这种说法是正确的 C.C.这这种说法在一定条件下是正确的种说法在一定条件下是正确的 D.D.无法判断无法判断A2 2、有下列说法，正确的是、有下列说法，正确的是 。A.A.孤立系统内工质的状态不能发生变化孤立系统内工质的状态不能发生变化 B.B.系系统在相同的初、终态之间的可逆过程中做功相同

11、统在相同的初、终态之间的可逆过程中做功相同C.C.经过一个不可逆过程后，工质可以恢复到原来经过一个不可逆过程后，工质可以恢复到原来的状态的状态 D.D.质量相同的物体质量相同的物体A A和和B B，因，因T TA A大于大于T TB B，所以物体所以物体A A具有的热量较物体具有的热量较物体B B的多的多C第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律21 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2-2 热力学能和总能热力学能和总能25 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式24 焓焓26 开口系统能量方程式开口系统能量方程式2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化27 能量

12、方程式的应用能量方程式的应用21wpdv第二章第二章1. 热力学第一定律的表述：热力学第一定律的表述：热可以转变为功。热可以转变为功。2. 热力学能热力学能：内动能和内位能；内动能和内位能； E=U+mcE=U+mcf2 2+mgz+mgz3. 做功和传热的做功和传热的2个相同点，个相同点，4个不同点。推动功个不同点。推动功Pv, 流动流动功功P2v2 - P1v14. 焓：随着工质的移动而转移的能量不等于热力学能而等焓：随着工质的移动而转移的能量不等于热力学能而等于焓（热力学能于焓（热力学能U与推动功与推动功pv之和）。之和）。5. 热力学第一定律解析式：热力学第一定律解析式：WUQ可逆过程

13、：可逆过程：Q = U + 热一原则：热一原则：进入系统的能量总和进入系统的能量总和 离开系统的离开系统的能量总和能量总和 = 热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量思考题：思考题：热力学能是热量吗？热力学能是热量吗？否，热力学能是状态参数，热量是过否，热力学能是状态参数，热量是过程量程量1 1、热力学第一定律用于、热力学第一定律用于 。A.A.开口系统、理想气体、稳定流体开口系统、理想气体、稳定流体B.B.闭口系统、实际气体、任意流体闭口系统、实际气体、任意流体C.C.任意系统、任意工质、任意过程任意系统、任意工质、任意过程D.D.任意系统、任意工质、可逆过程任意系统、任意工质、可逆过程C

14、 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。功和热量都不是状态参数，他们传递进功和热量都不是状态参数，他们传递进入系统后就变成系统的能量，与他们的入系统后就变成系统的能量，与他们的“前身前身”是什么无关，所以推动功进入是什么无关，所以推动功进入系统后就是系统具有的能量的一部分。系统后就是系统具有的能量的一部分。1 1、功不是状态参数，热力学能与推动功之和、功不是状态参数，热力学能与推动功之和 。A.A.不是状态参数不是状态参数

15、B.B.不是广延量不是广延量C.C.是状态参数是状态参数D.D.没有意义没有意义C例：设有一定量气体在气缸内由体积例：设有一定量气体在气缸内由体积0.9 m3可逆地膨可逆地膨胀到胀到1.4 m3 ，过程中气体压力不变，过程中气体压力不变P=0.2MPa，过程，过程中中U增加了增加了12000J，求（，求（1）过程中气体吸入或放出）过程中气体吸入或放出多少热量？（多少热量？（2）活塞质量）活塞质量20kg, 初始时静止，终态初始时静止，终态的速度，环境压力的速度，环境压力P0=0.1MPa。pp0AWUQ解解：Q = U +W = U +p(V2-V1) =12 000 J + 0.2106 P

16、a (1.4-0.9) m3 =112 kJ21wpdv例：设有一定量气体在气缸内由体积例：设有一定量气体在气缸内由体积0.9 m3可逆地膨可逆地膨胀到胀到1.4 m3 ，过程中气体压力不变，过程中气体压力不变P=0.2MPa，过程，过程中中U增加了增加了12000J，求（，求（1）过程中气体吸入或放出）过程中气体吸入或放出的多少热量？（的多少热量？（2）活塞质量）活塞质量20kg, 初始时静止，终初始时静止，终态的速度，环境压力态的速度，环境压力P0=0.1MPa。pp0A解解:(2)Wr = p0V = p0(V2-V1)Wu =W - Wr = p(V2-V1) - p0(V2-V1)W

17、u =Ek = mc2 c = 70.71 m/s21wpdv如图，气缸内充以空气，活塞及负载如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg，缸，缸壁充分导热，取走壁充分导热，取走100kg负载，待平衡后，求：负载，待平衡后，求：h kJ/kgK0.72uT（1）活塞上升的高度）活塞上升的高度（2）气体在过程中作的功，已知）气体在过程中作的功，已知解：取缸内气体为热力系解：取缸内气体为热力系闭口系。闭口系。首先计算状态首先计算状态1及及2的参数的参数：511195771 133.32981002.941 10 Pa100bFppA分析：突然取走分析：突然取走100kg负载，负载，气体失去平衡，振荡

18、后最终建气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但立新的平衡。虽不计摩擦，但由于非准静态，故过程不可逆，由于非准静态，故过程不可逆，但仍可应用第一定律解析式。但仍可应用第一定律解析式。6321100 10 1010 mVA h 5221.960 10 PabFppA12TT 6432()() 100 10() 10 mVAhhhhhh 过程中质量过程中质量m不变不变1 12212g 1g2pVp VmmR TR T3412122.94110101.960pVVhhp5cmh 如图，气缸内充以空气，活塞及负载如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg，缸，缸壁充分导热，取走壁充分导热，

19、取走100kg负载，待平衡后，求：负载，待平衡后，求：h kJ/kgK0.72uT（1）活塞上升的高度）活塞上升的高度（2）气体在过程中作的功，已知）气体在过程中作的功，已知 212 21 1U U Umumu 由于m2=m10U kJ/kgK0.72uT且 T2=T1据WUQ21dWp V ？不可逆21d?Wp VW外力2eFp A25421.960 10100 105 1098JeWFhpAh 注意：活塞及其上重物位能增加注意：活塞及其上重物位能增加JmghEp6 .4610581. 9952?pEW向上移动了向上移动了5cm，因此体系对外力作功，因此体系对外力作功第三章第三章 气体和蒸气

20、的性质气体和蒸气的性质3-1 理想气体的概念理想气体的概念3-2 理想气体的比热容理想气体的比热容3-3 理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵3-4 水蒸气的饱和状态和相图水蒸气的饱和状态和相图3-5 水的汽化过程和临界点水的汽化过程和临界点3-6 水和水蒸气的状态参数水和水蒸气的状态参数3-7 水蒸气表和图水蒸气表和图1. 理想气体两点基本假设理想气体两点基本假设：（：（1）分子为不占体积的弹性质分子为不占体积的弹性质点，（点，（2）除碰撞外分子间无作用力。）除碰撞外分子间无作用力。 克拉贝龙方程：克拉贝龙方程：2. 比热容：比热容：Cm=Mc=0.0224141 C 第三章

21、第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质2. 定容比热容及定压比热容：定容比热容及定压比热容：第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质3. 理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质4. 水蒸气的水蒸气的p-v图和图和T-s图图第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质1. 一点一点：一个临界点。：一个临界点。2. 二线二线：饱和水线、饱和蒸汽线：饱和水线、饱和蒸汽线。3. 三区：过冷水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区。三区：过冷水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区。4. 五态：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸五态：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。汽。 例例1 1 已知氧气瓶的容积已知氧气瓶的容积 ，瓶内氧气，瓶内氧气温度为温度为2020，安装在瓶上的压力表指示的压力，安装在瓶上的压力表指示的压力为为1515MpaMpa，试求瓶内氧气的质量是多少？设大气，试求瓶内氧气的质量是多少？设大气压力为压力为0.10.110106PaPa。331040mVPap