三管轮“工程热力学和传热学”教案资料

1、第一章 基本概念第一节 工质 工质定义：热能和机械能相互转换的媒介物。举例。 特点：良好的膨胀性、流动性。一般为气态物质。2 系统的定义：由封闭表面包围的质量恒 定的物质集合或空间的一部分，即研究 的对象。3 外界：系统以外的其他系统。4 边界：系统与外界的分界面。 特点：可真实存在，可假想设计，可固 定，可变化 二 系统的类型： 1 系统与外界的作用方式： 1）有物质的交换 2）有功的交换 3）有热量的交换 2 系统的分类： 1） 封闭系统：无物质交换 2） 开口系统：有物质交换 3） 绝热系统：无热量交换 4） 孤立系统：无物质、功、热量交换三 外界的分类 1 热源：与系统只进行热交换的外

2、界。 特点：热容量无限大，其温度不变。 分类：1）高温热源 2）低温热源 热量的规定：吸热为正，放热为负 热量的符号：Q （KJ） q （KJ/kg） 功源：与系统只进行功交换的外界。 分类：1）容积功：封闭系统与功源交换的功。包括：膨胀功和压缩功 符号：W （KJ） w （KJ/kg）2）轴功：开口系统与功源交换的功。 符号：Ws （KJ） ws （KJ/kg） 功的规定：系统对外界作功为正 外界对系统作功为负第二节 热力状态和状态参数状态与状态参数状态：热力系统在某一瞬时所处的宏观物理状态。状态参数：描述系统宏观特性的物理量。 状态变则参数变；参数变则状态也变。状态不变参数不变。参数与变化

3、的途径无关。热力学平衡态平衡态的定义：在没有外界影响的条件下，如封闭系统的状态不随时间而改变，则系统处于热力学平衡态。系统实现平衡态的条件：同时处于热平衡和力学平衡，即无不平衡势。 热平衡：系统内部无温差 力学平衡：系统内部无压差3 平衡与稳定、均匀的差别：平衡必稳定，稳定未必平衡；均匀必平衡，平衡未必均匀。热力状态参数 常用的有六个：压力、温度、体积、内能（热力学能）、焓和熵。 状态参数可分为：强度量和尺度量 强度量：描述系统内部各点特征的状态参数，与质量无关，不具有可加性。 尺度量：描述系统总体特征的状态参数，与质量有关，具有可加性。 过程参数：与状态和过程均有关的参数。有：热量、功。 基

4、本状态参数：压力、温度和比容。压力：定义：工质指向系统表面单位面积上的垂直作用力。分子运动论的观点：大量工质分子撞击壁面的宏观表现；与单位体积内的分子数和分子的平均移动动能成正比。1）单位：Pa 或 Mpa12）大气压力：pb 与纬度、高度、温度、湿度有关。标准大气压定义，符号atm3）表压力、真空度、绝对压力绝对压力：p 是状态参数表压力：pg=p- pb真空度：pv= pb-p温度定义：表示物体冷热程度的物理量。1）热平衡定律（热力学第零定律）2）温标：温度的表示方法。有三种方式：（1）摄氏温标：0度100度（2）华氏温标：32度212度（3）热力学温标：从摄氏零下273.15度起三者间的

5、换算。3 比容和密度状态公理 只要有两个相对独立的状态参数就可确定系统的状态。第三节 热力过程准静态过程（准平衡过程）定义：书上P13驰豫时间：恢复平衡所需的时间。实现准静态过程的充要条件：过程进行的时间远大于驰豫时间。可逆过程实际过程的不可逆因素有：1）耗散效应：功通过摩擦自发变成热的现象。2）有限温差下的热传递：热量自发的从高温到低温。3）自由膨胀：4）不同工质的混合：工质相互之间的自由扩散。可逆过程的定义：书上P14 热传递过程中：无传热温差是实现可逆过程的条件。 系统对外作功过程中：无摩擦是实现可逆过程的条件。 实现可逆过程的充要条件是：内外平衡。 无耗散效应的准静态过程是可逆过程。3

6、 状态参数坐标图：准静态过程和可逆过程均可在坐标图上用连续的实线表示。第三章 热力学第一定律第一节 热力学第一定律的内容及实质实质：能量转换和守恒定律内容：输入系统的能量系统输出的能量=系统储存能量的变化量第一类永动机第二节 系统的储存能量内部储存能热力学能（内能）热力学能的定义：P19符号：U （KJ） 或 u （KJ/Kg）热力学能取决于工质的温度和体积。外部储存能第二节 热量和功一 热量和T-S图热量定义 q=Tds热量的性质：温差是驱动力，是不规则热运动的能量传方式。T-S图：示热图。系统与外界交换的热量用图中过程曲线下方的面积表示。二 容积功和p-v图容积功定义 w=pdv容积功的性

7、质：压差是驱动力，是规则运动的能量传递方式。p-v图：示功图。系统与外界交换的容积功用图中过程曲线下方的面积表示。第三节 封闭系统的热力学第一定律 一定质量工质，吸热为Q，对外作功为W，内能变化量为U，则 Q=U+W 对单位质量的工质 q= u+w 对微元过程 dq=du+dw以上方程适用于任何工质的任何过程。若过程为可逆过程，则Q= U+ pdV q= u+pdv dq=du+pdv第四节 开口系统的热力学第一定律一元稳定流动开口系统能量分析稳定流动能量方程和技术功稳定流动能量方程技术功：流动动能变化量与轴功之和。 技术功的表示：p-v图上过程曲线左边的面积。3 稳定流动能量方程的应用1）换

8、热器2）喷管和扩压管3）气轮机4）泵和压缩机5）节流第三章 热力学第二定律第一节 热力学第二定律热力学第二定律研究的内容：热功转换的方向：根本性的问题热变功的条件热变功的限度一 循环热机循环：正循环（顺时针） 目的 热效率制冷循环：逆循环（逆时针） 目的 制冷系数热泵循环：逆循环 目的 供热系数二 热力学第二定律表述开尔文说法阐明了热功转换的方向性。热功转换的条件：至少要有两个热源热功转换的限度：热效率低于100%第二类永动机是造不成的克劳修斯说法阐明了热量传递的方向性。热量从低温到高温的条件：消耗外界的机械功第二节 卡诺循环和卡诺定理一 卡诺循环卡诺循环的定义卡诺循环包括的过程：两个等温和两

9、个绝热卡诺循环的热效率：只与温度有关，永远小于100%卡诺定理 分两层意思三 提高热效率的途径提高高温热源的温度降低低温热源的温度使实际过程尽可能向可逆循环靠拢第三节 逆卡诺循环一 逆卡诺循环循环包括的过程：两个等温和两个绝热。逆卡诺循环的制冷系数：只与温度有关，不可能为无穷大。提高制冷系数的途径尽量提高冷库温度尽量降低冷凝温度减少过程的不可逆性第四章 理想气体第一节 理想气体状态方程理想气体的分子模型实际气体的理想化条件一 气体的实验定律波义耳马略特定律盖吕萨克定律查理定律理想气体状态方程：气体常数R通用气体常数第二节 理想气体比热一 比热及其分类比热定义比热分类 1）质量比热：质量定压比热

10、、质量定容比热 2）容积比热 3）千摩尔比热三者间的关系理想气体的比热：与温度有关，与压力无关真实质量比热平均质量比热二 应用比热计算热量比热与温度成曲线关系比热与温度成直线关系比热是定值 第三节 理想气体的内能和焓理想气体的内能 理想气体的内能仅有内动能，无内势能。它是绝对温度的单值函数。 du=cvdT 对实际气体，该方程仅适用于定容过程。理想气体的焓 理想气体的焓是绝对温度的单值函数。 dh=cpdT 对实际气体，该方程仅适用于定压过程。三 迈耶方程第四节 理想气体的热力过程一 定容过程过程方程：p=常数处终状态参数关系p-v图和T-s图能量计算分析 1）容积功：等于零 2）技术功：wt

11、=v(p1-p2) 3）第一定律公式：q=u结论：外界加给封闭系统的热量全部用于增加系统的内能。二 定压过程过程方程：p=常数处终状态参数关系p-v图和T-s图： T-s图上定容线比定压线陡。能量计算分析 1）容积功：w=p(v2-v1) 2）技术功：等于零 3）封闭系统第一定律公式： q=cv(t2-t1)+p(v2-v1)结论：外界加给封闭系统的热量，一部分用于增加系统的内能，其余用于系统对外界作膨胀功。 4）开口系统第一定律公式：q=h结论：外界加给开口系统的热量全部用来增加流动工质的焓。三 定温过程过程方程：T=常数初终状态参数关系p-v图和T-s图能量计算分析 1）容积功等于技术功

12、2）内能和焓的变化量：等于零 3）第一定律公式： q=w结论：定温过程中，外界加给封闭系统的热量全部用来对外作功。定温膨胀是吸热过程，定温压缩是放热过程。四 绝热过程过程方程：pvk=常数 k为绝热指数，与温度气体有关初终状态参数关系p-v图和T-s图： p-v图上绝热线比定温线陡。能量计算分析 1）容积功 2）技术功：等于k倍的容积功。 3）第一定律公式： u=-w结论：绝热过程中，封闭系统对外界作的功完全是系统内能减少的结果。五 多变过程过程方程：pvn=常数 n为多变指数 当n=0时，为定压过程 当n=1时，为定温过程 当n=k时，为绝热过程 当n=时，为定容过程初终状态参数关系能量计算p-v图和T-s图多变过程的比热分析第五章 水蒸气第一节 饱和