工程热力学-工程师培训1

1、工程热力学基础工程热力学基础要求：要求： 热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。理想气体和卡诺循环等。 热力学第一和第二定律，图和图，热力学第一和第二定律，图和图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。理想气体的热力过程和发动机的理想循环。 传热学：热量传递方式、物质的导热特性 第一节第一节 气体的状态及状态方程气体的状态及状态方程一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若干个物体、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称中规划出所要研究的对象，称为热力系统；为热力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质

2、：、工质：在热力设备中用来实现热能与其它在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。形式的能量交换的物质。热力设备通过工质状态的变化实现与外界的热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。能量交换。二、热力状态与状态参数二、热力状态与状态参数1 1、热力状态：、热力状态：热力平衡状态：热力平衡状态：当外界条件不变系统内状态长时当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的间不变，即具有均匀一致的P P、V V、T T。2 2、状态参数：、状态参数：基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：可直接测量的状态参数，包括：压力压力(P)(P)、比容、比容()()、温度

3、、温度(T)(T)。主要状态参数：主要状态参数：压力压力P P、比容、比容、温度、温度T T、内能、内能、熵、熵、焓焓。基本状态参数：基本状态参数：1 1、比容、比容 ：m m3 3/kg/kg 。比容的倒数是？比容的倒数是？2 2、压力、压力P P ：PaPa，MpaMpa、kPakPa。压力的测量压力的测量3 3、温度、温度T T ：K K。定义：定义：表征物体的冷热程度表征物体的冷热程度（气体分子的平均气体分子的平均动能越大）动能越大）三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：、理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作气体分子本身不占有体积，分子之间无相互

4、作用力。用力。在热力学中，常温常压下的干空气可认为是理想气体。而湿空气中的水蒸气由于处于过热状态，而且数量很少，分压力很低，比容较大，可近似地当作理想气体。 2 2、理想气体的状态方程：、理想气体的状态方程： P=RT PV= mRT P=RT PV= mRT 或或PV= nRT PV= nRT 对空气，对空气，R=0.287kJ/kgK 1R=0.287kJ/kgK 1摩尔理想气体在零摄氏度和摩尔理想气体在零摄氏度和1 1标准大气压下的体积，等于标准大气压下的体积，等于22.413822.413810103 3米米3 3/ /摩尔。普适摩尔。普适气体常数气体常数 R=8.31441R=8.3

5、1441焦耳焦耳/ /摩尔摩尔开开 3 3、压容图、压容图 气体的状态可用气体的状态可用P-VP-V图上的一个点表图上的一个点表示。示。 【摩尔质量摩尔质量】常称为克分子量。12克的碳就称为1摩尔质量的碳；32克的氧就称为1摩尔质量的氧；2克的氢也称为1摩尔质量的氢。 1摩尔的理想气体的体积为22.4升。 1摩尔干空气的质量为29克，湿空气的摩尔质量=？ 在相同的温度和压力下，湿空气比干空气的密度大?（2006，2008年） 大气压（湿空气压力）=干空气分压+水蒸气分压 理想气体的定义不包括（2011单选）(C) A.满足P1V1/T1=P2V2/T2；B.内能仅是温度的函数； C.气体分子不

6、能进行无规则运动；D.比热容与温度无关第二节第二节 热力过程及过程量热力过程及过程量 一、热力过程一、热力过程 热力系统从一个平衡状热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变态到另一个平衡状态的变化历程。化历程。 P-VP-V图上图上, ,一个点表示一个点表示气体的一个热力状态气体的一个热力状态; ;一条曲线表示一个热一条曲线表示一个热力过程。力过程。二、膨胀功二、膨胀功（）（）气体在热力过程中由于体气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又积发生变化所做的功（又称为称为容积功容积功）规定：规定：热力系统对外界做功为正，外界对热热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。力系统做功为负。

7、由由W=PdVW=PdV得：得： dV0dV0，膨胀，膨胀,W0,W0， 系统对外界做功；系统对外界做功； dV0dV0，压缩，压缩,W0,W0,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,ds0,Q0,吸热吸热; ;ds0,Q0,ds0,Q0放热放热Q0【热力学第零定律热力学第零定律】 若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系 统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。 热平衡系统的状态函数被定义为温度。 温度相等是热平衡之必要的条件。 一、热力学第一定律一、热力学第一定律当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。（

8、20112011年）年）对于一个热力系统：对于一个热力系统： 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量 = =系统内部储存能量的变化量系统内部储存能量的变化量热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。 它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平衡关系。衡关系。第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律二、内能二、内能- -工质内部所

9、具有的各种能量总称工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的微观能量即系统的内能内能，包括：，包括：宏观能量宏观能量微观能量微观能量内动能内动能内位能内位能内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关与分子间的距离、吸引力有关, ,是比容的函数是比容的函数；内动能内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单是温度的单值函数。值函数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的内动能，仅与温度有关，是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函是温度的单值函数数，用符号用符号u u表示，

10、单位表示，单位J J。系统本身所具有的能量包括：系统本身所具有的能量包括：动能动能位能位能机械能机械能 （2011单选） 气体工质的内能不包括：（B) A.移动动能；B.弹性能量； C.转动动能；D.分子间位能三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程1 1、定义、定义: : 与外界没有质量交换的系统。与外界没有质量交换的系统。 2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W对于微元过程：对于微元过程：Q=dU+WQ=dU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=u+w q=u+w （/Kg)/Kg)闭口系统能量方程闭口系统能量方程以上各项均为代数值，可正可负或零

11、，且以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。不受过程的性质和工质性质的限制。焓（可略） H=U+pV 焓=流动内能+推动功焓H没有明确的物理意义：表示流动工质所具有的能量中，取决于热力状态的那部分能量在大气内进行的化学反应，压强一般保持常值，则有H = U + pV规定放热反应的焓取负值。 熵S为系统的混乱度 dH=dHTdSVdp 四、理想气体的比热四、理想气体的比热1 1、比热的定义和单位、比热的定义和单位热容量：热容量：热力系统温度升高（或降低）热力系统温度升高（或降低）1K1K所需所需的热量的热量, ,用用C C表示。表示。比热（容）：比热（容）：单位质量工

12、质的热容量，用单位质量工质的热容量，用c c表示。表示。即即c=C/m c=C/m 单位单位J/(kgKJ/(kgK）或）或c=dq/dTc=dq/dT（单位质量的（单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量）物质作单位温度变化时吸放的热量） 2 2、比热与过程的关系、比热与过程的关系功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。比热分为比热分为定压质量比热定压质量比热和和定容质量比热定容质量比热，分别，分别以符号以符号c cP P 和和c c 表表示。绝热指数：示。绝热指数：K= cK= cP P / c / c 3 3、比热与气体性质、温度的关系、比热与气体

13、性质、温度的关系 实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定采用定值比热（或定比热）值比热（或定比热）。 五、理想气体内能的计算五、理想气体内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为： q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律由热力学第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1) )内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内内能是一状态

14、量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且且 w =0w =0，第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个典型的热力过程典型的热力过程定容、定压、定温和绝热定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。称为基本热力过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定义：、定义：过程进行中系统的容积（比容）保持不变过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：=常数

15、常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2, , P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 2即：加入工质的热量全即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。部转变为工质的内能。（热力学第一定律）（热力学第一定律）由由 PV=RTPV=RT 知，知，P/T=P/T=常数常数，所以：所以：4 4、过程曲线、过程曲线等容加热等容加热温度升高温度升高等容放热等容放热温度降低温度降低二、定压过程二、定压过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统的压力保持不变。过程进行中系统的压力保持不变。 2 2、过程方程式：、过程方程式：P=P=常数常数3

16、 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由/T=/T=常数常数 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 2由热力学第一定律：由热力学第一定律：c cp p=c=c+ R+ R 迈耶公式迈耶公式c cp p/c/c=k=k绝热指数绝热指数4 4、过程曲线、过程曲线等压加热等压加热对外做功对外做功温度升高温度升高21等压放热等压放热对内做功对内做功温度降低温度降低2T-s图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量

17、）。三、定温过程三、定温过程1 1、定义：、定义：过程进行中系统的温度保持不变过程进行中系统的温度保持不变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式： T=T=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系： P=RT=P=RT=常数常数P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、过程量的计算、过程量的计算： T=常数常数 所以所以 u=0由由 q=w+ u可得：可得： q=w加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。4 4、过程曲线、过程曲线等温压缩等温压缩对外放热对外放热等温膨胀等温膨胀 吸热吸热22四、绝热过程四、绝热过程 1 1、定义：

18、、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递过程进行中系统与外界没有热量的传递（ q=0 s= q/T=0，故也称定熵过程，故也称定熵过程 ）。）。 2 2、过程方程式：、过程方程式：PvPvk k= =常数常数（推导略）（推导略） K= c cp p/c/c：绝热指数：绝热指数即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。3 3、过程曲线、过程曲线绝热压缩绝热压缩温度升高温度升高绝热膨胀绝热膨胀温度降低温度降低 五、多变过程五、多变过程 在实际的热力过程中，在实际的热力过程中，P P、T T的变化的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊和热量的

19、交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即的过程即多变过程多变过程来描述。来描述。 1 1、过程方程式、过程方程式：PvPvn n= =常数常数n:n:多变指数。多变指数。 等压过程；等压过程；n=1,Pv=n=1,Pv=常数常数 等温过程；等温过程；n=k,Pvn=k,Pvk k= =常数常数绝热过程；绝热过程；n=,v=n=,v=常数常数 等容过程。等容过程。n=0,P=n=0,P=常数常数2 2、各过程在、各过程在P-vP-v图上的比较图上的比较等压线等压线:压力升高部分压力升高部分压力降低部分压力降低部分等容线等容

20、线: :膨胀部分膨胀部分压缩部分压缩部分等温线等温线: :温度升高部分温度升高部分温度降低部分温度降低部分绝热线绝热线: :吸热部分吸热部分放热部分放热部分n=1n=1n=kn=kn=n= nW0WQQ2m2mQQ2v2v所以：所以： tvtvtmtmtptp三、活塞式内燃机理想循环的比较三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压缩比、在等压缩比 、等加热量、等加热量Q1条件下条件下2 2、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出： 放热量放热量q q2

21、 2都相同，而都相同，而加热量为：加热量为： Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，于压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv热力系统的分类热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）（据界面上物质和能力交换的情况分） 闭口系统：闭口系统：与外界无质量交换的系统；与外界无质量交换的系统； 开口系统：开口系统：与外界有质量交换的系统；与外界有质量交换的系统； 绝热系统：绝热系统：与外界无热量交换的系统；与外界无热量交换的系统； 孤立系统：孤立系统：与外界即无质量交换，又无与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。热量交换的

22、系统。压力的测量压力的测量 当系统的压力高当系统的压力高于大气压力时，于大气压力时， 用用压力表压力表测量测量。P=PP=Pb b+P+Pg g P: P:系统压力系统压力（绝对压力）；（绝对压力）；P Pb b: :大气压力；大气压力；P Pg g: :表压力（压力表压力（压力表读数）。表读数）。压力的测量压力的测量当系统的压力低于当系统的压力低于大气压力时，用大气压力时，用真真空表空表测量。测量。P=Pb-Pv PvPv：真空表读数：真空表读数。由于表压力和真空由于表压力和真空度随大气压力的变化度随大气压力的变化而变化，而变化，所以只有绝所以只有绝对压力才能作为系统对压力才能作为系统的状态

23、参数。的状态参数。湿度 绝对湿度：一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，克/立方米。 相对湿度相对湿度：水蒸气的饱和度有多高。相对湿度为100%的空气是饱和的空气。在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度。 在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低。因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。通过相对湿度和温度也可以计算出露点。 含湿量d单位质量干空气的湿空气所含有的水蒸气的质量。单位g/kg(干空气)。【露点露点】 空气中的水蒸气由于冷 却而达到饱和时的温度。 当气温与露点的差值越小，表示空气越接近饱和，空气的相对湿度则越高。例如，在某一气压下，测得空气的

24、温度是20，露点是12，从表中查到20时的饱和蒸汽压为2328Pa（17.54毫米汞柱），12时的饱和蒸汽压为1402.3Pa（10.52毫米汞柱） 空气的相对湿度60 当大气的相对湿度大时露点高，相对湿度小则露点低。传热 传热的基本方式：热传导、热对流和热辐射 热传导：不涉及物质转移，热量从高温传递给相接触的低温，简称导热。 热对流：不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，是热传导和热对流综合作用的结果。 热辐射：物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。热量可以在真空 中直接传递。 每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸 收所综合导致的热量转移称为辐射换热。 导热系数 1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米度（W/mK，此处为K可用代替）。 导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米度以下的材料称为高效保温材料。传热系数K 以往称总传热系数。 稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米度（W/K，此处K可用代替）。