热工基础总复习

总复习(OverallReview)系统(ThermodynamicSystem):Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy.

（系统就是指被选做研究对象的物体或空间。）2.平衡状态(EquilibriumState)Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswithtimewhenitisisolatedfromitssurroundings.

所谓平衡状态就是指在没有外界影响的情况下，系统的状态不随时间而发生变化。BasicConcept3.准静态过程(Quasi-staticProcess)

在无限小势差推动下的由连续平衡态组成的过程，就是准静态过程。

Whenaprocessproceedsinsuchamannerthatthesystemremainsinfinitesimallyclosetoanequilibriumstateatalltimes,itiscalledaquasi-staticorquasi-equilibriumprocess.4.可逆过程(Reversibleprocess)

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。

Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.自发过程(SpontaneousProcess)不需要任何外界作用而自动进行的过程。

A processwhichcanhappynaturallywithouttheinterferencefromthesurroundings.5.循环(Cycle)

Ifasystemreturnstoitsinitialstateattheendoftheprocess,itissaidasystemhaveundergoneacycle.

系统经历了一系列状态变化过程，又回到了原来状态，称为热力循环。与体系发生质、能交换的物系。系统与外界的分界面（线）。•

外界(surrounding)：•边界(boundary)：6.热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界1）系统与外界的人为性

2）外界与环境介质

3）边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的7.CLOSEDSYSTEMSANDCONTROLVOLUMESSystem:Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy.

Surroundings:ThemassorregionoutsidethesystemBoundary:Therealorimaginarysurfacethatseparatesthesystemfromitssurroundings.Theboundaryofasystemcanbefixed

ormovable.Systemsmaybeconsideredtobeclosed

oropen.

Closedsystem(Controlmass):Afixedamountofmass,andnomasscancrossitsboundaryOpensystem(controlvolume):Aproperlyselectedregioninspace.Itusuallyenclosesadevicethatinvolvesmassflowsuchasacompressor,turbine,ornozzle.Bothmassandenergycancrosstheboundaryofacontrolvolume.Controlsurface:Theboundariesofacontrolvolume.Itcanberealorimaginary.9

闭口系（closedsystem）（控制质量CM）

—没有质量越过边界

开口系（opensystem）

（控制体积CV）

—通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换10

1）闭口系与系统内质量不变的区别；闭口系是始终不交换质量，所以质量肯定不变；质量保持不变也有可能是恒流系统（时刻进出质量相等）。2）孤立系与绝热系的关系。注意：绝热系（adiabaticsystem）—

与外界无热量交换;

孤立系（isolatedsystem）—

与外界无任何形式的相互作用（如质量、能量、作功等）。3.按能量交换111

2

3

4

m

Q

W

1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系124.简单可压缩系（simplecompressiblesystem）最重要的系统！由可压缩物质组成的有限物质系统，系统内无化学反应。这种系统与外界可逆功交换只有容积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式。这种系统只交换热量和一种准静态的容积变化功，

或者说和外界只可能进行热能和机械能交换。容积变化功

压缩功膨胀功

131-3工质的热力学状态和基本状态参数

热力学状态

—工质在热力学变化过程中的某个瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。

状态参数

———用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量

1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状参，系统有多个状态参数，如一、热力学状态和状态参数二、状态参数的特性和分类14三、系统状态相同的充分必要条件

系统两个状态相同的充要条件：

所有状态参数一一对应相等

简单可压缩系两状态相同的充要条件：

两个独立的状态参数对应相等，因为这种系统，两个独立状参确定后，其他4个状参可以由这2个状参推导出。状态确定，则状态参数也确定，反之亦然151-4平衡状态1．定义：如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变（状态参数不随时间改变），则系统的这种状态称为平衡状态。热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，则系统处于热平衡。力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移，则系统处于力平衡。系统热力平衡的充分必要条件

———系统同时达到热平衡和力平衡。一、平衡状态161-4平衡状态工程热力学通常只研究平衡状态。热力平衡系统特点：处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破坏。一、平衡状态不平衡系统特点：处于不平衡状态的系统，由于各部分之间的传热和位移，其状态将随时间而改变，改变的结果一定是传热和位移逐渐减弱（如果不再受到外界影响），直至完全停止；所以，不平衡状态系统，在没有外界条件的影响下，总会自发地趋于平衡状态。172.平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上

均匀并非系统处于平衡状态的必要条件；平衡不一定均匀（如气液两相并存的热力平衡系统），单相平衡态则一定是均匀的。183.平衡与稳定稳定状态：参数不随时间变化，不考虑参数保持不变是如何实现的。平衡状态：是在没有外界作用下实现参数保持不变。稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？

稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。

则为平衡状态191.准平衡（准静态）过程引入平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法用状态参数简单描述热力学引入准平衡（准静态）过程1-5工质的状态变化过程一、准平衡过程没有工质状态变化，所以不能实现热能与机械能的相互转化203）准静态过程实际意义既是平衡，又是变化。既可以用状态参数描述，又可进行热功转换。疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件：破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡准静态过程

一般的工程过程都可认为是准静态过程。212.准静态过程定义有无限接近平衡状态的状态组成的过程称为准静态过程。3.准静态与平衡态的区别平衡态△p=0,△T=0；准静态△p→0,△T→0

4.准静态过程特征平衡态的破坏离平衡态非常近，或者说破坏量非常小；破坏平衡态的速度远远小于工质内部分子运动的速度。22一、功的定义和可逆过程的功

1．功的力学定义：力在力方向上的位移。

2．功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。3．可逆过程功的计算▲功是过程量，与初状态、末状态、

过程有关；▲功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。所以p-v图称为示功图。1-6功和热量23

系统对外作功为“+”

外界对系统作功为“-”5．功和功率的单位：附：4．功的符号约定：24二、热量1．定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。2．符号约定：系统吸热“+”；放热“-”3．单位：

4．计算式及状态参数图热量是过程量（T-s图上）表示25四、热量与功的异同：均为通过边界传递的能量；功是有规则的宏观运动能量的传递，传递由压力差推动，比体积变化是作功标志，作功过程中往往伴随着能量形态的转化；热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传递由温差推动，比熵变化是传热的标志，传热过程中不出现能量形态的转化。功都是能量传递的度量，均为过程量（不是状态量）；热是无条件的；热功是有条件、限度的。261-7热力循环一、定义：过程：是指热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。循环：是封闭的过程，也就是说，循环是这样的过程：热力系从某一状态开始，经过一系列中间状态后，又回复到原来的状态。循环的特点：封闭的热力过程，且一切状态参数恢复原值，即：循环是一种特殊的过程。27二.循环和过程循环由过程构成;全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环；若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则该循环为不可逆循环。不可逆循环

可逆过程不可逆循环可逆循环28三、动力循环（正向循环）工质完成一个循环后，对外作出正的净功（1-2-3-4-1）；输出净功的原因：膨胀过程线的位置高于压缩过程线。将热能转化为机械能的循环称为正向循环（也叫热动力循环），它使外界得到功。如内燃机、蒸汽轮机、喷气式发动机等。在p-v图和T-s图上都是按顺时针方向进行的。29三、动力循环（正向循环）要是膨胀过程线高于压缩过程线就需要：在膨胀开始前或膨胀过程中与高温热源接触，从中吸入热量；而在压缩过程开始前或在压缩过程中与低温热源接触，放出热量。这也是为什么我们使用的热动力设备，都是工质在膨胀前加热，压缩前放热。动力循环热效率：30四、逆向循环将热量从低温热源传给高温热源的循环叫做逆向循环，一般来讲逆向循环必然消耗外功，如制冷循环（冰箱、制冷空调）、空调的热泵循环。在p-v图和T-s图上都是按逆时针方向进行的。工质完成一个循环后，外界向工质输入功（1-2-3-4-1）；输出净功的原因：膨胀过程线的位置低于压缩过程线。31四、逆向循环要是膨胀过程线低于压缩过程线就需要：工质在吸热前进行降温过程，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量，然后工质再在冷库中吸热膨胀；之后，在压缩机的作用下，将工质压缩，使其温度升高到能向高温热源放热的温度。制冷系数:供热系数：32热能装置第1章复习总结系统状态过程循环不断做功不断交换热量332–3热力学第一定律基本表达式

加入热力系的能量总和－热力系输出的能量总和=热力系总储存能的增量热力学第一定律——能量既不会产生也不会消亡，它们只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体上转移到另一个物体上，在转移和转化的过程中，它们的总量保持不变。理解思路：如果转移和转化过程中有能量消失或增加，则上式不成立！34讨论：

2）对于可逆过程3）对于循环4）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。1）适用条件：任何工质;任何过程；35等式右边均源自于工质在状态变化过程中通过膨胀而实施的热能转变成的机械能。等式左边是工质在过程中的容积变化功。因此上式说明,工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。五、稳定流动能量方程式分析考虑到，所以：工质机械能变化维持工质流动所需的流动功工质对机器作的功36由于机械能可全部转变为功,所以，等式右边第1项与第3项之和是技术上可资利用的功,称之为技术功,用wt表示：五、稳定流动能量方程式分析工质机械能变化维持工质流动所需的流动功工质对机器作的功考虑到q-△u=w,则：37五、稳定流动能量方程式分析对于可逆过程,则：在微元过程中,则：由上分析可知，若dp为负,即过程中工质压力降低,则技术功为正,此时工质对机器作功;反之机器对工质作功。蒸汽轮机、燃气轮机属于前一种情况,活塞式压气机和叶轮式压气机属于后一种情况。38五、稳定流动能量方程式分析引进技术功概念后,稳定流动能量方程式,则：对于质量为m的工质,则：对于微元过程,则：对于可逆过程,则：393-1理想气体三、摩尔质量和摩尔体积摩尔体积（m3/mol）1mol气体的体积，以Vm

表示，显然：很明显：不同压力和温度下，1mol气体的体积不相同！阿伏伽德罗定律实验测得在标准状态(p0=1.01325×105Pa,T0=273.15K)下,1mol任意气体的体积为0.0224141m3,即：阿伏伽德罗定律：同温、同压下,各种气体的摩尔体积都相同。注意：1mol物质的质量（=分子质量=摩尔质量）一般不相等。阿伏伽德罗定律含义：同温、同压下,相同数量分子（或相同mol数量）气体的体积都相同。403-1理想气体四、摩尔气体常数1kg理想气体的状态方程的两侧同乘以摩尔质量M：其中阿伏加德罗定律：同温、同压下,各种气体的摩尔体积都相同。若以1和2分别代表两种不同种类的气体,当p1=p2、T1=T2时,则：Vm1=Vm2两种气体的M与Rg的乘积相同,而气体的种类又是任选的,因而(MRg)1=(MRg)2=⋯=MRg。M、Rg各自都与气体的状态无关（与气体的性质有关）,可以断定:MRg是既与状态无关,也与气体性质无关的普适恒量,称为摩尔气体常数,以R表示。R的数值可取任意气体在任意状态下的参数确定。41四、摩尔气体常数摩尔气体常数,以R表示。R的数值可取任意气体在任意状态下的参数确定。如用标准状态的参数来确定R值：由R的值和R=MRg可求得各种气体常数Rg的值，即：如空气的摩尔质量M为28.97×103kg/mol，所以，空气的气体常数Rg=287.0J/(kg·K)五、不同情况理想气体状态方程表达式不同物量时：423–2理想气体的比热容定义：c与过程有关c是温度的函数分类：按物量热量是过程量,因而比热容也和过程特性有关,不同的热力过程,比热容也不相同。一、比热容(specificheat)定义和分类质量热容（比热容）cJ/(kg·K)(specificheatcapacityperunitofmass)体积热容（标准状态下）C’

J/（m3·K）(volumetricspecificheatcapacity)摩尔热容CmJ/（mol·K）(molespecificheatcapacity)43按过程质量定压热容（比定压热容）质量定容热容（比定容热容）及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式442.cV定容过程

dv=0若为理想气体（）：温度的函数代入式（A）得比热容的一般表达式453.cp据一般表达式若为理想气体Cp是温度函数dp=0464.迈耶公式迈耶公式5.讨论1)cp与cV均为温度函数,但cp–cV恒为常数：Rg（对于同一种气体来说）。对于理想气体：473–3理想气体热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数2)一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力48讨论：如图（等温线bdc上）：重要结论：对于理想气体,任何一个过程的热力学能变化量都和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等;任何一个过程的焓变化量都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等。49因而,对于理想气体的任何一种过程,下列各式都成立:根据热力学第一定律解析式：定容过程膨胀功为零,热力学能变化量与过程热量相等,即：定压过程技术功为零,焓变化量与过程热量相等,即：2.理想气体热力学能和焓变化量计算式50二、状态参数熵1.定义2.理想气体的熵是状态参数式中:δqrev为1kg工质在微元可逆过程中与热源交换的热量;T是传热时工质的热力学温度;ds是此微元过程中1kg工质的熵变,称为比熵变。对于理想气体,将可逆过程热力学第一定律解析式δq=cpdT-vdp和状态方程v=RgT/p代入熵的定义式,得:熵是状态参数51三、理想气体的熵变计算1.熵是状态参数,就可用其他任意两个独立的状态参数表示,如（p，T）

、（v，T）

或（p，v）

等52定比热533–4水蒸气的饱和状态和相图一、汽化和液化(vaporizationandliquefaction)汽化：由液态到气态的过程蒸发：在液体表面进行的汽化过程液化：由气相到液相的过程沸腾：在液体表面及内部进行的强烈汽化过程。水蒸气具有容易获得、有适宜的热力性质、无污染等优点，是热力系统中应用的主要工质。热力系统的作为工质的水蒸气距液态不远，工作过程中有集态变化，所以不宜作为理想气体来处理。54二、饱和状态(Saturatedstate)

当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量—饱和状态。饱和状态的温度—饱和温度，ts(Ts)(Saturatedtemperature)

饱和状态的压力—饱和压力，ps（Saturatedpressure）

加热，使温度升高如t'，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps'。所以一一对应，只有一个独立变量，即如55t/℃02050100120150p/MPa0.00061120.00233850.01234460.10133250.1984830.4757156

三、几个名词

饱和液—处于饱和状态的液体：t=ts

干饱和蒸汽—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,t–ts=d称过热度。

湿饱和蒸汽—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：57干度（湿度

y=1–x）x01饱和液湿饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。58预热汽化过热t<tst=tst=tst=tst>ts3–5水定压加热汽化过程一、水定压加热汽化过程工程上所用的水蒸气通常是水在保持压力近似不变的条件下通过沸腾汽化而产生的。59二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图一点临界点两线上界限线下界限线三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽60可用的公式有：61一、理想气体可逆多变过程方程式4–2理想气体的可逆多变过程n为常数，可以为-无穷到+无穷的任意常数（多变指数）在logp-logV图上有logp=-nlnV+c常数n称为多变指数62在logp-logV图上有logp=-nlnV+c=常数多变过程常数理想气体的基本热力过程是可逆多变过程的特例；63三、在p-v图及T-s图上表示64四、w，wt和q65q=多变过程比热容66七、多变过程的能量关系w/q膨胀，吸热，压缩,放热膨胀，放热，压缩,吸热热力学规定：系统吸热“+”，放热“-”；系统对外作功为“+”，外界对系统作功为“-”67七、多变过程的能量关系w/q膨胀过程(w>0),必须对气体加热(q>0);压缩过程(w<0),气体必定对外放热(q<0)。若1<n<κ,则w/q>1,即w与q同号,且|w|>|q|。这种多变膨胀过程输出的过程功大于气体的吸热量,根据能量守恒原则,气体的热力学能一定减少,故温度降低;反之,这类多变压缩过程消耗的过程功大于气体的放热量,热力学能一定增大,故温度升高。68七、多变过程的能量关系w/q膨胀过程(w>0),气体必须对外放热(q<0);压缩过程(w<0),必须对气体加热(q>0)。高温时气体的定熵指数κ并非定值,通常,温度愈高κ值愈小。如柴油机的膨胀过程,开始时温度高达1800℃左右,膨胀终了仍有600℃左右。在此范围内气体的平均定熵指数κav=1.32～1.33,而该过程的平均膨胀多变指数约为n=1.22～1.28,1<n<κav,因w>0,所以q>0，必然为吸热工程，且输出的过程功大于气体的吸热量，气体的热力学能一定减小，温度降低。又如柴油机的压缩过程,空气温度通常不超过300～400℃,这时κ=1.4,而平均压缩多变指数约为n=1.32～1.37,1<n<κ,因w<0,

故q<0，为放热过程,表明该过程以空气向冷却水放出热量为主。69八、关于T-s图及p-v图1.过程线的分布规律n值按顺时针方向逐渐增大,由-∞→0→1→κ→+∞。多变过程在p-v图上的斜率:70

2.坐标图上过程特性的判定多变过程线在p-v图、T-s图上的位置确定后,可直接观察p、v、T(u、h)、s等参数的变化趋势,以及过程中能量的传递方向。过程功的正负以定容线为分界,如上图所示,定容线右侧(p-v图)或右下区域(T-s图)的各过程的w>0,即工质膨胀对外输出功;反之则w<0,即工质被压缩,消耗外功。71

2.坐标图上过程特性的判定过程热量的正负以定熵线为分界,定熵线右侧(T-s图)或右上区域(p-v图)的各过程的Δs>0、q>0,必为加热过程;反之则Δs<0、q<0,必为放热过程。理想气体内能(或焓)的增减以定温线为分界,定温线上侧(T-s图)或右上区域(p-v图)的各过程的Δu>0(Δh>0),工质的热力学能(或焓)是增大的;反之则Δu<0(Δh<0),其热力学能(或焓)减小。72

2.坐标图上过程特性的判定例如,κ=1.4的某种气体,按n=1.6的多变压缩过程工作,可根据dv<0,κ<n<∞先在p-v图、T-s图上画出过程线,上图中以点划线示出。从图中可看出：该过程线处于w<0、q>0的区域,故为耗功、吸热、升温、升压过程。习惯上,以为气体吸热则温度升高,放热则温度降低。其实不然,只是那些cn>0的过程有此特性,这时dT与δq同号。另外,cn<0的过程,1<n<κ,故dT与δq反号,加热则降温,放热反升温,其原因已在多变过程的能量转换规律w/q的分析中论述过。1.克劳修斯表述

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.Clausiusstatement克劳修斯表述ClausiusstatementTransferheatfromhightemperaturereservoirtolowtemperatureonesisaspontaneousprocess.Howeveritisirreversible.(从高温物体向低温物体的传热是一个自发过程,但是不可逆)Transferheatfromlowtemperaturereservoirtohightemperatureonesispossible.Howeveritwillleaveinfluenceonenvironment.(从低温物体向高温物体的传热过程是可以实现的,但会给环境造成一定影响)

空调,制冷(Air-Conditioning,Refrigerating)代价：耗功(Cost:EnergyConsumption)

热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。2.开尔文－普朗克表述

不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它变化。Kelvin－PlanckStatement

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.Noheatenginecanachievea100percentthermalefficiency.(热机的效率不可能达到100%)Foraheatengine,theworkingfluidmustexchangeheatwiththeenvironment.

(对于热机来说,工质必然和环境交换热量)

热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。开尔文－普朗克表述Kelvin－PlanckStatementHeatreservoirs

ThermalEnergySource

Heat

ThermalEnergy

Sink冷热源（如大自然）:容量无限大，取、放热其温度不变

但违反了热力学第二定律第二类永动机

perpetual-motionmachineofthesecondkind第二类永动机：设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源Perpetual–motionmachineofthesecondkind锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQoutQNowsupposewehaveaheatenginewhichcanconvertheatintoworkwithoutrejectingheatanywhereelse.Wecancombineitwithaheatpumpsothattheworkproducedbytheengineisusedbythepump.Nowthecombinedsystemisaheatpumpwhichusesnoexternalwork,violatingtheClausiusstatementofthesecondlaw.Thus,weseethattheClausiusandKelvin-Planckstatementsareequivalent,andonenecessarilyimpliestheother.3.克劳修斯说法与开尔文-普朗克说法等价

EquivalenceofClausiusandKelvin-PlanckStatements两种表述的关系开尔文－普朗克表述

完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!!热一律否定第一类永动机（即不消耗能量的永动机）热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？???热一律与热二律t

>100％不可能热二律否定第二类永动机（从单一热源取热并使之完全变为功的热机）t

=100％不可能热二律的实质

•

自发过程都是具有方向性的

•

表述之间等价不是偶然，说明共同本质

•

若想逆向进行，必付出代价,代价为多少方可进行?1.卡诺循环CarnotCycle

法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人CarnotCycleisaaparticularcyclethathasthebestpossibleefficiency,whichisimportantinpractice.Itsetsanupperlimitonwhatispossibleforrealengines.

效率最高§5.3CarnotCycleandCarnotTheorem

(卡诺循环及卡诺定理)

等温膨胀绝热膨胀pvHeatistransferredtotheworkingfluidduring1-2(Qh)andheatisrejectedduring3-4(Ql).anisothermalexpansionathightemperatureTh

（在高温Ｔh

下的等温吸热过程）

(2)anadiabaticexpansion（可逆绝热膨胀过程）(3)anisothermalcompressionatlowtemperatureTl

（在低温Ｔl下的等温放热过程）(4)anadiabaticcompression

（可逆绝热压缩过程）卡诺循环

CarnotCycle

卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2wThermalefficiencyofCarnotCycleApplyingfirstlaw,ForIsothermalProcessofIdealgas:(对理想气体的等温过程)ThermalefficiencyofCarnotCycle(卡诺循环的热效率)Foridealgaspv在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率（卡诺循环是可逆循环）；

Theefficiencyofanirreversibleheatengineisalwayslessthanthatofareversibleoneoperatingbetweenthesametwothermalreservoirs.2.Carnot‘sTheorems(卡诺定理)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机有相同的热效率，而与工质无关，与热机类型无关。

Theefficienciesofallreversibleheatenginesoperatingbetweenthesametwothermalreservoirsarethesame.2.Carnot‘sTheorems(卡诺定理)

ForaCarnotengine,theefficiencysimplifiesto

Thisisthehighestefficiencyaheatengineoperationbetweenthetwothermalenergyreservoirsattemperaturesandcanhave.Thethermalefficienciesofactualandreversibleheatenginesoperatingbetweenthesametemperaturelimitscomparesasfollows

(1)卡诺定理指明了热变功的最高效率

TheCarnotTheoremindicatesthemaximumthermalefficiencyofheatengine,whichconvertsheatintowork.

3.ThesignificanceoftheCarnotTheorems(卡诺定理的意义)(2)卡诺定理指明可以通过提高高温热源的温度,降低低温冷源的温度或减少过程的不可逆因素等方式来提高热效率

TheCarnotTheorempointoutthermalefficiencycanbeimprovedbymeansofraisingthetemperatureofhightemperaturethermalreservoir,loweringthetemperatureoflowertemperaturereservoir,orreducingirreversibilities.(3)

卡诺热效率表明了热量的最大可用能

TheCarnotthermalefficiencyvaluerevealsthemaximumamountofhightemperaturethermalenergywhichcanbeconvertedtowork.(4)卡诺定理表明能量不仅有数量的差别，还有品质的高低

TheCarnotTheoremindicatesthatenergyhasqualityaswellasquantity.功量比热量更可贵，因为它可以100%地转化为热量，而热量只能部分转化为功。

Workisamorevaluableformofenergythanheatsince100%ofworkcanbeconvertedtoheat,butonlyafractionofheatcanbeconvertedtowork.热源温度越高，热量的品质就越高,其可转化为的可用能就越大。

Thehigherthetemperature,thehigherthequalityofthermalenergy.(5)基于卡诺定理,才证明熵是一个状态参数

ItisbasedonCarnottheoremthatentropyisinvestigatedtobeaproperty.()卡诺定理举例

A

热机是否能实现1000

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ例题:Ts4.工作在相同温限范围内的任意可逆循环与卡诺循环ForanyreversiblecycleandCarnotcycleworkingbetweenthesametemperaturedifferenceT1T2TM1TM2s2s1温熵图5.Entropy(熵)

p

a

12

2

b

vForeverysmallreversiblecycleThen,Entropyisdefinedas上式中δq为绝对值。若改用代数值,δqL

为负值,上式可写为：Thatis：Thus,foreveryreversibleprocess:

６.ClausiusInequality(克劳修斯不等式)

p

a

1

2

2

b

vForeverysmallirreversiblecycle上式中δq为绝对值。若改用代数值,δqL

为负值,上式可写为：Thatis：ClausiusInequality：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。这就是用于判断循环是否可逆的热力学第二定律的数学表达式。

克劳修斯不等式例题

A

热机是否能实现1000

K300

KA2000

kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ注意：热量的正和负是站在循环的立场上7.EntropyChangeduringanIrreversibleProcess(不可逆过程的熵变)FromClausiusInequality,weknow:Thatis：Theaboveequationstatesthattheentropychangesofasystemduring

irreversibleprocessesarealwaysgreaterthantheintegraloffromtheinitialtothefinalstate.Itmeansthattheentropychangeinanirreversibleprocessisgreaterthantheheataddedtothesystemdividedbytheheatsourcetemperature.7.EntropyChangeduringanIrreversibleProcess(不可逆过程的熵变)Theequalityholdsforanreversibleprocessandtheinequalityforanirreversibleprocess.foreveryreversibleprocess:foreveryirreversibleprocess:Theaboveequationcanserveasacriterionindeterminingwhetheraprocessisreversible,irreversible,orimpossible.5.4TheincreaseprincipleofEntropyandEntropyEquation（熵增原理与熵方程）1.PerformanceofEntropy(熵的性质)(1)wedefine

Entropyisastateproperty.Anysubstancepossessesthisproperty.(熵是一个状态参数，任何物质都具有熵这个参数）

Itdependsonlyonstate.(它仅取决于状态）(2)Entropyisanextensiveproperty.Itpossessaddition(熵是一个广延参数，具有可加性）(3)Heatabsorptionduringreversibleprocesscanbecalculatedbythefollowingequation.(可逆过程的吸热量可用下列公式计算）Entropyofasubstanceincreasesasitabsorbsheat.(可逆过程吸热，则导致熵增大）

Entropydecreasesasitrejectsheat.（可逆过程放热，则导致熵减小）(4)

>,forirreversibleprocess(不可逆过程)。即：任意不可逆过程中，熵的变化量大于该过程中加入系统的热量除以热源温度。

=,forreversibleprocess(可逆过程)。(3)Heatabsorptionduringreversibleprocesscanbecalculatedbythefollowingequation.(可逆过程的吸热量可用下列公式计算）2.孤立系统的熵增原理

TheincreaseprincipleofEntropyFromtheClausiusinequality，weknow：

Forisolatedsystem

Theentropyofanisolatedsystemduringaprocessalwaysincreasesor,inthelimitingcaseofareversibleprocessremainsconstant.Inotherword,itneverdecreases.(孤立系统中的过程总是向着熵增大的过程进行,若为可逆过程,则熵不变。换句话说，即孤立系统的熵不会减小）Thereisnomassandenergytransferbetweenanisolatedsystemanditssurroundings.Whydoesnotentropyofisolatedsystemdecrease?(为什么孤立系统的熵不会减少？）

Onlyirreversibilitiescanleadtotheincreaseinentropyofanisolatedsystem.（不可逆性是导致孤立系统熵增大的唯一原因）Suchas：heattransferacrossafinitetemperaturedifference（温差传热）friction（摩擦）Freeorunrestrainedexpansion（自由膨胀）mixingoftwofluids（液体的混合）electricresistance（电阻）inelasticdeformationofsolid（固体的塑性变形）chemicalreactions（化学反应）>,forirreversibleprocess(不可逆过程)。=,forreversibleprocess(可逆过程)。1.HeatabsorptionandheatrejectionduringareversibleprocesscanbecalculatedbyresortingtoEntropy.(可逆过程中的吸热或放热量可借助熵来计算）5.5SignificanceofEntropyanditsapplication(熵的意义及应用)2.Entropygenerationindicatesthedirectionofprocessinisolatedsystem.

(熵产是孤立系统中过程进行方向的标志）3.Entropyisameasurementof

theamountofthermalenergywhichcannotbeconvertedtowork.(熵是热量不可用能大小的量度）4.EntropyGenerationindicatestheamountoflossinenergywhichcanbeconvertedtowork.(熵产是做功能力损失的量度）TsTHT0s1s21139–1分析动力循环的一般方法一、分析动力循环的目的

在热力学基本定律的基础上，分析各种动力循环的特性、能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。二、分析动力循环的一般步骤

1.实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论循环分析可逆循环影响热效率的主要因素和可能改进途径实际循环指导改善2.分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及提出改进办法。1149–1分析动力循环的一般方法三、分析动力循环的一般方法

第一定律分析法：以能量的数量为立足点，从能量转换的数量关系来评价循环的经济性，以热效率为其指标。第二定律分析法：以热力学第一定律、第二定律作为依据,从能量的数量和质量来分析,以“作功能力损失和火用效率”为其指标。两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小是不同的。在分析动力循环时不仅要考虑能的数量,还应考虑能的质量。为了全面地反映循环的真实经济性，两种方法各有侧重,不可偏废。1159–1分析动力循环的一般方法四、气体动力循环的简化假设假定工作流体是一种理想气体;假设它具有与空气相同的热力性质;实际气体循环中的工质主要是燃气,且在循环不同部位的成分不同。由于燃气和空气的热物性相近,所以在作理论分析时假定工质全部由空气构成通常不会造成很大的误差。当然,这样的假设仅可适用于气体动力循环,在分析蒸汽动力循环时不可采用。假定：燃烧过程自高温热源的吸热过程；排气过程向低温热源的放热过程。1169–1分析动力循环的一般方法五、气体动力循环效率提高方法实际循环简化抽象后得到内部可逆的理论循环,通过比较该可逆循环与同温限的卡诺循环,可以发现影响该循环热效率提高的主要原因,进而可指导实际循环的改善。一般地讲，欲提高循环热效率,在现实条件许可的情况下应：（1）尽可能提高循环中工质的平均吸热温度,（2）降低平均放热温度，（3）尽可能减少过程的不可逆因素。1179–2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机简介1．分类：按燃料：煤气机

汽油机

柴油机

天然气发动机按冲程：二冲程

四冲程按点火方式：点燃式

压燃式118

开式循环；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化。２．活塞式内燃机循环特点119２．活塞式内燃机循环情况开式循环的不可逆情况：进气时进气门的节流作用；压缩时向冷却水套散热；燃料燃烧（可分为定容燃烧和定压燃烧）膨胀作功时向冷却水套散热；排气过程；把实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环：把循环工质简化为空气,且作理想气体处理,比热容取定值;把燃料定容及定压燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源可逆定容及定压吸热的过程,把排气过程简化成向低温热源可逆定容放热过程;120２．活塞式内燃机循环情况把实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环：把循环工质简化为空气,且作理想气体处理,比热容取定值;把燃料定容及定压燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源可逆定容及定压吸热的过程,把排气过程简化成向低温热源可逆定容放热过程;在压缩和膨胀过程中忽略气体与气缸壁之间的热交换,简化为可逆绝热过程。忽略实际过程的摩擦阻力及进、排气阀的节流损失,认为进、排气压力相同,进、排气推动功相抵消,即图进气线、排气线重合,加之把燃烧改成加热后不必考虑燃烧耗氧问题,因而开式循环就可抽象为闭式循环;121二、活塞式内燃机循环的简化定压加热12201吸气12压缩23喷油、燃烧34燃烧45膨胀作功50排气燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热排气5-1等容放热压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程吸、排气线重合、忽略燃油质量忽略燃气成分改变忽略9–3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环（萨巴德循环，适用柴油机）1231.p-v图及T-s图12等熵压缩；23等容吸热；34定压吸热；45等熵膨胀；51定容放热特性参数：压缩比定容增压比定压预胀比1242.循环热效率或125利用表示126两式相除，考虑到把T2、T3、T4和T5代入求127讨论：归纳：

a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环、第二定律对实际循环的指导。