工程热力学课件

0.绪论能源的主要形式有：

太阳能、风能、水力能、地热能、生物能、

电磁能、机械能、电能、化学能和核能等能量利用实质：能量的传递和转换；利用热能有两种方式：一种是直接利用：烘干、蒸煮、采暖等；一种是间接利用：转化为动力利用；利用最多的能源：化学能传统热力装置中，能量的转化过程为化学能

热能

机械能

电能

其能量的转化效率很低，一般不超过40％，目前世界上最先进采用超超临界发电技术，总能源转化效率可达43.2%新的能量转换过程：化学能

电能（燃料电池）

太阳能

电能（光伏发电）

热能

电能（磁流体）

0-2热力学发展简史1763年，瓦特（英国人）发明蒸气机，引发第一次工业革命；1824，卡诺（法国人）提出卡诺定理，指出了热机（热变功）的最高效率问题；1842，迈耶和焦耳（1850）分别从理论和实验两方面提出了热力学第一定律——能量守恒定律；1851，开尔文（英）和克劳修斯（德）分别提出了热力学第二定律；1906，能斯特提出了热力学第三定律，指出绝对零度不可达到；1942，凯南提出了有效能概念，指出能量有品质(1)研究对象——能量转换及利用的规律，特别是热能转换为机械能的规律和方法；——实现能量转换和利用的设备（动力装置和制冷装置）及其工作过程（热力过程）——实现能量传递和转换的物质（工质）0-3工程热力学研究对象、研究内容和研究方法（2）研究方法１．一种是宏观的研究方法，包括热力学第一定律和热力学第二定律；２．一种是微观的研究方法，包括从量子力学出发的量子热力学和从概率统计学出发的统计热力学。（3）主要研究内容

1.基本概念与基本定律。特别是热力学第一定律和第二定律；

2.热力过程。包括基本热力过程、工质流动、气体压缩和各种热机的工作过程等；

3.热力循环。包括蒸汽动力循环和气体动力循环、制冷循环等；

4.工质及其热物性。包括理想气体、实际气体（空气、水蒸气、燃气）、和各类制冷剂；

0-4量纲与单位

物理量的量纲是用来表示物理量的名称。

1、长度是距离的量纲；

2、质量是物质所具有量的量纲；

3、气体的温度是气体的一种热力学量纲。——基本量纲和导出量纲

基本量纲：有独立度量单位的量为基本量纲长度[L]、质量[M]、时间[τ]和温度[T]

导出量纲：由基本量纲导出的量纲速度的量纲：速度的定义式为速度的量纲为加速度的量纲：加速度的定义式加速度的量纲为

量纲可看出物理量的特征和性质，以及各物理量之间的关系。单位是人为规定的物理量的度量标准。SI单位制采用七个物理量作为基本量：长度、时间、质量、温度、电流强度、物质的量和发光强度。其相应的基本单位分别为m（米）、s（秒）、kg（千克）、K（开）、A（安）、mol（摩尔）、cd（坎）。

第一章基本概念1-1工质和热力系统1-1-1工质定义：实现热能和机械能互相转化的媒介物质，称为工质（传递能量的载能物质）；特点要求：（1）流动性；（2）膨胀性。最适宜作工质的物质是气体；分析能量转换装置的工作过程。以内燃机为例。内燃机的工作过程主要分成四个行程。

排气阀进气阀喷油嘴气缸活塞其工作过程存在有以下几个特点：

1．要实现热能转变为机械能，必须借助燃气作为媒介。工程上将实现能量转换的媒介物称之为工质。

2．能量的转变是通过工质状态的连续变化来实现的。工质一般都是气体，体积可显著的变化。

3．供给热能一部分转变为机械能，其余的部分排给了低温热源。1-1-2热力系统定义：确定研究对象，把研究对象单独取出的部分称为热力系。与热力系有关的周围物体称为外界。热力系与外界的分界面称为边界。注意：边界可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是运动的，也可以是静止的；（一）热力系统分类根据系统与外界的物质交换情况分（1）闭口系统（或称闭系，无物质交换）QW闭口系统又称控制质量系统（2）开口系统（或称开系，有物质交换）QW工质流入工质流出开口系统又称控制体积系统。根据系统与外界的能量交换情况分(1)绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。(2)孤立系统：热力系与外界既无能量交换又无质量交换的系统。(3)简单热力系：系统与外界只交换热量和一种形式的准静功。根据热力系内部状况划分（1）单元系：只包含一种化学成分的物质；（2）多元系：包含两种以上的物质；（3）均匀系：系统内各部分具有相同的性质；（4）非均匀系：热库：热力系它具有无限大的热容量，它可以对外放出或吸入有限的热量而不改变自身的温度。热源：工质从中取热的热库，冷源：接受工质放热（排出热能）的热库。1－2状态和状态参数状态定义：热力系统变化过程中，工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。状态参数定义：描述工质所处状态的宏观物理量，仅取决于系统某一瞬间的性质，是热力系统状态的单值函数，以工质以往经历的过程无关。状态参数的性质：是状态的单值函数，对应于一定状态，状态参数有唯一确定的数值；与产生状态的过程经历无关，数学上可表示为

与经历途径无关

经历一个循环后，状态参数变化值为0状态参数的分类（1）强度量：与所含的物质数量无关，不具可加性；（2）尺度量：与所含的物质数量有关，具有可加性，又称广延量；（3）转化强度量：由尺度量转化而来，具有强度量性质，不具可加性。强度量只有在系统处于平衡状态下才有确定值，尺度量则在任意的系统状态下均具有确定值。常用状态参数压力（P）；温度（T）；体积(V)；内能（U）；焓（H）；熵（S）；自由焓（G）其中，P,V,T等量可以通过仪器直接测量，称为基本状态参数（一）基本热力状态参数

1．压力单位面积所受到的垂直作用力称为压力。气体压力：大量的气体分子频繁碰撞容器壁面的统计结果。压力的表示：（1）绝对压力：以大气为基准测得的真实压力；

（2）相对压力或表压力：以大气压为基准测得的压力；其中表示大气压力。（3）表压力/真空度：压力的单位（SI制）：

1Pa=1N／m千帕(kPa)或兆帕(MPa)

(1)．巴(bar)1bar=10Pa=0.1MPa=100kPa(2)．毫米汞柱(mmHg)和毫米水柱(mmHO)

式中为液柱高度，为液柱密度。

1mmHg=133.322Pa≈133.3Pa1mmH2O=9.80665Pa≈9.81Pa(3)．标准大气压(atm)1atm=760mmHg=1.01325×10Pa=1.013bar(4)．工程大气压(at)：1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm=10mH2O=9.80665×10Pa=0.980665bar=735.6mmHg(5).PSI（=磅力/英寸2＝bf/in2）(6).托（Torr）：1托＝1mmHg=133.322Pa压力的测量——压力计常用压力计有：弹簧压力计，U型管压力表（液压和微压），比托管（高速气压）

2．温度温度是描述热平衡物体共有宏观特性的物理量（热力学第零定律－热传递性）。温度表示物体的冷热程度。从分子运动论看，温度的微观本质就是物体内部分子和原子不规则热运动的度量。气体的温度是气体分子平均移动动能的标志。物体的温度越高，其内部的热运动就越剧烈。温标：温度的数值表示方法。常用温标（1）热力学温标：用符号“T”表示，单位是[开尔文]，[K]。规定纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点——三相点为基准点，为273.15K；热力学温标为国际上使用的基本温标。（2）摄氏温标：t，单位为摄氏度，℃。规定水的冰点为0度，沸点为100度，在冰点和沸点之间划100等份，每一等分为1摄氏度；（3）华氏温标：规定，水在1atm条件下的冰点为32度，沸点为212度，在冰点和沸点之间划180分度，每一分度为1华氏度；单位为F。三种温标之间的关系为：3．比容

单位质量的工质所占的容积，用表示。于是，有比容越大，密度越小，物质分子间的相互作用力就越小。

例（2）一个新的线性温度标尺(牛顿度，用“N”表示)是这样来定义的，即水的冰点和沸分别取为100N和200N。

(1)导出用牛顿度表示的温度和相应的开尔文温标上读出的温度之间的关系式；

(2)开尔文温标上的绝对零度在新的标尺上为多少N？373K200NTkTN273K100N

解：（1）（2）当=0K时，有

0K=+173=－173N作业：P26:(1-1);P27:(1-5,1-7)1－3．平衡状态、状态公理及状态方程1-3-1平衡状态：定义：在没有外界影响条件下，系统的各部分性质在长时间内不发生变化的状态。特点：热力系统处于平衡状态时，必须满足(a)力平衡；(b)热平衡。系统内部之间及系统与外界之间不存在温差；(c)相平衡。化学势差消失；1-3-2状态公理和状态方程状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立参数为n+1个。其中，n是系统可能出现的准静功形式。对于简单可压缩系统而言，只有一种形式的准静功，因此可用2个独立参数对系统状态加以描述。即，只要已知两个独立参数，系统的其它状态参数可通过它们确定。如，已知p和v，则可得对于基本状态参数p,v,T，任选一对作自变量，则第三个参数可通过某种函数关系确定。写成隐函数形式，有1-3-3．状态参数坐标图:常见的状态参数坐标图有图、图图和图12这种反映了热力系统基本状态参数之间关系的表达式，称为状态方程式1-4工质的状态变化过程热力过程：工质从某一个状态连续变化到另一状态的全部经历，称为热力过程。根据平衡破坏的速度和平衡重建速度的不同，热力过程可分为准静态过程和非准静态过程。

非静态过程：平衡破坏快于平衡的重建。准静态过程：平衡的重建要比平衡的破坏快得多。1-4-1准静过程当平衡重建的速度远大于平衡破坏的速度，则热力系所经历的一系列中间状态都无限接近于平衡状态，则此热力过程为准静过程。过程特点(1)过程由一系列无限接近平衡的状态组成(2)过程进行中，不存在内部不平衡损失准静过程的实质，是系统与外界的不平衡势差为无限小时所进行的极限过程。因此，实现准静过程的条件是：

1、热力系内外的压差为无限小△或式中为热力系内部的压力；为外界环境的压力。

2、气体工质和外界的温差为无限小，即△或式中为热力系内部的压力；为外界环境的压力。在状态参数坐标图上，准静过程有这么几个特性

（1）有定点坐标，状态参数值唯一确定；（2）过程可在热力状态坐标图上用连续实线表示；（3）过程方向可用箭头表示1BA2pv1-4-2可逆过程定义：系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。这种热力过程称为可逆过程。反之，不满足上述条件的过程称为不可逆过程。可逆过程不仅在工质内部是可逆的，而且与外部环境的作用过程也必须是可逆的。实现可逆过程的条件：

(1)工质与外界保持力的平衡(没有任何耗散效应)；

(2)传热时工质与外界保持热的平衡(没有温差。热力过程中不存在势差，为准静过程)。

准静过程和可逆过程的区别与联系：（1）准静过程只着眼于工质内部的平衡，至于有无摩擦对于工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量的损耗；可逆过程则是分析工质与外界的作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量的不可逆损耗。（2）准静过程不一定是可逆过程，可逆过程一定是准静过程；可逆过程是一个运动无摩擦、传热无温差的内部平衡过程，是一种理想过程。现实中的一切自发发生的过程和绝大多数热力过程均为不可逆过程。1－5

过程功和热量1-5-1．功定义：物系间相互作用而传递的能量；在力学中，功的定义为力和力沿作用方向的位移的乘积。可见，功是一个与作用途径有关的量，是过程量。功的单位为焦耳，用符号J表示。1J＝1N.m功属于广延性参数，与系统中的质量有关。

活塞运动中，力

F完成的总功量为可逆过程的功上式中，Adx为活塞移动dx时所扫过的容积，记为dV于是，在热力过程12中，工质所做的功为写为工质在膨胀过程中质量不变，由于dV=mdv，则每公斤工质所作的功就是21pv这里，W为工质对活塞所作的总功；为单位质量工质的膨胀功，即比功，也称为容积功；

在p-v图上，曲线12下方的面积12341表示了容积功。因此，压容图(p-v)也称为示功图。压容图(p-v)上的一个点代表一个状态;一条曲线代表一个过程;与V轴围成的一块面积代表了一个过程的膨胀功。当气体膨胀时，表示气体对外作功；当气体被压缩时，表示外界对气体作功。注意：仅是系统对外做功（w>0）的必要条件，但不是充要条件。系统要实现对外做功，还必须同时有传递功的机构。1-5-2热量定义：系统与外界依靠温差传递的能量称为热量。热量即是在传热过程中，物体内部热能改变的度量。热量是与过程有关的量，不是状态参数。国际单位制中，热量的单位为焦耳(J)或千焦(kJ)；工程单位制中经常用卡(cal)或千卡(kcal)。1cal=4.1868J；

1kcal=4.1868kJ

单位质量物体加入或放出的热量称为比热量，用符号表示，单位为(J/kg)和(kJ/kg)或(cal/kg)和(kcal/kg)。

热力学中规定：热力系从外界吸热时热量为正值，+Q

对外界放热时为负值。-Q热量的计算（1）利用比热容计算。

c为比热，其定义为：使单位物量的物体温度变化1度所需的热量。（2）根据热力学定义计算。和对于可逆过程，在T-S图上，q=面积1234121ST34因此，T-S图又称为示热图。显然若系统吸热，若系统放热，热量与功量的区别与联系（1）两者都是能量传递的度量，都是过程量；（2）功是有规则的宏观运动能量的传递，做功过程往往伴随着能量形态的转化；但传热过程中则不伴随着能量形态的转化。1-6热力循环定义：工质从某一状态经过一连串的状态变化过程，又回复到原来状态。即为封闭的热力过程。热力循环可在p-v图上用一封闭的曲线表示。工质在经历了一个循环后状态的变化量为零。1234pv

循环分类：根据过程是否可逆，可分为可逆循环和不可逆循环；可逆循环：热力循环全部由可逆过程组成；不可逆循环：热力循环全部或部分由不可逆过程组成。

根据过程进行的方向，又可分为正循环和逆循环。(1)正循环。循环方向为顺时针，又称为热机循环。(2)逆循环。循环方向逆时针，又称为制冷机（或热泵）循环；

高温热源

低温热源

低温热源

高温热源Q1Q2Q1Q2WW制冷机热机

热力循环中所关心的是循环作功量或耗功量经济性指标用工作系数表示：1、热机循环经济性指标用热效率表示：工作系数=得到的收益花费的代价式中，是循环对外界作出的功量，是从高温热源吸收的热量。2．制冷循环的经济性用制冷系数来衡量，

式中，是该循环从低温热源(冷库)取出的热量，为所耗费的功。

3．热泵循环的经济性用供热系数来衡量，

式中，为热泵循环给高温热源(供暖的房间)

提供的热量，为所耗的功量。例题1-2:

状态的气体，在气缸中被压缩，压缩过程可逆并满足的关系，气体最后被压缩到V2=0.002m3。求压缩过程耗功。习题(P28)：1-9,1-13,1-15,1-16分析：压缩功W可表示为由得即于是热力学第一定律

描述热力系能量收支平衡关系的定律能量收入－能量支出＝系统储存能量的变化描述为(2-1)回顾能量守恒定律：一切物质具有能量，能量有各种不同的形式，它既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个系统转移到另外一个系统。在能量转化和转移过程中，其总量保持不变。热力学第一定律是能量守恒定律在热工上的应用，是描述热能与机械能相互转换之守恒关系的定律。热力学第一定律可表述为：“第一类永动机是不可能造成的。”2-1状态参数内能定义：以一定方式储存于热力系内部的各种微观能量。包括大量分子热运动的内动能和分子间相互作用形成的分子位能。用符号“U”表示；单位是“J”(1)内动能：工质内部粒子的热运动所具有的动能称为内动能，它包括分子的移动动能、转动动能和分子内部原子的振动动能，用符号“UKE”表示。内动能只是温度T的函数，(2)内位能：分子间由于相互作用力的存在而具有的能量，称为内位能。用符号“UPE”表示，内位能与工质的比容有关；热力系的内能是其工质分子动能和位能的总和，

（2-2）上式表明：系统（气体工质）的内能是其温度和比容的函数；内能是尺度量，具有可加性。单位质量工质的内能称为比内能（简称内能），用符号“u”表示，单位是J/kg。2-1-2热力系统总能包括内部储存能（内能）和外部储存能（宏观动能和势能），用符号“E”表示。E可记为单位质量的总能称为比总能，用符号“e”表示。(2-3)(2-4)2-2能量的传递和转化系统与外界交换的能量形式包括有热量、功量和伴随物质流传递的能量等。热能转化为机械能的过程包括（1）能量转换的热力学过程和（2）单纯的机械能过程。2-2-1功量热力系与外界发生功的作用有多种形式，包括容积功、轴功、推挤功、流动功等。容积功。通过工质的容积变化而传递的机械能，包括膨胀功和压缩功。注意：膨胀过程中，dv>0，w>0，系统对外作功；但dv>0仅是w>0的必要条件，而非充要条件。(b)轴功。通过轴与外界交换的机械能。一般用符号“Wsh”表示。注意：刚性闭口系统无法向外输出轴功，仅可有轴功的输入（通过能量转换或机械能的直接传递）。(c)推挤功。推动流体通过控制体界面而传递的机械功（为把工质移入具有一定压力的热力系所需克服和消耗的能量）。（例：考察垂直气缸中活塞移动z距离的做功）

的工质，在压力的作用下，移动了距离，则外界对工质的推动功为11式中的代表管道的截面积(d)流动功。流动过程中，系统与外界由于物质的进出而传递的机械功，为推挤功之差，用Wf表示。或2-2-2焓定义：或可见，焓是一个表示能量的状态参数。对于开口系统，焓表示了随物质一起转移的能量。(2-5)2-3热力学定律的基本能量方程式2-3-1循环过程热力学第一定律的表达式焦耳定律：如果热力系经过一循环过程后回到原态。那么，在整个循环中，系统从外界吸收（或放出）的热量等于其对外完成（或获得）的功量。SI值中，可表述为一般可写为闭口系统循环过程热力学第一定律的表达式。(2-6)2-3-2闭口系统的热力学第一定律取气缸活塞系统中的工质为研究对象设进入系统的能量为Q，离开系统的能量为W，而系统存储能变化为

U＝U2-U1。则有改写为(2-7)对于单位工质，有对于微元过程，有或式(2-6)

(2-9)为闭口系统热力学第一定律表达式。对于准静过程，由于因此有式(2-10)

(2-12)适用于准静热力过程。(2-8)(2-9-a)(2-9-b)(2-10)(2-11)(2-12)>0，表示热源对系统加热，系统吸热

<0，表示系统向热源放热；系统放热

>0，表示系统内能增加，

<0，表示系统内能减少；

>0，表示系统对外作功，

<0，表示功源对系统用功。注意，在应用上述公式时由于得于是记为或例题2-1：试由闭口系统热力学第一定律导出闭系循环过程能量守恒定律。(2-13-a)(2-13-b)2-4开口系统能量方程式开口系统内既有质量变化，又有能量变化，控制体内应同时满足质量守恒与能量守恒关系。考察以下开口系统1122从1-1’界面进入控制体流体的质量为；从2-2’界面进入控制体流体的质量为；系统从外界吸热，对外输出轴功。则系统的能量收支情况为（1）获得能量（2）失去能量（3）在＋d时间内，系统储存能改变量由能量守恒关系于是有整理后，得式（2-14）为热力学第一定律的普遍关系式，虽然由开口系统导出，但同样适用于闭口系统，而且也同时适用于稳定和不稳定流动，可逆与不可逆过程。(2-14)对于闭口系统，由于，则（2-14）可改写为,即为(2-9)2-5-2稳定流动能量方程稳定流动的概念：（1）同一时间内进出系统的质量相等；即（2）同一时间内进出系统的能量相等，即（3）系统内任何位置的工质热力状态和流动情况不随时间变化。根据上述定义，改写能量方程（2-14）式为或(2-15)(2-15-b)(2-15-c)(2-15-a)式(2-15)

(2-15-c)为开口系统稳态稳流能量方程2-5-3稳定流动能量方程式分析

如令技术功或于是，开口系统稳态流动能量式可改写为(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)对于准静过程，由于则有(2-19)技术功的物理意义：p-v图上过程线与P轴围成的面积。对于简单可压缩热力系而言技术功＝容积功－流动功pv1234由得(2-20)结合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）称为热力学第一定律的第二解析式，适合于开口系统的任意过程，及任意工质。外界对系统（工质）做功，气体受压缩气体膨胀，系统对外界做功，注意：例2-2：已知：求：Q解气缸内气体质量不变=－12,000J=105×(0.9－1.4)=－50,000J=－12,000＋(－50,000)=－62,000J例2-3：已知：Q1A2=100kJ；W1A2=60kJ；

W2B1=-40kJ；求：分析：气体由1→A→2，内能变量为由2→B→1，内能变量为得12ABpv于是即kJ

负号表示气体在返回过程中放出热量，其量为80kJ。工质完成一个循环后，有。

例2-4：兹有热力循环12341，其中的热力过程发生的能量交换情况见下图所示，请填空并分析循环特性。过程Q（KJ）W（KJ）

U（KJ）1

2139002

30-3953

4-100004

10根据题意，根据热力学第一定律，有由于得则而为正循环。2-5-2稳定流动能量方程稳定流动的概念：（1）同一时间内进出系统的质量相等；即（2）同一时间内进出系统的能量相等，即（3）系统内任何位置的工质热力状态和流动情况不随时间变化。根据上述定义，可改写开口系统能量方程的一般表达式为或(2-15)(2-15-a)(2-15-b)(2-15-c)式(2-15)

(2-15-c)为开口系统稳态稳流能量方程2-5-3稳定流动能量方程式分析

如令技术功或于是，开口系统稳态流动能量式可改写为(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)对于准静过程，由于则有(2-19)技术功的物理意义：p-v图上过程线与P轴围成的面积。对于简单可压缩热力系而言技术功＝容积功－流动功pv1234由得(2-20)结合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）称为热力学第一定律的第二解析式，适合于开口系统的任意过程，及任意工质。外界对系统（工质）做功，气体受压缩气体膨胀，系统对外界做功，注意：2-6稳定流动能量方程式的应用2-6-1热力发动机

包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机等。过程特点：；；则由开口系统能量方程式即：热力发动机利用工质在及其中的膨胀来获得机械功，其对外输出的净功等于进出口的焓降h1h2wt2-6-2冲击式轮机叶轮特征：汽流冲击气轮机叶轮上的动叶栅，推动轮子转动，带动机械轴做功；过程特点：；；则由开口系统能量方程式即：气流的宏观动能差转化为对外轴功，单纯的机械功转换。wth1h22-6-3泵与压气机

消耗外功使工质升压的设备。通常的压气机有活塞式、回转式、轴流式、离心式等类型。

即：工质在压气机中被压缩时，外界对它作的功全部转变为工质焓的增加量。

过程特点：；；则由开口系统能量方程式，可得2-6-4．换热器包括冷凝器、蒸发器、回热器和再热器等。热力过程特点：；；于是，由开口系统能量方程式可得即：工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。h1h2q1h1h2c1c22-6-5喷管

喷管是使流体加速的设备，是一个用来获得高速气流的管道。热力过程特点：；；于是，由开口系统能量方程式，得即：工质的焓降用于增加其自身动能。若工质的流动过程是准静态，则还有2-6-6节流装置

工质在管内流过一收缩截面时，产生阻力，压力降低，这种现象称为节流。节流是一个改变工质流量及流动状态的热力过程。节流过程特点：；；；因此，由开口系统能量方程式，可得即上式表明，节流前后工质的焓值保持不变例1：活塞m=10kg，面积A＝10cm2，活塞上部与大气相通，气缸内气体初始容积V1=40cm3，P1=1MPa，气缸总容积V=80cm3。问：若气体受热膨胀，活塞在气缸中无摩擦上升，则活塞离开气缸时的速度为多少？假设气体上升过程中温度保持不变。分析：气体在膨胀过程中，通过气缸对外界做功量为此功用于（1）克服大气压力做功；（2）增加活塞动能；（3）增加活塞势能。即而开始时活塞被固定，初始速度为0则例2：新汽进入汽轮机，已知进口参数：=3232kJ/kg=50m/s=2302kJ/kg=120m/s每小时蒸汽流量m=104kg/h求:(1)每千克蒸汽对外界所做的功Wsh；（2）若忽略进出口动能差，估计wsh产生的误差；（3）求功率N解：根据开口系统能量方程根据题意，，乏汽出口参数：=930－5.95=924.05kJ/kg工质每小时作功

kJ/h(2)进出口动能差若忽略进出口动能差，计算误差为（3）汽轮机的功率为例3：压气机压缩空气，压缩前，空气参数为和；压缩后空气为和。压缩过程中，每千克空气的内能增加了146.5KJ；同时对外放热50KJ。若压气机每分钟产气10kg，求:(1)压缩过程中，每千克空气所做的功？(2)每生产1kg压缩空气所需的轴功？（3）带动此压气机所需的功率分析：（1）应用闭口系统热力学第一定律，有负号表示外界对气体做功（2）流动功于是，（3）功率例4：

气流以通过的管道进入发动机，进口处参数；；。出口处。若忽略流体动能及位能的变化，求发动机输出的功率（设过程绝热）。分析：过程绝热热力发动机：功率：其中：其中：由于：得：最后得：思考题：P26(1-11),P45(1-7)作业：2－10，2－11，2－13理想气体性质3-1理想气体的概念理想气体1、弹性的、不占体积的质点（与空间相比）；2、分子间没有吸引力（分子间距离足够大）。实际气体不能作理想气体对待的气体。3-2．理想气体的状态方程根据分子运动论的观点，气体的压力和温度可根据统计热力学知识表示为N：单位质量气体所包含分子数K：波兹曼常数；n:单位体积内气体分子数，分子浓度；由状态公理可知，描述工质平衡状态的独立参数只有两个。气体的基本状态参数p、v、T之间存在有以下隐函数关系和即，有（3-1）由(3-1)，可得（3-2）其中Rg称为气体常数。由上式可见，Rg与气体种类有关，与气体状态无关。改写(3-2)为（3-3）式(3-3)称为克拉贝龙方程，又称为理想气体的状态方程。理想气体的另一定义：凡能满足式（3-3）的气体便可称为理想气体。(a)波义耳——马略特定律：；(b)查理定律：；(c)盖*吕萨克定律：显然，对于理想气体，同样满足以下定律3-2-3通用气体常数

阿伏伽德罗定律：在相同的压力和温度下，各种气体的摩尔容积相等。标准状态：=1atm=101325Pa；

=273.15K；

=22.414(m/kmol)于是，有对于1mol的任何气体，由（3-3)式可得令通用气体常数由式(3-2)，得即有（3-4）式(3-4)为理想气体状态方程的另一表达式注意：(1)对于闭口系统，p、v、T变化时，m不变；(2)对于开口系统，p、v、T、m可同时变化，且m的变化具有可加性；例3-1：已知：启动柴油机时用空气瓶，开始时，瓶内装有的压缩空气；启动耗气后，瓶中空气的参数变为问：用去的空气质量是多少？解：分别对启动前后气瓶中的空气应用理想气体状态方程，有=0.3m3和由于因此，有即代入已知数据，得因此，用去的空气质量为例3-2：已知：充气过程，储气罐容积；充气前，气体参数有为；气筒每分钟向气罐输入参数为的气体V0=0.2m3；问：为使气罐内气体参数达到；充气时间应为多长?分析：充气过程遵守质量守恒原则充气后质量＝充气前质量＋充入的气体质量充气前m1：充气后m2：每分钟充入的空气质量

m：由质量守恒关系，得于是得代入已知数据，最后有3-3理想气体的比热容热容：物体温度改变一度而传入或传出的热量，用符号C表示；3-3-1比热容（3-5）物体的热容与物体自身的热力性质、状态有关，同时还与物体所进行的热力过程有关。不同热交换过程的热容C不同。比热容——单位质量的热容，KJ/kg.K比热容的标识方法（1）质量比热。单位质量物体温度升高1度所需的热量；（2）容积比热。标态下，1m3气体温度升高1度所需的热量，用C’表示；单位（3）摩尔比热。标态下，1mol气体温度升高1度所需的热量，用CM表示；单位（3-6）3-3-2定压比热和定容比热依照换热过程不同（），热容可分为定容热容和定压热容。（1）比定容热容（定容热容）：工质与外界交换热量是在容积接近不变的条件下进行；用符号Cv表示；（3-7）比定容热容：（2）定压热容：工质与外界交换热量是在压力接近不变的条件下进行；用符号Cp表示；（3-7-a）比定压热容（3-8）（3-8-a）对于理想气体的可逆过程，由于定容时，dv=0；于是有定压时，dp=0；于是有或记为（3-9-a）（3-9-b）注意：（1）上式虽由理想气体导出，但适用于一切工质。（2）上式表明，Cp与CV也是状态参数。对于理想气体而言，内能u与焓h仅是温度的函数，即因此，有（3-10-a）（3-10-b）即：理想气体的Cp和Cv也仅仅是温度的函数对于理想气体，由于或者对上式微分，可得即有（3-11）式(3-11)称为迈耶公式。由于Rg为常数且大于零，因此，对于任何已确定状态的物体，均有cp>cv式（3-11）两边同乘以M，则可得（3-11-a）上式表明，摩尔定压比热与摩尔定容比热之差为气体常数。令比热容比绝热指数由（3-12）结合式(3-11)，则可得（3-13-a）（3-13-b）3-3-3比热容的计算比热容的数据一般通过实验测定。对于理想气体的比热容，存在有三个不同概念——定值比热、真实比热和平均比热。(1)定值比热。根据分子运动论的观点，理想气体的比热值仅取决于气体分子结构，与气体所处状态无关。理论分析可得其中，对于单原子分子，i=3；对于双原子分子，i=5；对于多原子分子，i=7代入有关数据，可得

单原子气体双原子气体

多原子气体上述结果对于单原子分子气体符合较好，对于双原子和多原子分子气体存在有较大偏差，其主要原因是它们的真实比热随温度而变化。一般实验测量时，仅取前4项，即(2)真实比热。由可知，理想气体的比热是温度的复杂函数。工程上一般把比热随温度的变化关系表示成多项式形式。（3-14）其中，a0，a1，a2，a3为待定系数，随气体性质而异。近年来，随着计算机技术的进步，用真实比热计算热量或其它热力学过程参数得到了较为广泛的应用。(3)平均比热。定义：在一定的温度变化范围内，单位量物质所吸收或放出的热量与该热力过程温度差之比值。即而于是（3-15）（3-16）（3-17）ACBcOEt=面积ABCDAD面积ABCDA=面积OECDO－面积OEBAO工程上一般将气体的真实比热容简化拟合为温度的直线关系，记为于是，有改写为于是得（3-18）式（3-18）称为平均比热容的直线关系式。附表（7）计算了（），使用时请注意用

例如，在0℃到1000℃的范围内，空气的定压比热和定容比热kJ/(kg·K)kJ/(kg·K)例题：P58(3-4)作业：3-4；3-7；3-9例3-2：已知：空气体积流量，在空气预热器中自t1=25℃，被加热到t2=250℃。求：Q

解：空气流量为：kg/h(1)利用平均比热容直线关系式计算℃kJ/(kg·K)kJ/kg空气预热器所须加给空气气流的热量是

kJ/h(2)利用平均比热容表计算。附录气体比热表，查得

kJ/(kg·K)；

kJ/(kg·K)kJ/kgkJ/h

7×4.187kJ/(kmol·K)kJ/h(3)

利用摩尔定值比热计算3-4理想气体的内能、焓、熵3-4-1理想气体的内能与焓对于理想气体，有因此p-v图上的等温线即是等焓线和等内能线。pv12’2’’21-2为任意过程；1-2’为定容过程；1-2’’为定压过程；由于或对于定容过程，有对于定压过程，有一般情况下，和的计算较复杂，习惯上可取0℃为参考温度，把计算转化为计算和。则（3-19）（3-20）对于理想气体，通常取0℃时的焓值为0。一般情况下，当Cp,Cv随温度变化不大时，

u和h可根据下式，用定值比热来计算若Cp,Cv随温度变化较大时，

u和h可采用真实比热来计算，即对于理想气体的可逆过程，其热量交换还可依下式计算或者(3-21)(3-22)3-4-2状态参数熵定义其中：

qrev为1kg工质在微元可逆过程中与热源交换的热量；qf为考虑过程不可逆时的耗散损失，如摩擦热等；T为发生热交换时系统或工质的温度，ds为比熵对于可逆过程，由于

qf＝0，于是有熵是描述热力系统混乱度的参数，与系统状态有关，是尺度量。(3-23)由热力学第一定律的第一解析式和第二解析式可得和对于理想气体，由于于是可得(3-24)(3-25)当按定值比热计算时，积分上述两式后可得另外，由于(3-26)(3-27)于是，可得(3-28)积分后，有(3-28-a)式（3-26）（3-28-a）为计算理想气体熵变的一般关系式理想气体的熵还可以采用以下方法计算：选择基准状态p0=1atm,T0=0K，规定基准状态的熵为0即则，任意状态(T,P)时的熵s值为状态（T,p0）时的熵s0值为于是，由（3-25）式可得例(3-3):CO2按定压过程流经冷却器，温度由600K冷却到366K.试计算1kgCO2的内能、焓及熵的变化量。要求使用（1）平均比热容表；（2）气体热力性质表；（3）真实热容经验式；和（4）比热容算术平均式计算。分析：已知T1=600K，T2=366K即：t1=326.85℃，t2=92.85℃；查附表2得M=44.01g/mol(1)使用平均比热容表计算由附表5，根据内插法计算得到而平均比热容为这里，CO2的气体常数Rg为因此，两个温度下的平均比热容为于是，比内能变化量为于是，t1和t2之间的平均定压比热容为比焓变化量为比熵变化量为代入有关数据，得3-5理想气体混合物工质一般是由几种气体组成的混合物，混合气体的性质取决于混合气体中各组成气体之间的成份及其热力性质3-5-1混合气体的成份表示法混合气体的成份是指各组成的含量占总量的百分数。常用的表示法有三：质量分数；摩尔分数；体积分数(a)质量分数.(3-29)显然，有(3-29-a)(b)摩尔分数。同样的，有(3-30)(3-30-a)(c)体积分数(3-31)以

i表示混合气体的成份被较普遍采用。注意，这里所指的体积一般是折合到标准状态下的容积。根据阿弗伽德罗定律，显然有(3-32)另外，由（3-29）得(3-33)上式中，M为混合气体分子量，Mi为某组成气体的摩尔质量（即分子量）由于于是，混合气体的折合气体常数Rg可表示为(3-33-a)可得(3-34)另外，由理想气体状态方程，有同温同压下，有于是，得(3-33-b)3-5-2混合气体的分压力和道尔顿分压定律道尔顿分压定律其中，pi为各组成气体分压力，p为气体总压。3-5-3混合气体的分体积定律其中，Vi为各组成气体分容积，V为气体总容积。显然，有3-5-4混合气体的折合分子量与气体常数若用M表示折合分子量，则计算混合气体的折合分子量可按以下两种情况处理(a)已知气体组成及

i（或xi），则(b)已知气体组成及wi,由于于是，得(a)已知折合分子量M。计算混合气体的折合气体常数可按以下几种情况处理(b)已知wi和Ri,g。(c)已知

i和Ri,g。则有1、比热容3-5-5理想混合气体的比热容、比内能、焓、熵定义：混合气体的比热容是1kg混合气体温度升高1K所需的热量。因此有其中，wi为组分i的质量份额，ci为组分i的质量比热容根据定义，同理可得混合气体的摩尔热容和体积热容2、内能和焓内能和焓是广延性参数，具有可加性。因此，理想混合气体的内能等于各组成气体的内能之和，即而理想混合气体的比内能为同理，理想混合气体的焓为各组成气体焓的总和，即比焓为3、熵

理想混合气体的熵等于各组成气体熵的总和，即

理想混合气体中各气体组分处于互不干扰的状态，各组成气体的熵等于在相同温度下、各组分独处在总体积V中的熵值，即

而理想混合气体的比熵为

这里，wi和si为组成气体的质量份额及其比熵。当混合气体成份不变时，对于某i组分气体，有因此混合气体的比熵可根据下式计算由于例3-5:(P72-example3-6)例3-6:(P74-example3-7)作业：P78-(3-9)；(3-10)；（3-13）；（3-14）；(3-16)；(3-18)理想气体的热力过程和气体压缩实施热力过程的目的：

1、实现预期的能量转换；2、达到预期的状态变化。研究热力过程的任务在于揭示状态变化规律与能量传递之间的关系，从而计算热力过程中工质状态参数的变化及传递的热量和功量。研究热力过程的方法及步骤：（ⅰ）把某些实际过程简化为可逆过程，突出过程的参数变化特征，如点火—定容过程；内燃机内气体的压缩和膨胀—绝热过程。（ⅱ）系统平衡的性质及过程中系统与外界热传递和功传递的特定条件，建立过程方程式，（ⅲ）依据状态方程和过程方程式，确定初、终态的基本状态参数；（对于实际气体，常采用图表计算）（ⅳ）对理想气体采用分析计算，把热力过程表示在P—v图及T—S图上（ⅴ）计算过程的热量和功量、及熵改变量（△u、△h、△s）理想气体的热力过程包括：（a）基本热力过程：定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程（b）一般热力过程：多变过程非定值比热容定值比热容4.1定容过程特点：热力系统发生状态变化时，保持系统容积不变，对理想气体而言，一般为闭口系统边界固定不变的热力过程。过程方程式：初，终态状态参数关系：定容过程中气体压力与温度成正比。其他参数计算：由于，则容积功其中为定值比热容技术功热量即加入气体的热量全部用于增加气体的内能，在P—V图和T—S图上可把定容过程表示为：

4.2定压过程特点：热力系统在发生状态变化时，压力保持不变。定压过程在工程上很常见——蒸发器，冷凝器，锅炉中各式热交换器的换热过程过程方程式：或状态方程及初、终态状态参数关系：

定压过程中，温度升高，则气体膨胀，比容增大。其他参数计算：若取为定值比热容，则过程中能量转换：结合状态方程得：从另一个角度说明气体常数的物理意义：1Kg质量的气体在定压过程中温度升高1K所做的功。定压过程中加入的热量用于增加系统的焓。定压过程在P—V图和T—S图上表示为：

在T—S图上，定容线比定压线陡，这是因为：由于故例：P85-(4-1)4.3定温过程过程特征：热力系统中工质温度保持不变的状态变化过程。过程方程式：状态方程及初、终态状态参数关系：

即定温过程中，压力与比容成反比过程中其他参数变化：

对于理想气体：故定温过程中，又有过程中能量交换：

即有，说明膨胀功与技术功在数值上相等。在P—V图和T—S图上定温过程可表示为：4.4绝热过程特征：热力系统发生状态变化时，与外界环境没有发生热交换现象，过程方程式：由热力学第一定律，有，①又②再有③

联解①②③可得：积分后写成：

状态方程及初、终态状态参数关系：其他状态参数变化：过程中能量转换：绝热过程在P—V图和T—S图上可表示为：

在P—V图上绝热线比定温线陡：例4-1：质量m=4kg的空气，初态分别经过①，②到达终态。求这两个过程的能量交换和熵改变量。分析：①定温过程②绝热过程对于空气，K取K=1.4，4.5多变过程4-5-1多变过程的定义

基本热力过程的特征可归结为（4-20）其中，四个基本热力过程是多变过程的特例，对于多变过程，。实际过程中，n值是变化的，但若n值变化不大，则仍可用一定的多变过程近似表示；若n值变化较大，则可把实际过程分作n段，各段n值不同，但每段n值保持不变。当n值不变时

，由式（4-20），有n为多变指数，即（4-21）4-5-2多变比热对于理想气体的多变过程，热力学第一定律为，即这里，对照绝热过程，即有由（4-22）

式中，（4-23）称为多变比热4-5-3多变过程的状态参数及过程分析过程方程式为，结合状态方程可得：（4-24）（4-25）（4-26）

对于理想气体，过程内能、焓、熵的变化量为：

过程中的能量转换为：

过程热交换在P—V图和T—S图上多变过程可表示为：例4-3，已知空气初态，多变压缩到求多变指数n、W、T2、△S；设空气比热分析：①多变指数②功③由于④气体则

例4-5压气机压缩Air，初态

可逆多变压缩至然后排出，求：多变指数、压缩终温、压缩过程与外界交换的热量和功量分析：①气缸中空气质量②

③多变过程，④多变过程热交换量⑤气体与外界交换的容积功⑥压气机消耗轴功

Ex：4-3、4-6、4-10、4-11理想气体热力过程的微分形式由热力学第一定律，有对于准静过程，有而由则得对于理想气体，由于于是于是有即有对于理想气体，由于则有对于可逆过程，有上式用此式除，可得整理上式后可得这里，q*为热功比，即热力过程中热量传递与功量传递的比值，反应了热力过程的约束条件上式中，若(1)q*=1，则有即此为等温过程，此式表明，等温过程中热量传递与功量传递速率相等(2)若则有此即为等压过程。(3)若，则有此即为等容过程。由于q*表示热量传递与功量传递的比，这意味着，等容热力过程中功量传递无限小(4)若，则有，此即为绝热过程。上式转化为K为绝热指数，一般为常数。积分上式可得若K不是常数，由于和若设则有代入过程方程式后，可得(4)若令，则有，此即为一般得多变过程。积分上式后可得这里，n为多变指数，相当于q*为任一定值时的情况。习题课（1）P100例4－2（2）P105例4－5（3）

P105例4－6热力学第二定律问题的提出：有一部热机，其工质从外界或得热量q，能否在热机中全部转变为功w？热力学第一定律的回答：只要工质能回复到原状，则热量可以全部转换为功。热力学第二定律的回答：即使工质能回复到原状，也不可能使热量全部转换为功。热力学第二定律的研究目的和任务：研究热力过程进行的方向性和进行的深度，从理论上为提高热机效率指明了方向。5-1热力学第二定律5-1-1自然过程的方向性(1)功热转化(2)有限温差传热（温差）(3)自由膨胀（压力势）(4)混合过程（浓度势）自然界一切自发进行（发生）的物理现象均有方向性，系统总是由不平衡状态朝着平衡状态进行。一个非自发过程的实现，一定是以另一个自发过程的进行作为补充。

5-1-2热力学第二定律的两种描述①克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其它的影响。即高温

低温（自发过程）低温

高温（有补偿的非自发过程）②开尔文说法：从单一热源取热使之完全变为有用功而不引起其他变化是不可能的。功→热（为自发过程）热→功（为有补偿的非自发过程）功可以完全转化为机械能，但热不行。因此讲，功是高品质能；热是低品位能；当能量储存方式由功转化为热时，出现了能量贬值。QQ5-1-3热力学第二定律两种描述的一致性

即若克劳修斯讲法成立开尔文讲法成立采用反证法证明，即先设克劳修斯说法成立而开尔文说法不成立，即可从单一热源取热使之完全变为有用功（Ⅰ）。亦可设开尔文说法成立而克劳修斯说法不成立，即热源可自发地从低温热源传至高温热源（Ⅱ）。（Ⅰ）（Ⅱ）5-2卡诺循环及其热效率5-2-1复习循环：

正循环热机循环热转化为功逆循环制冷循环功转化为热在P—V图上逆时针热机效率①制冷系数②供热系数5-2-2卡诺循环

开尔文说法：从单一热源取热使之完全变为有用功是不可能的，那么从单一热源取热，究竟有多少可能变为有用功？最高热机效率是多少?法国人卡诺回答了这个问题卡诺循环：由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成

a→b：定温膨胀b→c：绝热膨胀c→d：定温压缩d→a：绝热压缩循环热效率对于可逆定温过程a

b和c

d，有对于可逆绝热过程b

c和d

a，有因此有整理后可得卡诺循环效率为

a→b为等温膨胀过程，过程吸热量

c→d为等温压缩过程，过程放热量于是卡诺循环热效率

或者T1—工质等温膨胀吸热温度（热源）T2—工质等温压缩放热温度（冷源）由于b→c和d→a为可逆绝热过程，故于是显然：①卡诺循环热效率只与热源温度T1和冷源温度T2有关，提高高温热源温度或降低低温热源温度均可提高其循环效率②。只有当而这是不可能的，说明在热机中不可能把从热源得到的热量全部转变为机械能。③当T1=T2时，。说明从单一热源取热做功是不可能的，故利用热能来产生动力，一定要有温差。5-2-3逆卡诺循环

逆卡诺循环过程包括：①低温热源放热q2②高温热源获得热量q1

③消耗机械功W0，并且全部转化为热④工质恢复到原始状态逆卡诺循环亦由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。逆卡诺循环

膨胀过程d

c从冷源吸热：压缩过程b

a向热源放热量：整个逆卡诺循环耗功量逆卡诺循环用于制冷，则制冷系数

若逆卡诺循环用于供热，则供热系数

显然，的大小仅取决于热源温度T1

和冷源温度T2。

5-2-4可逆回热卡诺循环构成：两个可逆定温过程和两个可逆任意过程组成。

特点：两个可逆任意过程中放出的热量和吸收的热量的相等。T-S坐标上保持横向距离处处相等。显然，可逆回热卡诺循环的热效率等于相同温度间的可逆卡诺循环的热效率回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身的方法，称为回热。回热是提高热效率的一种行之有效的方法，被广泛采用。

5-2-5多热源的可逆循环

a-b-c吸热

c-d-a放热热机效率

而同温度范围Tb-Td间的可逆卡诺热机效率为

于是有5-3卡诺定理5-3-1卡诺定理的描述：包括两方面的内容：①卡诺循环的热效率只与高低温热源的温度有关，而和工质的性质无关。②在两个同样的温度不等的热源间工作的一切热机，可逆热机效率最高，即可逆热机热效率彼此相等。不可逆热机效率小于可逆热机（一切热机效率不可能大于可逆热机）5-3-2卡诺定理的证明

采用反证法。设任意热机效率

E大于可逆热机的热效率

R。则当两个热机从高温热源取同样的热量Q1时，有WE>WR；让任意热机和可逆热机联合循环，其中，任意热机进行正循环（E—正循环），可逆热机进行逆循环R—逆循环

热源T1：向E放出Q1

，从R得到Q1

，净热交换联合热机E+R：E对外做功W