工程热力学(1)课件

2024/4/17工程热力学(1)第一节基本概念一、工质的概念及应用工质：在热能动力装置中，热能与机械能相互转换时的媒介物。如燃气、水或水蒸气、制冷剂等。对工质的要求：良好的膨胀性和良好的流动性。二、热力学系统1、热力学基本概念1）系统：热力设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。2）外界：系统之外与系统有关的其他热力设备。如下图的膨胀阀、管道等。蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀12343）边界：系统与外界的分界面。边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。QW膨胀中的燃气系统的边界流动中的工质系统的边界2、热力学系统的分类及相互关系1）热力学系统的分类：系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热（1）开口系统：系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统（2）封闭系统：系统与外界无物质交换。

封闭系统具有恒定质量，封闭系统与外界可以有热量和功的交换，也可以没有。QW膨胀中的燃气系统的边界（3）绝热系统：系统与外界没有热量交换。

绝热系统与外界可以有物质与功的交换，也可以没有。冷源QW把冷源包括在内的绝热系统（4）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA系统内部各部分可以有物质、热量与功的交换，但系统作为一个整体与外界没有任何相互作用。三、热力学平衡态1、热力学平衡态概念1）状态及状态参数状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况。

状态参数：描述系统宏观特性的物理量。2）热力学平衡态热力学平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学平衡态。（即同时具备热平衡与力平衡）系统实现热力学平衡态的条件在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。四、热力学状态参数1、状态参数概念及特性1）状态参数概念：描述系统宏观特性的物理量。常用的热力学状态参数：压力（压强）p、温度T、容积V、内能U、焓H和熵S。2）状态参数的特性：

①热力学状态参数的数值由热力学系统的状态唯一确定。②热力学系统状态变化时，若变化的初态和终态是确定的，则系统的各状态参数变化量也是确定的。③系统的状态参数按其特性可分为两类：尺度量（V、U、H、S）和强度量（p、T、v、s、u、h）。2）状态参数的充要条件状态参数是系统状态的单值函数或点函数，状态参数的微元变量是全微分。功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。2、常见的状态参数和基本热力学状态参数强度量尺度量压力、温度体积、热力学能、焓、熵基本参数导出参数压力、温度、体积热力学能、焓、熵1）.压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。即压强压力的单位：1N/m2=1Pa(帕）1MPa=106Pa；1bar=105Pa(2)大气压力:Pb

标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa(3)绝对压力P、表压力Pg、真空度Pv相对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）表压力Pg真空度Pv系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）Pg=P–Pb

Pv=Pb–P当Pg>>Pb时，取Pb=0.1MPa

2）.温度：表征物体冷热程度的物理量。(1)热平衡定律两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系统彼此之间必定处于热平衡。(2)温标：温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标。建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）热力学温标t(C)=T(K)-273.153）容积和比容容积V：单位质量的工质所占有的空间。单位：比容v：单位质量的工质的容积。单位：容积与比容的关系：比容与密度的关系：容积与比容均为热力学状态参数。4）内能和比内能内能U：工质所具有的热能。单位：J。比内能u：单位质量工质的内能。单位：J/㎏。内能和比内能关系：工质的内能由分子无规则的热运动所具有的内动能和分子间相互作用力产生的内势能两部分组成。工质的内能是由状态参数——温度和容积（或比容）所决定的，故内能和比内能也是工质的热力学状态参数。5）焓和比焓比焓h：工质流经开口系统时，其内能u和压力p与比容v的乘积之和。焓H：6）熵和比熵熵S：m千克工质从热源吸收的微元热量dQ除以的工质吸热时热源的绝对T所得的商。单位：J/K。比熵s：单位质量工质的熵。单位：J/K.㎏。熵表示热量转换为功的能力。即在可逆过程中，热源的绝对温度越高，则系统熵增就越小，热量转化为功的能力就越强。判断系统与与外界热传递的方向可根据工质的比熵值来决定。即：ds﹥0,系统从热源吸热；ds﹤0,系统向热源放热；ds=0，系统与热源绝热。2、常见的不可逆因素1）耗散效应：通过摩擦使功转变为热的现象。特点：功可以通过摩擦自发地（无条件地和全部地）转变为热，而热不可能自发的转变为功。2）有限温差下的热传递：热可以自发的从高温物体传到低温物体，而不可能自发的从低温物体传到高温物体。隔板3）自由膨胀：膨胀功：工质在膨胀时，作用在移动边界上的压力。自由膨胀：当移动边界上的压力为零，则膨胀功为零。4）不同工质的混合：隔板3、可逆过程的概念及判别可逆过程：系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢复到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。判别：凡是包含不可逆因素的过程，均为不可逆过程；而不包含任何不可逆因素过程的才是可逆过程。4、可逆过程与准静态过程的关系可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。第二节热力学第一定律一、热力学第一定律的实质及内容1、热力学第一定律的实质能量守恒与能量转换定律在热力学中的应用。第一定律的表达：输入系统的能量—系统输出的能量=系统储存能量的变化量能量的类型：

传递中的能量---功和热量----过程量

储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量

热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是造不成的。”2、热力学第一定律的内容1）封闭系统的热力学第一定律QW热源功源单位质量工质微元过程其中△U=U2-U1第三节热力学第二定律1）开尔文说法“不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功，而不产生其它的变化。”它表明了热能和机械能相互转换时的方向性。即：机械能可以通过摩擦自发地全部转换为热能，而热能不能自发地全部转换为机械能。第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。Q1Q2w

工质在热机循环中要实现将热能转换为机械能，至少要有两个热源，因此热效率不可能达到100%。W=Q1-Q22）克劳修斯说法“不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生其它变化。”它表明了热量传递的方向性。即：热量能自发地从高温物体传向低温物体，也能够在有其它变化（比如功变热）的条件下从低温物体传向高温物体。Q1Q2W3）两种说法的的等价性1.违反克劳修斯说法必然违反开尔文说法Q1Q2wW=Q1-Q2Q22.违反开尔文说法必然违反克劳修斯说法Q1Q2wQW=QQ1=W+Q2=Q+Q2

假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导热功转换完全功不完全热

自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.热力学第二定律的实质无序有序自发第三节水蒸气一、水蒸气的基本概念水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体一般情况下，为实际气体。18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质。直到内燃机发明，才有燃气工质。目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质。优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好。是其它实际气体的代表。1、饱和温度与饱和压力物质三种聚集状态：固态、液态、气态水的三态：冰、水、水蒸气水的汽化速度取决于水的温度，当水温不变时，单位时间从水面飞出的分子数目不变。水蒸气液化的速度取决于汽空间水蒸气的压力。饱和状态：达到一定状态时，汽化与液化这两种方向相反的过程就会达到动态的平衡。饱和温度：饱和状态时汽、液的温度相同，此时的温度称为饱和温度。饱和压力：饱和状态时水蒸气的压力称为饱和压力。对应于某一定的饱和温度，必有一定的饱和压力。2、蒸发与沸腾蒸发：只通过液体表面进行的汽化，蒸发可在任何温度下进行。沸腾：在液体内部和表面同时进行的汽化，沸腾只有在液体的温度达到液体压力所对应的饱和温度时才进行。即只有水温等于水的压力下的饱和温度时，水才可能沸腾。3、水蒸气的状态参数水蒸气等实际气体不能用理想气体状态方程来描述，其内能不仅与温度有关，还与比容有关。故水蒸气的热力参数多采用图表法表示。二、水的定压汽化过程及其特点1、水的定压汽化过程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水预热汽化过热s2、水蒸气的p-v图和T-s图一点，二线，三区，五态一点两线三区五态一点物质的临界点两线饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和液体状态连线（下界限线）三区汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域五态过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。临界点水的临界点状态饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的pmax,Tmax临界点第四节压缩机的热力过程一、活塞式压缩机的工作原理和示功图空气进口排入空气瓶中主要部件：1、活塞2、气缸3、滤清器4、吸、排气阀5、散热肋片pVPb空气瓶压力4123V0单级活塞式压缩机示功图p21V1-V4V04VVs3工作过程1、吸气过程4-12、压缩过程1-23、排气过程2-34、余隙容积内压缩空气的膨胀过程3-4图中2-3和4-1不是状态变化，而是表示气缸内气体质量的变化。二、单级活塞式压缩机所消耗的机械功单级理想压缩机p-V图

p2pp10V2”V21V2’2”62v432’5’55”V1定温多变绝热1、定压吸气过程4-1：气体的压力、温度和比容均未变化。气缸中气体容积的增加是由于进入气缸中的气体质量增加。2、压缩过程1-2：分为定温压缩1-2’、绝热压缩1-2”和多变压缩1-2三种情况。3、定压排气过程2-3（或2’-3、2”-3）：与定压吸气一样，气体的状态不变，气缸中气体容积的减小是气体不断排入空气瓶的结果。

对压缩机而言，示功图p-V图所包围的面积表示压缩机的耗功，从p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。三、压缩机的容积效率及其影响因素有余隙容积压缩机示功图p21V1-V4V04VVs31、有余隙容积存在时，对Wc及供气量的影响有余隙容积时，压缩机耗功式中，V1-V4=m’v1,m’为有余隙容积时时进入气缸的气体质量。可见，有余隙容积存在时，压缩机供气量减少了，从而消耗的功也减少了。有余隙容积压缩机示功图p21V1-V4V04VVs3压缩1kg气体所消耗的功为：无余隙容积时，压缩1kg气体所消耗的功为：有余隙容积和无余隙容积时，压缩相同质量气体所消耗的功是相同的。可见，余隙容积对压缩机耗功没有影响。但余隙容积的存在使压缩机吸气量减少，活塞往复次数增多，仍增加了摩擦功的消耗，故余隙容积不能过大。2、容积效率：p21V1-V4V04VVs3容积效率：有效吸气体积与气缸工作体积之比。有效吸气体积：V1-V4气缸工作体积：Vs=V1-V0

增大时，容积效率降低；提高时，容积效率也降低。容积效率：称为压缩机的余隙比称为压缩机的增压比3）对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和中间冷却。VsV0VpV吸p2pb3421增压比对容积效率的影响2’4’3’P2’3”(2”)P2”3、相同的余隙容积，增压比对容积效率的影响1）V吸，v，当增加到某一数值时，V吸=0，v=0。2）当，p2

，压缩终温t2

，为保证润滑，要求t2<160C，

7,=2-6。1、工作原理及简图双级活塞式压缩机示意图

冷却水四、多级活塞式压缩机p30p2p113’4252’多变过程定温线3’32、双级活塞式理想压缩机p-V图双级压缩省功而且压缩终温较低，有利于润滑。单级压缩：面积012340双级压缩：面积0122’3’40pV双级活塞式压缩机p-V图0-1为低压缸吸气过程；1-2为低压缸多变压缩过程；2-5为低压缸排气过程；5-2’为高压缸吸气过程；2’-3’为高压缸多变压缩过程；3’-4为高压缸排气过程。压缩1kg气体所消耗的功当中间压力Pm为时，压缩机所消耗的机械功最小。这个中间压力Pm称为双级压缩的最佳中间压力。

耗功最小，则两级增压比应相同，这个增压比称为最佳增压比。m级压缩，最佳增压比为第五节气体动力循环气体动力循环：用空气和燃气作为工质而进行工作的循环。按结构活塞式叶轮式小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船移动电站汽油机点燃式，压燃式汽车，摩托，小型轮船按燃料航空，大型轮船，移动电站柴油机煤油机航空按点燃方式：按冲程数：二冲程，四冲程一、内燃机的实际循环和理想循环。

1、往复式内燃机的实际工作循环1230—1

吸空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02’01—2’

多变压缩p2’=3~5MPat2’=600~800℃2’

喷柴油2

开始燃烧2—3

迅速燃烧，近似Vp↑5~9MPa工质放热多于吸热453—4

边喷油，边膨胀123pVp01’2’0t4可达1700~1800℃4

停止喷柴油4—5

多变膨胀V近似膨胀pp5=0.3~0.5MPat5

500℃5—1’

开阀排气，降压1’—0

活塞推排气,完成循环2、往复式内燃机的理想工作循环该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“混合加热循环”，也称“萨巴太循环”。1-2：绝热压缩；2-3：定容吸热；3-4：定压吸热；4-5：绝热膨胀；5-1：定容放热q二、影响循环热效率的主要因素1、混合加热理想循环的热效率及其影响因素吸热量放热量(取绝对值）热效率①压缩比：②定容升压比：定容加热量越大，升压比越大。③定压预胀比：表示绝热膨胀前工质的膨胀程度，定压加热量越大，预膨比越大。1-2为绝热过程2-3为定容过程3-4为定压过程4-5为绝热过程将其代入热效率表达式，有可见：①②由图可见，ε、λ↑→Tm1↑，所以热效率ηt↑。2、定容加热理想循环的热效率及其影响因素在汽油机中，在压缩终了时，汽油与空气的混合物被火花塞点火而迅速燃烧，此时活塞位移极小，故可近似认为是定容燃烧。可见：3、定压加热理想循环的热效率及其影响因素早期柴油机转速低，燃料一边燃烧一边膨胀，整个燃烧过程中气缸内的压力变化不大，可近似的认为是定压燃烧过程。可见：三、提高循环热效率的途径1、提高压缩比：在加热量不变的情况下，混合加热循环的热效率随压缩比的增加而增大。压缩比相同，吸热量相同时三种理想循环的比较

：混合加热循环压缩比过大，热效率增加不明显，且内燃机部件受力较大，故压缩比一般为12-22。2、增加定容加热量、减少定压加热量：在压缩比和总单位质量加热量不变的情况下，增加定容加热量、减少定压加热量，可提高混合加热理想循环的热效率。但实际混合循环中当定容升压比增加时，会增大循环的最高压力和温度，容易导致燃料爆燃，影响内燃机使用寿命。循环pmax、Tmax相同时的比较

或第二章传热学

传热学是研究在温差的作用下的热能传递的规律。而热力学是研究热能与其他形式能量之间的相互转换的规律。第一节换热过程传热学研究的内容：①不同条件下热传递系统内部温度分布的规律；②与温度相关的热流密度；③传递给定热量所需的时间。一、热传递的三种基本方式1、热传递的三种基本方式和特点（1）热传导：不同温度的物体之间通过直接接触，或同一物体不同温度的各部分之间，当没有宏观相对位移时，由分子、原子或自由电子等微粒的热运动来传递热量的过程，简称“导热”。（3）热辐射：当物体的温度高于绝对温度时，物体由于具有一定温度而向外放射辐射能，辐射能通过电磁波向外传播。物体将热能转化为向外放射辐射能的现象称为“热辐射”。（2）热对流：它是流体不同温度的各部分之间，由流体微团宏观相对位移来传递热量的过程。2、热传递的三种基本过程和特点（1）导热过程：物体内部或物体之间，仅以热传导方式进行热传递过程。（2）对流换热过程：运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程。它是以热传导和热对流两种方式来传递热量的。（3）辐射换热过程：不同温度的物体之间，依靠热辐射方式进行的热传递过程。导热过程、对流换热过程、辐射换热过程和传热过程Q二、导热1、导热的概念：物体各部分之间不发生相对位移时，由分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递过程。1)、温度场：任一瞬间，在所研究空间中所有点上温度分布的总称，是空间坐标和时间的函数。稳态温度场非稳态温度场2)、温度梯度：在温度场中，温度在空间上改变的大小程度，用gradt表示。它是在等温面法线方向ｎ上单位长度的温度增量,它是一个矢量,指向温度增大的方向。热流的方向与温度梯度方向相反3)热流量：单位时间内通过某截面积的热流量。4)热流密度：通过单位面积的热流量。2、导热系数及其随温度变化的规律导热系数表明物体导热能力的程度，是每单位温度梯度所传导的热流密度值。以物质种类来分，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体更次之，气体最小。各种物质的

值都是温度的函数。多孔物质的

值较小，吸水后导热系数急剧增大。

导热系数随温度变化的规律：总体讲：金属的导热值随温度升高而减小，非金属固体的导热系数随温度升高而增大，液体的导热系数随温度升高而减小，气体的导热系数随温度升高而增加。三、对流换热1、对流换热的基本概念运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此,影响对流换热的因素远比导热要多。2、牛顿冷却公式：3、影响换热系数的主要因素和确定的方法固体壁面温度ｔＷ与流体温度ｔｆ之间温差的绝对值；热流密度，约定恒取正值；对流换热系数,简称换热系数,单位为Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。1）对流换热系数2）影响换热系数的因素A、流体流动的动力因素强迫对流自然对流无流体微团的横向脉动，法线方向为导热流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。B、流体流动的状态层流紊流过渡状态外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素。有流体微团的横向脉动C、流体的热物性导热系数、比热容c、动力粘度、密度D、换热壁面的热状态（壁温的大小）有相变无相变壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象对流换热系数比有相变时小得多E、换热壁面的几何因素换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的变化。四、辐射换热1、辐射换热的基本概念1）热辐射的本质物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向低能态能级跃迁时，由于电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。辐射能是原子内部复杂激动的结果。物体的温度只要高于绝对零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度愈高则发射的辐射能量愈多。热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一种热传递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。根据不同波长范围的电磁波效应和用途，分为宇宙射线、γ射线、x射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。热射线的波长主要位于0.4-100μm的范围内，其中包括可见光（波长0.4-0.7μm）和红外线（波长0.7-25μm的近红外线和波长25-100μm的远红外线）。热射线2）物体的吸收率、反射率和穿透率QA/Q物体的吸收率AQR/Q物体的反