工程热力学读书笔记

工程热力学读书笔记

2011/6/1

第一局部：绪论

1、工程热力学

工程热力学是研究热能有效利用及其热能与其他形式能量转换规律的科学。

2、热力学分类

工程热力学(热能与机械能)，物理热力学，化学热力学等

3、热力装置的共同特点

热源和冷源、工质、容积变化功、循环

4、热效率

=收益

w_

5、工程热力学研究内容

能量转换的根本定律，工质的根本性质和热力过程，热工转换设备及其工作原理，化学

热力学根底。

6、工程热力学研究方法

(1)宏观方法：连续体(continuum),用宏观物理量描述其状态，其根本规律是无数经

验的总结(如：热力学第一定律)。

特点：可靠，普遍，不能任意推广

经典(宏观，平衡)热力学

(2)微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律

特点：揭示本质，模型近似

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微观(统计)热力学

第一章：根本概念

1、热力系统

(1)热力系统(热力系、系统)：人为指定的研究对象(如：一个固定的空间);

(2)外界：系统以外的所有物质；

(3)边界(界面)：系统与外界的分界面；

(4)系统与外界的作用都通过边界；

(5)以系统与外界关系划分：

有无

是否传质开口系闭口系

是否传热非绝热系绝热系

是否传功非绝功系绝功系

是否传热、功、质非孤立系孤立系

(6)简单可压缩系统

只交换热量和一种准静态的容积变化功；

2、状态和状态参数

(1)状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况

(2)状态参数：描述热力系状态的物理量

(3)状态参数的特征：

•状态确定，那么状态参数也确定，反之亦然

•状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关

•状态参数的微分特征：全微分

(4)强度参数与广延参数

•强度参数：与物质的量无关的参数，如压力P、温度T

•广延参数：与物质的量有关的参数可加性，如质量m、容积V、内能(也称之

为：热力学能)U、焰H、焙S

比参数:VUs

v=—u=——s=—

mmm

比容比内能比焙比燧

3、根本状态参数

(1)压力p(pressure)

•物理中压强，单位：Pa(Pascal),N/m2()

•绝对压力与环境压力的相对值一一相对压力;

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•只有绝对压力P才是状态参数；

•大气压随时间、地点变化；

(2)温度T(Temperature)

传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量；

微观：衡量分子平均动能的量度；

热力学第零定律(R.W.Fowlerin1931),如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡,

那么两个系统彼此必然处于热平衡。

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，那么两个系统彼此必然处于热平衡。

处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特

征的物理量温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。

(3)比容v(specificvolume)---工质的稀疏程度。

V

•v--Em3/kg]

m

4、平衡状态

(1)定义：

在不受外界影响的条件下(重力场除外)，如果系统的状态参数不随时间变化，那么该系

统处于平衡状态。

(2)几种平衡状态

•热平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughoutthe

entire

•力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypoint

ofthesystemwithtime

•相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibrium

levelandstaysthere

•化学平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchange

withtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.

(3)平衡的本质

平衡的本质是不存在不平衡势。

•温差一热不平衡势

•压差一力不平衡势

•相变一相不平衡势

•化学反响一化学不平衡势

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•稳定不一定平衡，但平衡一定稳定

•平衡不一定均匀，单相平衡态那么一定是均匀的

稳定：参数不随时间变化

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

（4）为什么引入平衡概念?

如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述。但平衡状态是死态，没有能

量交换，为此，引入准静态过程。

5、状态方程、坐标图

（1）状态公理

•对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1；

•独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1（n

为容积变化功、电功、拉伸功、外表张力功等）；

•只交换热量和一种准静态的容积变化功，简单可压缩系统：N=n+1=2；

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闭口系：状态公理Statepostulate

不平衡势差1状态变化—能量传递

消除一种一达到某一一消除一种能量

不平衡势差方面平衡传递方式

而不平衡势差彼此独立

独立参数数目.、三不平衡势差数

=能量转换方式的数目

=各种功的方式+热量=〃+1

（2）状态方程

•根本状态参数（p,v,T）之间的关系，其方程的形式取决于工质的性质。

•理想气体的状态方程：PV=mRT

（3）座标图

常见p-v图和T-s图

简单可压缩系统N=2,平面坐标图

1）系统任何平衡态可

表示在坐标图上

2）过程线中任意一点

为平衡态

3）不平衡态无法在图

V上用实线表示

常见下，图和质图

6、准静态过程、可逆过程

准静态过程

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Pl=Po+重物假如重物有无限多层

每次只去掉无限薄一层

系统随时接近于平衡态

P\

1.

（2）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称之为准静态过程，一般的工程过程都可认为是准静态过程。

例：活塞式内燃机2000转/分I一二

曲柄2冲程/转，0.15米/冲程I一L

活塞运动速度=2000x2x0.15/60=10m/s

压力波恢复平衡速度（声速）350m/s

破坏平衡所需时间>>恢复平衡所需时间

（外部作用时间）（驰豫时间）

一般的工程过程都可认为是准静态过程

具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”

（3）准静态过程的容积变化功

•5w=pdv

以汽缸中akg工质为系统

初始：pxA=°外x4+f

如果夕外微小Jd/很小，近似认为p不变

可视为准静态过程

.F加如工质发生容积变

，\上_________化对外界作的功

।^W=pxAxd/=pdV

：川P外1kg工质

=pdv

卜d/

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mkg工质:

1kg工质:

上式仅适用于

EE2F准静态过程

1—2

•准静态容积变化功的说明

1）单位为[kj]或

[kj/kg]

2）p-V图上用面积表示

3）功的大小与路径有关，

程量Pathfunction

4）统一规定:dV>0,膨胀，

外作功（正）；dV<0,压缩，

内作功（负）

5）适于准静态下的任何工

（一般为流体）

6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数

7）有无f,只影响系统功与外界功的大小差异

（4）可逆过程的定义

•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,

那么此过程为可逆过程。可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。

•可逆过程的实现

准静态过程（无不平衡势差）+无耗散效应（通过摩擦使功变热的效应（摩阻，电阻，

非弹性变性，磁阻等））=可逆过程

•引入可逆过程的意义

1）准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程（准静态过程中的功可以转换

为热），可逆过程是最优过程。

2）可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复

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杂关系，易分析。

3)实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况(可逆过程)处理，用

系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。

•完全可逆、内可逆与外可逆

完全可逆Totallyreversible

可逆的部可理，外部不可逆Y常见

Internallyreversible

外部可逆，内部不可逆

Externallyreversible

例:

0℃

内可逆

外不可逆90℃

7、功量

(1)功的热力学定义I

当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热

力系对外作功。

(2)功的热力学定义II

功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。

(3)功的表达式

功的一般表达式

热力学最常见的功—容积变化功

=fpdv

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等

8、热量与烯

(1)热量定义

热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传

递的能量。

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(2)热量与容积变化功

能量传递方式容积变化功传热量

性质过程量过程量

推动力压力P温度T

志dV,dvdS,ds

条件准静态或可逆可逆

(3)烯(Entropy)的定义

reversible

bQrev

dS广延量[kJ/K]

T

比参数[kJ/kg.K]

怒:可逆过程的应除以传热时的7所得的商

(4)燧的说明

1)燧是状态参数

2)符号规定

系统吸热时为正Q>0dS>0

系统放热时为负Q<0dS<0

3)嫡的物理意义：隔表达了可逆过程传热的大小与方向

4)用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量

(5)示功图与示热图

%=JpdVQ=\Tds

9、热力循环

(1)热力循环

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。

(2)两种循环

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正循环：净效应(对外作功，吸热)逆循环：净效应(对内作功，放热)

制冷循环：制冷系数

动力循环：热效率

二收益.吸热_。2

WWF

收益

开

17OF制热循环：制热系数

净功_犷

，收益放热

*=丽=两一万

第二章：热力学第一定律

1.热力学第一定律的本质

(1)本质：能量转换及守恒定律在恐过程中的应用

(2)闭口系循环的热一律表达式：H=要想得到

功，必须花费热能或其他能量。热一律又可表述为“第一

类永动机是不可能制成的〃

2.热力学第一定律推论一一内能

定义11r=80-8fF

内能〃状态函数

闭口系热一律表达式

°=AU+W

!!!两种特例

绝功系82=dt7

绝热系5/=-<|”

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=W7

C移动

rV分广动能\转动rotation

、振动

AV代表某微元过程中系统通过边界vibration

7分「位能bindingforces

交换的微热量与微功量两者之差值，也

内能＜

即系统内部能量的变化。

化学能chemicalenergy

U代表储存于系统内部的能量

-内储存能（内能、热力学能）I核能nuclearenergy

系统总能totalenergy

外部储存能macroscopicformsofenergy

1

宏观动能kinetic£k=me/!｝机械能

宏观位能potentialE=mgz

•内能是状态量stateproperty

系统总能

E=U+4+Ep・U:广延参数[kJ]

•it:比参数IkJ/kg]

e=w+ek+ep

・内能总以变化量出现，内能零点人为定

一般与系统同坐标，常用U,dU,",d"

热一律的文字表达式

热一律:能量守恒与转换定律

进入系统J离开系统|_系统内部储存

的能队的熊鱼J一|能量的变化

3.闭口系能量方程

Pointfunction---Exactdifferentials■一d

Pathfunction-Inexactdifferentials-8

8</=dw+6wI

功（bw）是广义功GeneralizedWork

一闭口系与外界交换的功量

准静态容积变化功pd"

拉伸功6叫伸=-刈

表面张力功表面张力=_/（L4

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准静态和可逆闭口系能量方程

简单可压缩系准静态过程

bw=pAv

的=d〃+pdv热一律解析式之一

夕=A〃+Jpdv

简单可压缩系可逆过程

61=Tds

热力学恒等式

JTds=A〃+Jpdv

4.开口系能量方程

推进功的表达式对推进功的说明

推进功（流动功、推动功）/1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在

Flowwork2、作用过程中，工质仅发生位苴变化，无状态变化

咻=p4d/=pb3、”，推与所处状态有关，是状态量

4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，

而由外界（泵与风机）做出,流动工质所携带的能量

可理解为：由于工质的进出，外界与系统之

间所传递的一种机械功，表现为流动工质进

［，没有变化出系统使所携带和所传递的一种能储

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2

3。+8/Mjn(«+I)y+cl2+g*n-8%

2

-8»»out(«+P^C/2+gz)oat=d£cy

工程上常用流率

0=d£/3r+(〃+pv+c「/2+gz)mt

\/outou

-(〃+7?v+c2/2+gz)“〃7in+Wnet

定义：焰h=u+pv

当有多条进出口:

3=d//〃+Met

Q=dEcv/6r+Wnei

+Z(〃+pv+C212+gz)Wout+2

।E(h+c/2+gz)outW0Ut

**

一，+pv+C2/2+gz)/Win一£(h+C2/2+gz"min

流动时，总一起存在开口系能量方程

-EnthalDv5^^

定义：/>=//+pv|kJ/kg]

H=U+pV|kJ]

1、转是状态量stateproperty

2、，为广延参数H=U+pV=/H（w4y?r）=mh

分为比参数

3、对流动工质，蜷代表能量（内能+推进功）

对静止工质，途不代表钝堂

4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于猴力状态的即SL

5,稳定流动能量方程

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0=ConstWout="7m=Hl0=(onst

稳定流动条件稳定流动条件

(ons!=H、

(onst=ns

叫5

0=d%/”+0o+w5

+c2/2+gz)t/Woui

+(/?+c:/2+gz'ou.n,

-(A+C2/2+gz)nWin一(力+c，/2+gz)m

稳定流动能量方程的推导

,c2

\Q="?〃+y+gzh+^+gz

OUI布」

2

q=Nh+—Ac+gAz+w8

Q=mq

5—IkgJL质

q=h+—+gzh+—+gz任何流动工质

out

g=A/?+；Ac'+gAz+%任何稳定流动过程

单位质量工质的开口与闭口

闭口系(1kg)

q=Aw+(vv,

容利?变化功

技术功

/

q=A/?

闭口q=Aw+w

卜等价

稳流开口q=Nk+wt

r容积变化功卬

技术功”、d/2

几种功的关系？

轴功叫做功的根源⑷|”

〔推进功A(pv)

△/V)

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准静态下的技术功

w=A(py)+叱.Sw=4(py)+5叱

，

对功的小结准静态pch=d(p\»+6Wf

Sw=pd\，-d(pv)=pdv—(pch,+vdp)=—vdp

1,闭口系.系统与外界交换的功力容积变化功Rt

2、开口系.系统与外界交换的功为轴功也(>W=--j\dp

3、一般情况下忽略动、位能的变化

6q=du+pd\'热一律解析式之一

准静态I

\6q—dly-v(ipI热一律解析式之二

6.稳定流动能力方程的应用举例

2

q=Nh+\c/2+gAz+ws

热力学问题经常可忽略动、位能变化

例：J=1m/sc2=30m/s

22

(c2-q)/2=0.449kJ/kg

Zi=0mz2=30m

g(G-Z。=0.3kJ/kg

Ibar下,0℃水的hx=84kJ/kg

100°C水蒸气的h2=2676kJ/kg

q=Ah+ws

透平(Turbine)机械

q是流过装置的单位质量

例1：透平(Turbine)机械工质与外界交换的热超

1)休积不大

火力发电

蒸汽轮机2)流量大

核电Steamturbine3)保温层

(7«0

飞机发动机

燃气机

轮船发动机ws=-AA

输出的轴功是靠炮降转变的

移动电站=//j-//2>0

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例2：压缩机械Compressor压缩机械

火力发电Iq=Nh+

水泵

核电J1）体积不大

2）流量大

飞机发动机

3）保温层

轮船发动机压气机

7®0

移动电站

制冷卬S=-

压缩机

输入的轴功转变为烧升=h-Zr<0

空调x2

换热设备

例3：换热设备HeatExchangers

h2

火力发电：锅炉、凝汽器*流体

核电：热交换器、凝汽器

冷流体

制冷

蒸发器、冷凝器热流体放热量:7=A/?=//2-/?,<0

空调

冷流体吸热量:q=A/?=h2-hx>0

绝热节流

例4：绝热节流ThrottlingValves

管道阀门

制冷

卜膨胀阀、毛细管

空调」

绝热节流过程，前后〃不变，但不是处处相等

第三章:理想气体的性质和过程

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火力发电装置工程热力学的研究内容

1、能量转换的基本定律

%2.工质的基本性质与热力过程

3、热功转换设备、工作原理

4、化学热力学基础

工程热力学的两大类工质

1、理想气体(idealgas)

可用简单的式子描述

如汽车发动机和航空发动机以空气为

主的燃气、空调中的湿空气等

2、实际气体(realgas)

不能用简单的式子描述，真实工质

火力发电的水和水蒸气、制冷空调中

制冷工质等

1.理想气体状态方程

摩尔容积Molarspecificvolume(Em)

理想气体定义：阿伏伽德罗假说Avogadro'shypothesis:

凡遵循克拉贝龙(Clapeyron)方程的气体相同P和7下各理想气体的

摩尔容积匕相同

四种形式的克拉贝龙方提

在标准状况下(P。=L01325xlO'Pa

状Ikmol:pV=RJ

mT=273.15K)

态o

nkmol:pV=n^T

方与”2.414%/

1kg:pv=RTK

程统一单位

mkg:pV=mRTK,常用来表示数量日

Am与K的区别

Rm——通用气体常数

UniversalGasconstant

4=8.31431%代水|计算时注意事项

R----气体常数Gasconstant

1、绝对压力

R=[kJ/kg.K.]]与气体种类有关.

M■M-----Molarmass2.温度单位K

例如

&=念=器=°287%.KB3.统一单位(最好均用国际单位)

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理想气体模型Modelofideal-gas哪些气体可当作理想气体

当实际气体P很小很大，7不

1.分子之间没有作用力太低时,即处于远离液态的稀薄状态

2.分子本身不占容积时,可视为理想气体。

兰）实中没有理想气体-A的常温蔡，子p<7分M子Pa卜.噌理二相勺百体上

但是，当实际气体p很小，/很大,如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等

7不太低时，即处于远离液态的稀薄状三原子分子（IhO'COJ一般不能当作理想气体

态时,可视为理想气体。特殊可以，如空调的湿空气，高温烟弋的CO?

2.比热容

计算内能，烂,热量都要用到热容

比热容

定义：比热容cM

dtC：质量比热容%.K%g"

单位物量的物质升高1K或1»C所需的热量

，„：摩尔比热容"/mol.K%m0|.℃

Theenergyrequiredtoraisethe

O:容积比热容%m3.K%3.»

temperatureofaunitmassofamC

substancebyonedegree

C/M-c=22.414C'

Cy和Cp的说明

定压比热容C

Specificheatatconstantpressure1、q和,过程已定，可当作状态量。

任意准静态过程=du+pdv=dh-vdp2、前面的推导没有用到理想气体性质

力是状态量，设JBEBL

4=（防）》

〃a、介,加、,

出=（行）M+（即）3

适用于任何气体。

ahahf

.•.西=喘）0打+K新-W#定压G物理意义：G）时1kg工质升高1K内能的增加量

Cp物理意义：©时1kg工质升高1K培的增加量

.••%=（而）/明）小管」3、h、“、s的计算要用q和Cp。

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常见工质的.和Cp的数值

(PC时：

cv,aIr=0.716kJ/kg.Kcp>alr=1.004kJ/kg.K

cVjO2=0.655kJ/kgKCp02=0.915kJ/kg.K

100(PC时:

cv(air=0.804kJ/kgKCpH，.=1.091kJ/kgJ<

q,()2=0.775kJ/kg.KcpO2=1.035kJ/kg.K

[25<>C时：]

C“I2O=CP,H2O=41868kJ/kg.K

3.理想气体的u、h、s和热容

一、理想气体的“

1843年焦耳实验，对于理想气体

理想气体内能的物理解释

理想气体“只与7有关

内能=内动能+内位能

Ii

TT,v

理想气体无分子间作用力，内能只

决定于内动能

?如何求理想气体的内能“

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§3-4理想气体热容、“、为和s的计算

.dvdp

dh=cpdTd$=c。—+q上

yp

/,、“、s的计算要用q和Cp=&心

Tv

I理想气体热容的计算方法:

1。声Rdp

TP

迈耶公式Mayer为formula1、按定比热

2、按真实比热计算

比热比

3、按平均比热法计算

2、按真实比热计算理想气体的热容

1、按定比热收型想气体热容

分子运动论国胞不飓譬尔理想气体BBiB]

du=/（7）L=4=/，（T）

K-吟°FIaT

单原子双原子多原子根据实验结果整理

3凡

C^|kJ/kmol.K]丸C=%+―+%〃+4〃+

2"2r2融

5八日9

7Cpm=b°+bJ+b2T2+bT+.

C[kJ/kmol.K|一4W-R-R

pm221a2m

62

1.671.41.29CpJ<134a//?=2.1015+0.03252T-17.457xl0T

3、按平均比热计算理想气体的热容

理想气体A“的计算

■与休.任何过程

^^=cvAT=cy（T,-T,）

2.R.为真实比热

3.c、为平均比热

A"=G『（4-G

4.若为空气，直接直附表2A〃=〃2一

理想气体A%的计算

助=7仃三理想气体,过程

Cp=constAh=CpAT

2.%为真实比热

3.4为平均比热

△力=*《-7；）

4.若为空气，直接查