热工基础教程

第1章基本概念工质和热力系统定义：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。热能机械能化学能分类燃气动力装置

蒸汽动力装置内燃机燃气轮机喷气动力装置热力设备名词定义工质:

实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源温度高低温度变化高温热源低温热源（冷源）恒温热源

变温热源热源:

工质从中吸取或向之排放热能的物质系统。膨胀性；

流动性；

热容量；

稳定性、安全性；环保性能；价格。

常见工质：蒸汽、燃气、空气等。制冷装置：实现热量从低温物体向高温物体的转移。吸热放热耗功蒸气压缩制冷循环装置示意图热动装置原理E'T1T2Q1Q2W0E'T1T2Q1Q2W0制冷装置原理热力设备工作（能量转换）原理定义：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。边界：系统与外界之间的分界面外界（环境）：热力系统以外的部分系统与外界之间的质量和能量交换都通过边界System

Boundary

Surroundings

热力系统注意：边界特性真实/虚构固定/活动几种重要的系统闭口系统：与外界无物质交换的系统，也叫做控制质量系统。开口系统：与外界有物质交换的系统，一般为控制容积系统。简单可压缩系统热力学中最常见、最重要的系统，除与外界交换质量外，只交换热量和一种体积变化功体积变化功压缩功膨胀功状态和状态参数状态和状态参数状态参数：描述热力系状态的物理量

状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、微分特征：全微分状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况6个常用参数：p、T、v、u、h、s状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数例如：山的高度变化12ab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比参数：比体积比热力学能比焓比熵单位：/kg/kmol

广延参数：与物质的量有关的参数

可加性如

质量m、体积V、热力学能

U、焓H、熵S基本状态参数-温度T一般定义：微观：衡量分子平均动能的量度

T

0.5mw2传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量热力学定义：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。基本状态参数-温度T热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统之间必然处于热平衡。温度测量的理论基础B：温度计温度T的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度

温标

常见温标及其换算绝对

K摄氏

℃

100373.150.01273.160273.150-273.15热力学温标（绝对温标）

国际摄氏温标

冰熔点水三相点水沸点基本状态参数-压力p压力p

：大量分子碰撞器壁形成的宏观效果物理中压强，单位:Pa,N/m2常用单位：

1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013

105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104Pa压力p的测量测量值：绝对压力与环境压力的相对值—相对压力注意：只有绝对压力p才是状态参数

绝对压力与相对压力当

p>pb表压力

pe当

p<pb真空度

pvpbpeppvp基本状态参数-比体积v比体积v:单位质量工质所具有的的体积。[m3/kg]反映工质聚集的疏密程度物理上常用的密度

[kg/m3]平衡状态定义：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，则该系统处于平衡状态。化学平衡相平衡不存在相变不存在化学反应不存在温差热平衡不存在力差力平衡

平衡的本质：不平衡势消失状态参数方程和坐标图平衡状态：可用一组确定的状态参数描述根据状态公理，对简单可压缩系，独立状态参数个数N=2想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态参数方程简单可压缩系统：N=2

状态方程

基本状态参数（p,v,T

)之间的关系对理想气体：状态参数坐标图简单可压缩系统

N=2pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上表示常见有p-v图和T-s图21平面坐标图热力过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准平衡（准静态）过程矛盾？过程的描述一般过程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0p12..v

准平衡过程p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...则系统随时接近于平衡态准平衡过程所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。

在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的实线表示。

pv12在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间非常短的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。准平衡过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）：350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准平衡过程准平衡过程的体积变化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果p外微小

可视为准平衡过程dx以汽缸中m

kg工质为系统m

kg工质发生体积变化，对外界作的功：

W=p

Adx=pdV1

kg工质：

w=pdv活塞移动，但dx很小，可近似认为

p

不变准平衡过程的体积变化功pp外2mkg工质：

W=pdV1kg工质：

w=pdv1注意：仅适用于准平衡过程举例：气缸活塞系统若有摩擦f存在，就存在功的损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’<W若外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’<W’则外界和系统：不能同时恢复原态。举例：气缸活塞系统若摩擦f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’=W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界和系统：可同时恢复原态。可逆过程定义：系统经历某一过程后，沿原过程反向进行，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。注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。实际的不可逆过程：如不等温传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。可逆过程的实现条件准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差温差、力差等通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

耗散效应引入可逆过程的意义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杂关系，易分析。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。准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。功和热量功的定义力学定义:力

力作用方向上的位移热力学定义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举起重物，此即为热力系对外作功。热力学定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，是在力差的推动下，通过有序运动方式传递的能量。体积变化功和示功图mkg工质：

W=pdV1kg工质：

w=pdvpp外21pV.12.W对体积变化功的说明.12.pV1）单位为[kJ]或[kJ/kg]Ww2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，是过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）

dV<0，压缩对内作功（负）5）适用于：准静态or可逆过程；任何工质热量的定义热量：是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。？引入“熵”s

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

标志dV,dv

dS,ds公式

条件准静态或可逆

可逆

w=pdv

q=Tds状态参数-熵s

q=Tds

对可逆过程

定义熵：1、熵是状态参数2、符号规定系统吸热时为正

Q>0dS>0系统放热时为负

Q<0dS<03、用途：判断传热方向、计算可逆过程的传热量

说明：示功图和示热图pVWTSQ

示功(压容)图

示热(温熵)图热力循环热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：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。pv1234循环由过程构成不可逆循环可逆循环正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向进行的循环2112动力循环逆循环逆时针方向进行的循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热2112制冷循环循环的评价指标正循环净效应：对外作功，吸热WT1Q1Q2T2动力循环：热效率循环的评价指标逆循环净效应：对内作功，放热制冷循环：制冷系数WT0Q1Q2制热循环：制热系数

第2章热力学第一定律和热力学第二定律系统储存能、焓h系统的热力学能分子动能分子位能

化学能

核能

热力学能（内部存储能）

移动转动振动分子动能取决于气体温度分子位能取决于气体容积对理想气体：热力学能总以变化量出现，其零点是人为规定的单位：U

:

[kJ]

u

:[kJ/kg]注意系统的总储存能外部储存能：

宏观动能

Ek=mc2/2

宏观位能

Ep=mgz机械能系统总能：E=U+Ek+Ep=U+mc2/2+mgze=u+ek+ep=u+c2/2+mgz开口系统的流动功

Wnet

Qp1,v1,t1,u1p2,v2,t2,u2pApvdx1kg工质所需推动功：

w推=pAdx=pv流动功：

p2v2-p1v1可将推动功理解为伴随工质流入流出系统所携带的一种能量注意状态参数-焓h

因此，定义焓：h=u+pv

[kJ/kg]

H=U+pV

[kJ]

工质流入或流出系统时，热力学能u和推动功pv总是共同出现。

1、焓是状态量

2、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量3、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。说明热力学第一定律、闭口系能量方程热力学第一定律能量守恒与转换定律在热现象中的具体应用。热力学第一定律：热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和转换过程中，总量保持不变。能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态；在能量转化过程中，能的总量保持不变。=-离开系统的能量进入系统的能量系统储存能量的增量用热力学第一定律描述系统能量变化：闭口系统能量方程wq宏观动能和宏观位能通常无变化Δek=0Δep=0因此，系统能量增量仅为热力学能增量:Δuq-w

=Δuq=Δu+w

热力学第一定律解析式（基本能量方程）闭口系统能量方程q=u+w

q=du+w

单位工质：Q=U+W

Q=dU+Wm

kg工质：

适用于：

1）任何工质2)任何过程简单可压缩系的能量方程简单可压缩系的可逆过程：

w=pdv

q=Tds

q=du+pdv

q=u+pdvTds=du+pdv

Tds=u+pdv循环的能量方程将

q=du+w应用于循环：

循环的净热量等于净功闭口系能量方程应用气体在某一过程中吸热50kJ，同时热力学能增加84kJ，问此过程是膨胀还是压缩过程？若气体经历反向过程回到初态，此反向过程中气体吸热30kJ，问对外做功多少？Q=U+W

W=Q-

U=50-84=-34kJ（负功，压缩过程）

W=Q-

U=30-(-84)=114kJ稳定流动系统的能量方程实现条件：1.进出系统工质流量相等且不随时间变化；2.单位时间内系统与外界的热量、功量交换不随时间变化。稳定流动系统系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2实际热机在正常运行时均可按稳定流动系统处理注意稳流系统能量方程wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2考虑1kg工质流过系统进入系统的能量：u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q离开系统的能量：u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws系统能量的变化量=0（u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q）-（u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws）=0根据热力学第一定律：稳流系统能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws流动功动能变化位能变轴功都属于机械能稳流系统能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws整理为：q

=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws焓的定义：h=u+pvq=(h2-h1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws对mkg工质：Q=(H2-H1)+m(c2f2-c2f1)/2+mg(z2-z1)+Ws稳流系统能量方程适用条件：任意流动工质；任意稳定流动过程1kg工质：微元过程：mkg工质：技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能技术功wt技术功Wt技术功稳流方程改写为：单位质量工质的闭口和稳流方程wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功闭口与稳流系统能量方程容积变化功w技术功wt闭口系统稳流开口系统等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？涉及各种功稳流系统能量方程wwtΔ(pv)Δc2/2wsgΔz做功的根源ws2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wws

wt对功的小结可逆过程下的技术功可逆过程：对可逆微元过程：技术功在示功图上的表示12341140a1230b212ba1稳定流动方程的应用稳流能量方程的应用热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg透平机械主要指汽轮机、燃气轮机等1）体积不大2）流量大3）保温层q

0ws=-Δh

=h1-h2>0压缩机械主要指泵、压缩机、压气机、风机等1）体积不大2）流量大3）保温层q

0ws=-Δh

=h1-h2<0换热设备主要指锅炉、凝汽器、换热器、蒸发器等热流体冷流体h1h2h1’h2’没有作功部件热流体放热量：冷流体吸热量：焓变绝热节流过程流体通过的截面突然缩小，称为节流。如管道阀门、膨胀管、毛细管等。没有作功部件h1h2q

0一般认为过程绝热绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等喷管和扩压管q

0动能与焓变相互转换喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略课程介绍热力学第二定律热力学第二定律能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行热力学第二定律自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性

热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势热力学第二定律自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热100%热量发电厂功量40%放热热量热力学第二定律能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?

自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律热力学第二定律

热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T

过程q=w开尔文－普朗克表述

不可能制造一种循环工作的机器，其作用只是从单一热源吸热并全部转变为功。热力学第二定律但违反了热力学第二定律第二类永动机：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环境是个大热源第二类永动机是不可能制造成功的热力学第二定律热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。克劳修斯表述热力学第二定律开尔文－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!!!两种表述的关系课程介绍卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高卡诺循环和卡诺定理卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)卡诺循环—

理想可逆热机循环卡诺循环和卡诺定理卡诺循环热机效率T1T2Rq1q2wnet卡诺循环热机效率卡诺循环和卡诺定理•

c只取决于恒温热源T1和T2

,而与工质的性质无关•

T1

c,T2

c

，温差越大，

c越高•

当T1=T2，

c=0,单热源热机不可能•

T1

=K,T2=0K,

c<100%，热二律卡诺循环热机效率的说明卡诺循环和卡诺定理卡诺定理—

热二律的推论之一

卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下

结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”

1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机,以可逆热机的热效率为最高。卡诺循环和卡诺定理若

t,IR

>

t,R

T1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIRWIR-

WR

=Q2’

-Q2

>0T1无变化从T2吸热Q2’-Q2WR假定Q1=

Q1’

要证明把R逆转-WRWIR=Q1-Q2WR=Q1’-Q2’

对外作功WIR-WR

开尔文的证明—反证法违反开表述，单热源热机卡诺循环和卡诺定理假定：WIR=WR若

t,IR>

t,RT1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR

Q1

<Q1’Q1’-

Q1

=Q2’-

Q2

>0从T2吸热Q2’-Q2向T1放热Q1’-Q1不付代价

要证明

Q1-Q2=

Q1’-Q2’

WR把R逆转克劳修斯的证明—反证法违反克表述

卡诺循环和卡诺定理卡诺定理-推论

在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求证：

t,R1=

t,R2

由卡诺定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c与工质无关卡诺循环和卡诺定理卡诺定理-推论

在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求证：

t,R1=

t,R2

由卡诺定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c与工质无关卡诺循环和卡诺定理多热源（变热源）可逆循环多热源可逆循环与相同温度界限的卡诺循环相比，热效率如何？Q1c

>Q1R多

Q2c<Q2R多bcda321456T2T1平均温度法：

∴

c

>

t,R多

Q1R多=T1(sc-sa)

Q2R多=T2(sc-sa)

Ts提高循环热效率的两条途径：1、降低平均放热温度（环境）2、提高平均吸热温度（循环、材料）卡诺循环和卡诺定理卡诺定理小结1、在两个不同T的恒温热源间工作的一切可逆热机

t,R

=

c

2、多热源间工作的一切可逆热机

t,R多

<

同温限间工作卡诺热机

c

∴在给定的温度界限间工作的一切热机，

c最高

热机极限

3、不可逆热机

t,IR

<

同热源间工作可逆热机

t,R

t,IR

<

t,R=

c

课程介绍克劳修斯积分热力学第二定律的数学表达式根据卡诺定理，工作于两恒温热源间的可逆热机，与卡诺热机效率相同：考虑吸放热的正负号，则：T1T2Rq1q2wnet克劳修斯不等式热力学第二定律的数学表达式o对任意可逆循环1-A-2-B-1，用一组可逆绝热线进行分割对其中微元循环a-b-c-d-a：adcbδQ1δQ2对吸热和放热过程积分求和：吸放热均用δQrev表示，热源温度均用Tr表示，则：

vp12BA热力学第二定律的数学表达式状态参数熵s的导出δQrev/Tr的积分与路径无关，一定是某状态参数的全微分取名为熵，用S表示：热力学第二定律的数学表达式对任意不可逆循环1-A-2-B-1，用一组可逆绝热线进行分割对其中微元循环a-b-c-d-a，因其不可逆，则有：考虑吸放热的正负号：对吸热和放热过程积分求和：oadcbδQ1δQ2vp12BA热力学第二定律的数学表达式克劳修斯积分不等式可逆循环：克劳修斯积分不等式=0可逆循环<0不可逆循环>0循环不可能热力学第二定律的数学表达式之一不可逆循环：热力学第二定律的数学表达式熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度克劳修斯不等式可逆时熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小熵的物理意义比熵热力学第二定律的数学表达式不可逆过程

S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可逆>不可逆热力学第二定律的数学表达式S与传热量的关系=可逆>不可逆<不可能热二律表达式之二对于循环克劳修斯不等式除了传热，还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增针对过程δQ=0dS>0课程介绍状态参数熵及孤立系统的熵增孤立系统的熵增原理熵流和熵产对于任意微元过程有：=：可逆过程>：不可逆过程定义熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：永远孤立系统的熵增原理熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求ΔS≥

0

<

0ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSg

=

0ΔS=ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSf

=

0ΔS>

0ΔS=

0ΔSf

=

0ΔSg

=

0孤立系统的熵增原理熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用?1234任何过程Ts孤立系统的熵增原理熵变的计算方法非理想气体：查图表固体和液体：通常常数例：水熵变与过程无关，假定可逆：cp

=cv=cc=4.1868kJ/(kg.K)孤立系统的熵增原理熵变的计算方法假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变热源（蓄热器）：与外界交换热量，

T几乎不变孤立系统的熵增原理熵变的计算方法功源（蓄功器）：与只外界交换功功源的熵变理想弹簧无耗散孤立系统的熵增原理孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统熵增原理。无热量交换无功量交换=：可逆过程>：不可逆过程热二律表达式之一孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（1）传热方向(T1>T2)QT2T1用克劳修斯不等式

用用用没有循环不好用不知道孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（1）取热源T1和T2为孤立系当T1>T2可自发传热当T1<T2不能传热当T1=T2可逆传热QT2T1孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（2）两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T1RWQ1孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（3）T1T2RQ1Q2W假定Q1=Q1’

，

tIR<

tR，W’<W

IRW’Q1’Q2’两恒温热源间工作的不可逆热机∵可逆时Q孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（4）功

热是不可逆过程T1W功源单热源取热

功是不可能的孤立系统的熵增原理孤立系熵增原理举例（5）Q2T2T0WQ1功源冰箱制冷过程若想必须加入功W,使孤立系统的熵增原理作功能力损失可逆作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功热量的有效能：热量的无效能：孤立系统的熵增原理作功能力损失QTBTA对孤立系：考虑恒温的高温物体A和低温物体B之间的传热，对两热源有：传热的不可逆导致作功能力损失，称为火用损失I：

第3章理想气体的性质及热力过程课程介绍气体的比热容气体的比热容计算热力学能,焓,热量都要用到比热容定义:比热容单位物量的物质升高1K或1℃所需的热量

比热容c:质量比热容

Cm:摩尔比热容C’:容积比热容Cm=M·c=V0C’气体的比热容3.1定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设

定容气体的比热容3.1定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设

定压气体的比热容3.1cv和cp的说明1、

cv和

cp

，过程已定,可当作状态量。2、前面的推导没有用到理想气体性质。3、

h、u、s的计算要用cv

和cp

。适用于任何气体。cv物理意义：

v时1kg工质升高1K热力学能的增量cp物理意义：

p时1kg工质升高1K焓的增量气体的比热容3.1常见工质的cv和cp的数值0℃时：cv,air=

0.716kJ/kg.Kcp,air=

1.004

kJ/kg.Kcv,O2=

0.655kJ/kg.Kcp,O2=

0.915

kJ/kg.K1000℃时：cv,air=

0.804kJ/kg.Kcp,air=

1.091

kJ/kg.Kcv,O2=

0.775kJ/kg.Kcp,O2=

1.035

kJ/kg.K25℃时：cv,H2O=

cp,H2O=

4.1868

kJ/kg.K气体的比热容3.1一般工质:

理想气体：迈耶公式理想气体的比热容令比热容比气体的比热容3.11、按定比热

2、按真实比热计算3、按平均比热法计算理想气体比热容的计算方法：气体的比热容3.1分子运动论1、按定比热计算理想气体比热容运动自由度单原子双原子多原子Cv,m[kJ/kmol.K]Cp,m[kJ/kmol.K]γ1.671.41.29气体的比热容3.12、按真实比热计算理想气体比热容根据实验结果整理

理想气体气体的比热容3.13、按平均比热计算理想气体比热容t

t2

t1

c(cp,cv)

c=f(t)

气体的比热容3.1课程介绍理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵3.21、按定比热

2、按真实比热计算理想气体u、h和s的计算3、按平均比热法计算理想气体热容的计算方法：h、u

、s的计算要用cv和cp1.

2.

cv为真实比热3.

cv为平均比热理想气体

u的计算4.

若为空气，直接查空气的热力性质表

理想气体，任何过程T1u1T2u212理想气体的热力学能、焓和熵3.2理想气体，任何过程1.

2.

cp为真实比热3.

cp为平均比热理想气体

h的计算4.

若为空气，直接查空气的热力性质表理想气体的热力学能、焓和熵3.2定比热容理想气体

s的计算理想气体，任何过程理想气体的热力学能、焓和熵3.2课程介绍理想气体的基本热力过程4-1理想气体的热力过程一、计算依据（1）理想气体（比热容为常数）（1）（2）（3）理想气体的基本热力过程3.3（2）热力学第一定律（3）可逆过程理想气体的基本热力过程3.3二、四个基本热力过程（1）过程方程式（2）初、终态参数间的关系1、定容过程理想气体的基本热力过程3.3(3)膨胀功、技术功和热量4-1理想气体的热力过程理想气体的基本热力过程3.3(4)在p-v、T-s图上表示由垂直于v坐标的直线定容线为一条斜率为正的指数曲线1-2为定容加热过程，气体升温升压；2-1为定容放热过程，气体降温降压。4-1理想气体的热力过程理想气体的基本热力过程3.34-1理想气体的基本热力过程2、定压过程(1)过程方程(2)初、终态参数间的关系4-1理想气体的热力过程理想气体的基本热力过程3.3(3)膨胀功、技术功和热量理想气体的基本热力过程3.34-1理想气体的基本热力过程在T-S图上定压线较定容线平坦。平行于v坐标的直线定压线为一条斜率为正的指数曲线1-2为定压加热过程，气体升温膨胀；2-1为定压放热过程，气体降温压缩。(4)在p-v、T-s图上表示理想气体的基本热力过程3.34-1理想气体的基本热力过程3、定温过程(1)过程方程(2)初、终态参数间的关系理想气体的基本热力过程3.34-1理想气体的基本热力过程(3)膨胀功、技术功和热量理想气体的基本热力过程3.34-1理想气体的基本热力过程(4)在p-v、T-s图上表示1-2为定温加热过程，气体定温吸热膨胀；2-1为定温放热过程，气体定温放热压缩定温线为一条平行于S轴的平行直线。定温线为一条等边双曲线由理想气体的基本热力过程3.34、绝热过程绝热过程+可逆过程=定熵过程（1）过程方程理想气体比热比γ等于定熵过程指数，定熵指数通常以k表示。4-1理想气体的基本热力过程4-1理想气体的热力过程理想气体的基本热力过程3.3（2）初、终态参数间的关系4-1理想气体的基本热力过程理想气体的基本热力过程3.3（3）膨胀功、技术功和热量理想气体的基本热力过程3.3（3）膨胀功、技术功和热量4-1理想气体的热力过程理想气体的基本热力过程3.3在p-v图上定温线较定熵线平坦1-2为定熵膨胀过程，气体降压降温；2-1为定熵压缩过程，气体升压升温。（4）在p-v、T-s图上表示4-1理想气体的热力过程定熵线为一条不等边双曲线定熵线为一条垂直于S轴的直线。理想气体的基本热力过程3.3课程介绍理想气体的多变过程一、过程方程4-1理想气体的多变过程式中，n为多变指数，-∞<n<+∞。

前述的四种过程均为多变过程的一个特例：

n=0时，pv0=p=常数，定压过程；

n=1时，pv=常数，定温过程；

n=k时，pvk=常数，绝热过程；

n=∞时，p1/nv=p0v=v=常数，定容过程。理想气体的多变过程3.42、初、终态参数间的关系理想气体的多变过程理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.43、膨胀功、技术功和热量多变过程，因此有即多变过程的轴功等于容积膨胀功的n倍，由此可得理想气体的多变过程3.4按比热容与热量之间的关系，上式可写为多变比热容为4-1理想气体的热力过程理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.4

三、多变过程4、在p-v、T-s图上表示pOvn=±∞n=0n=1n=κ多变过程p-v图TOsn=±∞n=1n=0n=κ多变过程T-s图4-1理想气体的热力过程规律：①n值顺时针方向增大。②dv>0,功量为正。

③ds>0,热量为正。

④dT>0→du>0，dh>0。理想气体的多变过程3.4

在p-v图上确定T增大，在T-

s图上确定v增大方向利用特殊过程的特性利用过程的能量关系理想气体的多变过程3.44-1理想气体的热力过程pOvn=±∞n=0n=1n=κT↑s↑TOsn=±∞n=1n=0n=κp↑v↑向等温线右上方进行的过程，T↑；向等熵线右上方进行的过程，s↑；向等压线左上方进行的过程，向等容线右下方进行的过程，V↑p↑p-v图上T-s图上理想气体的多变过程3.4将满足下列要求的理想气体多变过程表示在p-v图和T-s图上：（1）气体进行n=0.8的多变膨胀过程，并指出其过程是吸热还是放热，以及热力学能是增加还是减少；（2）气体升温、升压又放热，并指出其多变指数的范围。pOvn=±∞n=0n=1n=κ多变过程p-v图TOsn=±∞n=1n=0n=κ多变过程T-s图理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.44-1理想气体的热力过程将满足下列要求的理想气体多变过程表示在p-v图和T-s图上：（2）气体升温、升压又放热，并指出其多变指数的范围。pOvn=±∞n=0n=1n=κ多变过程p-v图TOsn=±∞n=1n=0n=κ多变过程T-s图理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.4由pvn=常数可得lnp+nlnv=常数在lnp-lnv的坐标图上，多变过程可表示为一条直线。5、

过程特性的分析及多变指数的确定lnpOlnv12345理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.4氮气为双原子气体，取定值比热容，k=1.4，又可逆压缩。TO结果如图的1→2所示。sn=±∞n=1n=0n=κ21pOvn=±∞n=0n=1n=κ21理想气体的多变过程理想气体的多变过程3.4压气机的压气过程一、基本概念1、压气机定义：用来压缩空气或其他气体的设备。2、分类：鼓风机：气体出口表压力0.1~0.3MPa按产生压缩气体压力大小可分为通风机：气体出口表压力0.01MPa以下压气机：气体出口表压力超过0.3MPa4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.52、分类：按原理和构造可分为活塞式压气机叶轮式压气机4-2压气机的热力过程（a）活塞式（b）叶轮式压气机的压气过程3.5二、单级活塞式压气机的工作原理pOVV1V2dVp1p2dp3214下止点上止点AB1、工作原理吸气过程：进气阀门B打开，活塞由上止点→下止点，气体在压力p1下进入气缸，过程4→1。压缩过程：活塞由下止点→上止点，A、B阀门处在关闭状态气体被压缩，压力增强，过程1→2。排气过程：当气体压强p1→p2，排气阀门A打开，活塞继续移动将压力p2气体排出气缸，过程2→3。4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.52、压气过程分析4-2压气机的热力过程压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机所消耗的功Wc应以技术功计。

工程中的压缩过程，可抽象为绝热压缩1—2S、定温压缩1—2T和多变压缩1—2n。Wc多变指数1<n<κ压气机的压气过程3.5（2）绝热压缩3、理论压缩消耗功（1）等温压缩压气机的压气过程3.5（3）多变压缩压气机的压气过程3.5188不同压缩过程的分析理想压缩是等温压缩

通常为多变压缩,1<n<κ，尽量使n→1。压气机的压气过程3.54-1理想气体的热力过程例3-6

有一台活塞式空气压缩机，其气缸有水套冷却。若把空气由0.1MPa、37℃的状态压缩到0.4MPa，压缩过程的多变指数为1.25。设压缩过程为可逆过程，试求压缩机消耗的功及冷却水带走的热量，并与具有相同初始状态、终了压力的可逆绝热压缩及可逆定温压缩的压气过程相比较。解：（1）查得空气的气体常数Rg=0.2871kJ/(kg·K)，压气机的轴功为压气机的压气过程3.54-1理想气体的热力过程当压缩过程为定温过程时，压气机的轴功为由计算过程知，采用冷却时压气机消耗的功可减少许多，尤其是定温压缩，可比绝热压缩时少耗功20%以上。当压缩过程为定熵过程时，压气机的轴功为当压缩过程为多变过程时，压气机的压气过程3.54-1理想气体的热力过程（2）空气的比热容cV=0.716kJ/(kg·K)，多变过程中冷却水带走的热量为当压缩过程为定温过程时，空气放出的热量等于空气消耗的压缩功，即定温压缩时冷却水需带走的热量要达到多变压缩时的4倍多，但实际上很难在气缸中实现如此大的冷却量。压气机的压气过程3.54、余隙容积（1）定义：活塞处于上止点时，活塞顶面与缸盖之间留有的空隙如图V3OVV1214V1-V3V3653V1-V4V4p4-2压气机的热力过程工作容积：有效进气容积：最大容积：余隙容积：压气机的压气过程3.5结论压力比一定时，容积效率随余隙容积增大而下降。当余隙容积比及多变指数一定时，压力比越大，容积效率越小。4-2压气机的热力过程（2）容积效率ηV：指的是有效吸气容积与活塞排量Vh之比。

余隙容积比压气机的压气过程3.5例3-7有一台活塞式空气压缩机，进气压力为0.097MPa，温度为20℃，经多变压缩后压力为0.55MPa。若压缩过程的多变指数为1.3，余隙比为0.05，试求压气机的容积效率。又若压缩终了压力提高到1.552MPa，问此时容积效率为多少？解：按容积效率效率公式(1)当p2=0.55MPa时计算表明，提高压缩终了压力时容积效率降低很快。(2)当p2=1.552MPa时4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.5（3）余隙容积V3对压气机理论耗功的影响假定1—2、3—4的多变指数均等于n则理论耗功Wc为p1=p4p3=p2称为有效吸气容积，即实际吸入的气体体积式中4-2压气机的热力程压气机的压气过程3.5若吸入气体压力为p1，温度为T1，则实际吸气的质量服从将其代入上式或结论上式与无余隙容积对生产1kg压缩气体理论耗功相同。但有余隙容积时，会使每次进气量减小，气缸容积不能充分利用；且实际存在不可逆损失，压气机耗功增加。4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.5三、多级压缩及级间冷却1、多级压缩机工作原理（以两级为例）进气口低压气缸冷却器高压气缸，压缩到压力p3压力由p1升高至p2体积减小，温度为进气温度P2、T1气体P1、T1气体4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.5三、多级压缩及级间冷却进气口低压气缸冷却器高压气缸，压缩到压力p3压力由p1升高至p2体积减小，温度为进气温度P2、T1气体P1、T1气体4-2压气机的热力过程pOV12345p1p2p3V2pV=常数两级压缩、中间冷却示功图压气机的压气过程3.52、最佳级间压力的确定pOV12345p1p2p3V2pV=常数两级压缩、中间冷却示功图各级间压力按使压气机耗总功最小的原则确定，以二级压气机为例二级压气机消耗总功Wc,l—低压气缸所消耗的功Wc,h—高压气缸所消耗的功4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.5为求Wc最小可时中间压力p2令dWc/dp2=0即故当两缸压力比相等时，两级压缩所需的总功最小4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.5结论通过类似上述方法可推得，对于多级压气机，各级压力比相等时压气机所消耗的总功最少Z级压缩各级压力比πi应相等根据上述原则选择中间压力，还可知各级气缸排气温度相等即每个气缸的温度条件相同；各级所消耗的功相等则总功Wc=ZWc,i；每级向外散出的热量相等，即各级中间冷却器热负荷相等。4-2压气机的热力过程压气机的压气过程3.53、p-V图和T-s图4-2压气机的热力过程pOV12345p1p2p3V2pV=常数2p3TS0p1p213三、多级压缩及级间冷却压气机的压气过程3.54-1理想气体的热力过程解：压气机耗功最小时各级压力比相等，且为例空气初态p1=0.097MPa，t1=20℃，经两级压缩，压力达到1.552MPa。多变指数为1.3，余隙比为0.05。求（1）容积效率；（2）压气机消耗的轴功是多少？（1）容积效率比单级压气机容积效率（0.628）要高压气机的压气过程3.54-1理想气体的热力过程（2）各级耗功相等，压气机耗功压气机的压气过程3.54-2压气机的热力过程四、压气机的效率定温效率绝热效率压气机的实际压缩过程是有损失的，可用效率来修正。压气机的压气过程3.5

第4章水蒸气性质和热力过程实际气体状态变化的特点

一些热能动力装置中的工质经常为离液态不远的蒸气，某些情况下还发生相变转变成液体，这类不能作为理想气体处理的工质统称实际气体。

虽然各种实际气体的性质都不相同，但是它们的热力性质所遵循的基本规律是相同的。

实际气体状态变化的规律及其计算方法与理想气体有很大的差别。

4-1实际气体（1）分子不占有体积（2）分子之间没有作用力实际气体状态的近似计算

实际气体理想气体两个假定：为反映实际气体与理想气体的偏离程度定义压缩因子4-1实际气体压缩因子的物理意义

相同T,

p下理想气体比容表明实际气体难于压缩Z反映实际气体压缩性的大小，压缩因子表明实际气体易于压缩4-1实际气体压缩性大小的原因

(1)分子占有容积，自由空间减少，不利于压缩(2)分子间有吸引力，易于压缩压缩性大关键看何为主要因素压缩性小pZH2CO2idealgas取决于气体种类和状态1O24-1实际气体范围广，精度差范围窄，精度高范德瓦耳斯状态方程提出最早，影响最大，范德瓦耳斯状态方程几百种状态方程1873年提出，从理想气体假设的修正出发4-1实际气体（1）分子本身有体积，自由空间减小，同温下增加碰撞壁面的机会，压力上升理想气体：（2）分子间有吸引力，减少对壁面的压力吸引力范德瓦耳斯状态方程范德瓦耳斯状态方程4-1实际气体对比状态方程式

能不能找到一个普遍化的通用的状态方程，虽不太准，但能估算。上述经验性状态方程，不同物质的a和b不同，没有通用性。相似原理a和b的拟合需要足够的实验数据。角相似，形状相似4-1实际气体普遍化状态方程

发现各物质物性曲线相似临界点C，均有取对比参数用建立方程，有可能得到普遍化方程4-1实际气体对比态原理不同物质，p,T相同，v不同可以满足同一个若两个对比参数相等，另一个必相等

对比态原理

对比态方程满足同一个对比态方程，称为热力学相似的物质。4-1实际气体对比态原理

另一形式的对比态方程取ZC为某常数大多数物质ZC=0.23～0.314-1实际气体4-1实际气体处于饱和状态的液体：t=ts

饱和液处于饱和状态的蒸汽：t=ts干饱和蒸汽温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts未饱和液温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts过热蒸汽饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts湿饱和蒸汽ptr称为三相点压力。与之对应的饱和温度称为三相点温度ttr。当p<ptr时，只存在气相或固相。水的三相点温度和压力值定义：固、液、汽三相共存的状态CD线表示了汽化过程中饱和压力和饱和温度关系，AD线表示了升华过程、BD线表示了熔化过程中的对应关系。饱和压力和饱和温度关系见水蒸气的p-T图。当t>tc时，只能存在气相。故tc称为临界温度。与之对应的饱和压力pc称为临界压力pT液气固水的相(p-T)图TcpcOCADBTtrptr流体3、三相点4-1实际气体活塞式汽缸中水蒸气的定压产生过程。分析假设：气缸中装有1kg的水，初温为0.01ºC水面上有一个可以移动的活塞，施加一定的压力p（不同实验序号下维持恒定压力），比体积为v0在容器底部对水加热。水蒸气定压产生过程4-2水蒸气的定压产生过程

v0

p过热阶段水蒸汽的定压产生过程汽化阶段预热阶段未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽一、水蒸汽的定压产生过程

v'

p

p

v''

p

vt<tst>tst=tst=ts

v0

pt=ts

p

vx4-2水蒸气的定压产生过程povabxdev0TTTsOsabxders蒸汽的形成过程的p-v图及T-S图（1）水的预热阶段：如图中a-b所示，状态及状态参数未饱和水饱和水加热4-2水蒸气的定压产生过程在第一阶段中每千克水所吸收的热量称为液体热。以表示（2）饱和水的汽化阶段如图中b-d段所示，状态及状态参数干饱和蒸汽饱和水湿(饱和)蒸汽压力为p时饱和水的焓压力为p时，温度为t℃水的焓TTTsOsabxders4-2水蒸气的定压产生过程干饱和蒸汽的焓干度：指的是1kg湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数，用字母x表示湿度：指的是1kg湿蒸汽中所包含饱和水的质量百分比，用字母y表示—湿蒸汽中所含干蒸汽的质量—湿蒸汽的质量mvmW饱和水的x=0;干饱和蒸汽的x=1在一定温度下1kg饱和液体全部转变为同温度的饱和蒸汽所吸收的热量称为汽化潜热或简称汽化热，用符号γ表示，单位kJ/kg。4-2水蒸气的定压产生过程（3）过热阶段，如图中d-e所示，状态及状态参数过热蒸汽干饱和蒸汽（t-ts）称为过热度，表示过热蒸汽温度超过该压力下饱和温度的程度。h—压力为p时过热蒸汽的焓TTTsOsabxders在阶段吸热量称为过热热量，用qsup表示4-2水蒸气的定压产生过程（1）水的定压预热阶段液体热（2）饱和水的定压汽化过程汽化潜热（3）水蒸汽的定压过热过程过热热量1kg水从a状态被加热到e状态所吸收的热量TTTsOsabdesr二、水蒸汽定压生成过程中热量的计算4-2水蒸气的定压产生过程3、水蒸汽的p-v图和T-s图povcabdeTOsc4-2水蒸气的定压产生过程由上图可总结为临界点C饱和水线（下界线）、干饱和蒸汽线（上界线）未饱和水区（下界线左侧）、湿蒸汽区（饱和曲线内）、过热蒸汽区（上界线右侧）

未饱和水状态、饱和水状态、湿蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态

2线3区5态1点TOsc4-2水蒸气的定压产生过程临界点c:上、下界线的交点。（1）水、汽差别消失，汽化在瞬间完成，汽化热为零；（2）在临界温度以上，单纯增压不能使其液化（即tc是最高的饱和温度）；（3）在临界压力及以上加热时，当达到临界温度时汽化在瞬间完成（即水的定压加热过程只有两个阶段）水蒸气的临界参数为：临界压力临界温度临界比容是否有400ºC的水？povcabde4-2水蒸气的定压产生过程二、水蒸气的焓熵图hosX=0aCdX=1x1x2定压线定温线a-c线为饱和水线c-d线为干饱和蒸汽线a-c-d线下面为湿蒸汽区c-d线的上方为过热蒸汽区4-2水蒸气的定压产生过程hosX=0aCdX=1x1x2定压线定温线（1）定干度线（2）定压线湿蒸汽区，T=Ts，直线过热蒸汽区，斜率随T增大而增大（3）定温线（4）定容线4-2水蒸气的定压产生过程例利用水蒸气表，确定t=100℃，h=2200kJ/kg的状态和s。解：当t=100℃时，由饱和水与干饱和蒸汽表查得h′=419.06kJ/kg，h″=2675.71kJ/kg，因为h′<h<h″，故该状态为湿蒸气，根据干度的计算有则s=xs″+（1-x）s′=0.789×7.3545+(1-0.789)×1.3069=6.08kJ/(kg•k)查饱和水与干饱和蒸汽表得s′=1.3069kJ/(kg•k)，s″=7.3545kJ/(kg•k)4-3水蒸气热力性质图表

水蒸气的基本热力过程：

求解任务：

求解方法：

4-2压气机的热力过程4-4水蒸气的热力过程一、概述定容，定压，定温和绝热过程，以定压和绝热过程最常见（1）确定初，终态的参数；（2）确定过程中的热量和功量。查表，图，根据专用方程用计算机计算求解依据：

4-4水蒸气的热力过程热力学第一定律及从它们推得的一般关系式，可逆过程。二、水蒸气热力过程计算x=1x22Vt11sOh水蒸气定容过程1、水蒸气定容过程4-4水蒸气的热力过程二、热力过程计算x=1x22pt11sOh水蒸气定压过程2、水蒸气定压过程4-4水蒸气的热力过程二、热力过程计算x=1x22Tt11sOh水蒸气定温过程3、水蒸气定温过程4-4水蒸气的热力过程二、热力过程计算4、水蒸气定熵过程4-3水蒸气的热力过程x=1t11sOhp1p2t22s水蒸气绝热过程4-