工程热力学袁隆基

1、工程热力学,机电学院动力系 袁隆基,绪 论,第一节 热力学发展概况 第二节 工程热力学内容及特点 第三节 能量转换装置工作过程简介 第四节 工程热力学的发展现状与趋势 第五节 工程热力学的学习方法,0 . 1 热力学发展概况,研究能量属性及其转换规律以及物质热力性质及其变化规律的科学，研究的目的是为了掌握和应用这些规律，充分地合理地利用能量。,0 . 1 . 1 热力学定义,一种理论，其前提愈简单，能说明各种类型的问题愈多，其适应范围愈广泛，那么它给人的印象就愈深刻。因此，经典热力学给我留下了深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信，在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推翻

2、的。 Einstein,0 . 1 . 2 热力学定义 热力学与其他学科的关系,热力学是传热学和燃烧学的目的与基础,0 . 1 . 3 热力学划分,一、经典热力学,二、统计热力学,热物理学的宏观理论，把物质看作连续体，从对热现象的大量直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。,热物理学的微观描述方法，从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法和量子力学的有关结论，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系。（ 说明宏观物理量的微观机

3、理，恰好弥补了经典热力学的不足，使热力学理论具有更深刻的意义。） 。,两者关系： 二者关系即密切又相互独立，相辅相成、殊途同归。两种方法用于同一个系统，应得出相同结论。,0 . 1 . 4 热力学的发展阶段,平衡态热力学的发展 古典热力学 线性非平衡态热力学的发展 20世纪30年代后发展起来，也称作不可逆过程热力学。 非线性非平衡态热力学的发展 也称“耗散结构理论”，是1960到1970年间，普里高津领导布鲁塞尔学派提出与发展起来的。,0 . 2 工程热力学内容及特点,0 . 2 . 1 工程热力学定义,将经典热力学理论与工程实际应用相结合的应用基础学科。,0 . 2 . 2 任务,研究工程中

4、能量转换的基本规律以及能量转换与工质（工作物质）性质之间的关系。,0 . 2 . 3 内容 基本概念 基本定律 工质性质 工程应用,热与功转换,数量上的关系及热功转换中的代价 热与功转换过程对热与功 转换数量的影响 不同工质对热与功转换数量的影响,0 . 2 . 5 特点,宏观性 相对静止性 分散性,0 . 2 . 4 研究的主要问题,0-3 能量转换装置工作过程简介 一、蒸汽动力装置,二、内燃机 进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气 缸。 压缩过程 ：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和 压力 得以升高。 燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高 （燃

5、料的化学能转换为热能）。 膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。 排气过程 ：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气 流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。,三、燃气轮机装置 压气机 从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。 燃烧室 空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。 涡轮机 高温高压的燃气推导涡轮机叶轮旋转对外输出机械功。 工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将 热能转换为机械能的任务。,四、蒸汽压缩制冷装置 压气机 吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩 ( 耗功 ) 产生高温高压

6、的蒸汽。 冷凝器 使气体冷凝，得到常温高压的液体。 节流阀 使液体降压，产生低压低温的液体。 蒸发器 工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷 库降温。,0 . 4 工程热力学的发展现状与趋势,一、 生产的发展扩大了工程热力学的应用和研究的范围,各种型式工业炉 材料工程 低温工程 环境工程 气体压缩系统 制冷空调与供暖系统 气体液化与分离系统 新能源利用 能量直接转换系统 余热利用方面的研究,二、 生产的发展扩大了工程热力学的应用和研究的范围 工程研究推动了自身理论的发展 “火用”分析方法、热经济学、有限时间热力学分析方法、变质量系统理论 应用新的热力学理论于工程实际 早期理论建立在可逆过

7、程假设基础上现代技术发展使某些工程问题明显偏离这种理想化的假设条件实际工程技术中多种不可逆因素同时存在的复杂过程近期工程热力学逐步引入统计热力学的理论,三、 工程热力学近期发展趋势,循环研究方面 “火用”分析和热经济学理论与应用研究 有限时间热力学方面 能量直接转换、半导体制冷、半导体热泵、余热利用与节能技术 非平衡态热力学方面,0 . 5 工程热力学的学习方法,抓住主线 理论联系实际 重视基本技能训练 分析计算能力、实验技能 认真完成作业 参考书籍 工程热力学庞麓鸣 高教出版社 工程热力学精要分析及典型题精解何雅玲 西安交大出版社,第一章 热力学基本概念和基础,第一节 热力学基本概念 第二节

8、 状态 平衡状态 第三节 热力状态参数 第四节 状态方程状态参数坐标图 第五节 功和热量,第一节 热力学基本概念 一、热力系 定义：热力学中将所要研究的某空间的所有的物质人为地分离出来，这种研究对象称为热力系。 热力系以外与其有关的物体统称为外界或环境，其分界面称为边界。 注：边界可大可小，可实可虚，可固定、可变形,封闭热力系 只与外界有能量交换而无物质交换,又称之为闭口系 开口热力系 与外界既有能量交换又有物质交换,称之为开口热力系 .孤立系 与外界既无能量交换又无物质交换,称之为孤立系,二、热力系的分类,1、按热力系与外界的关系：,2、按热力系内部状况,单相系 多相系 单质系 混合系,第二

9、节 状态 一、定义 1、状态：热力系全部宏观性质的集合叫状态。 2、状态参数：从各个不同方面描写宏观状态的物理量。 二、平衡状态与非平衡状态 1、平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。 2、非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。 三、平衡状态的判据 1、力平衡 2、热平衡 3、相平衡 4、化学平衡,第三节 热力状态参数 一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。 二、特点 1、与状态一一对应，完全取决于状态。 2、状态变化时，状态参数只取决于始、终两态，与变化路径无关。 三、分类 1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度、比焓h、比熵s、比容、比内能u 2、广延参

10、数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S,四、常用状态参数 （一）压力 1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即 该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。 微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的总效果。 2、单位： 1Pa=1N/m2 1kPa=1000 Pa，1MPa=1106 Pa，1bar= 1105 Pa 1mmH2O=9.806Pa，1mmHg=133.3Pa 标准大气压1atm=760mmHg=1.013 105 Pa 工程大气压1at=1kgf/cm2= 104mmH2O=9.806104 Pa,3、表压力与真空度 实际中工程测量压力的仪表都处于大

11、气环境中，所测得的压力是绝对压力与大气压力之差。 当工质绝对压力大于大气压力时，压力计测出的压力叫表压力。 当工质绝对压力小于大气压力时，压力计测出的压力叫真空度。,（二）比容 单位质量的物质所占的体积。,（三）温度 1、定义：温度是物系间达到热平衡的判据习惯上：物体冷热程度的度量。 热力学第零定律：若两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平衡，那么它们彼此也处于热平衡。 即相互平衡的热力系具有一共同特性，标示这特性的量就是“温度”,2. 温标：指温度的标度或温度的定量表示法。 热力学温标（单位：开尔文，符号K），摄氏温标，华氏温标F 热力学温度T不依赖于测温物质的性质。选用热力学温度，以水

12、的三相点为基准点，并规定它的温度为273.16k，即每单位开尔文等于水三相点的1/273.16。 新的摄氏温度按以下式确定：t=T-273.15,摄氏温标：零点取水冰点 水冰点，水沸点 分度100，单位 开氏温标：零点取绝对零点 水冰点，水沸点 分度100，单位K,（四）内能U 指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量。（不包括热力系宏观运动的能量和外部场作用的能量） 单位质量物质的内能叫比内能，简称内能。,（五）焓1、定义: 2、焓的物理意义：表示1kg工质流入或流出系统所携带的能量 。 u 1kg工质的热力学内能 pv 1kg 工质的推动功 3、从数学上讲: 焓是复合函数 4、我们关心

13、h,（六）熵,第四节 状态方程状态参数坐标图,一、状态方程,足够的状态参数参就能确定一个状态,而一旦状态确定 ,应该状态 的所有状参也就确定了。,热力学的研究结果告诉我们 , 对于可压缩纯物质只要两个状参就足够了。,那么从数学上就应有: v=f (p ,t ) u=f (p ,t ) h=f (p ,t ) s=f (p ,t ) (设已知状参为p,t),以上这一系列方程都可称为状态方程,但在不作说明的情况下它通常指p,v ,T组成的方程.。,二、 状态参数坐标图,两个状态参数可确定一个状态,那么就可以画一些二维坐标图,其横纵坐标分别对应一个状态参数,其上点即为状态点。,注:对非平衡态由于其各

14、部分状参不尽相同,故无法绘在状参坐标图上。,1-5 热力过程和准静态过程 一、基本概念 1、过程 热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合。 2、非准静态过程 系统经历一系列不平衡状态的过程。 3、准静态过程 系统经历一系列无限接近平衡状态过程。 准静态过程进行的条件：推动过程的作用无限小。,实际过程是否可以作为准静态过程来处理？这取决于所谓弛豫时间。 弛豫时间 气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。 大部分实际过程可以近似地当做准静态过程。因为气体分子热运动的平均 速度可达每秒数百米以上，气体压力传播的速度也达每秒数百米，因而在一般 工程设备具有的有限空间中，气体的平衡状态

15、被破坏后恢复平衡所需的时间， 即所谓弛豫时间非常短。 例如，内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，与其中的气体分子热运动的 平均速度相比相差一个数量级，因此，当机器工作时气体工质内部能及时地不 断建立平衡状态，而工质的变化过程很接近准静态过程 。,二、可逆过程 1、可逆过程：一过程进行完以后，如能使热力系沿相同的路径回复原态，且外界也回复原态而不留下任何变化，此过程成为可逆过程。 2、可逆过程与准静态过程 准静态过程：热力系只需要内部平衡 可逆过程：热力系内部、外部都需要平衡,第五节 功和热量,一、功 1.定义：热力系与外界进行的有序 能交换量，用W表示 （或：热力系与外界发生的相互作用，其唯一效

16、果可以归结为为外界举起重物。） 2.功的计算式 物理上为: W=F.S 若系统内外力平衡,所以当可逆时有: dw=pdv 并且：dv0时 w为正 dv0时 w为负 即 热力系对外作功时W为正值，反之为负 3.p-v图,二、热 1.定义：热力系与外界进行的无序能交换量，用Q表示，规定 热力系从外界吸热时为正。 2.热量的表达式 考虑： dw=pdv 式中：p为压差是作功的驱动力 dv表示热力系是否作功 对于热量Q： 热传递的驱动力是： 温度T 若dx表示热力系是否作功，应有 dQ=Tdx,dx为商的形式，故称之为熵 用字母S表示 那么：dQ=TdS 条件：可逆,3.温熵图,第六节 热力循环 一、

17、热力循环 1、热力循环（循环）：封闭的热力过程。系统由初始状态出发，经过一系列中间状态回到初始状态。 循环的净功量： 循环的净热量：,第二章 热力学第一定律 2-1 热力学第一定律 一.能量的守衡与转化定律 定义：能量既不能创造也不能被消灭。只能由一种形式向另一种形式转化。在转换中，能的总量不变。 二.热力学第一定律 1.内容：当热能与其它形式的能量相互转化时，能的总量保持不变。 （在热力系中，消耗等量的热必产生等量的功。反之消耗等量的功必产生等量的热。） 2.实质： 能量的守衡与转化定律在热力学中的运用。 3.数学表达式 Q = W,关于永动机问题的思考 各种永动机问题长期困扰着科技界与社会

18、。第一类永动机不消耗能量而能对外连续作功的机器。 第二类永动机从单一热源取热，并将其全部转变机械功的机器（或：热 效率等于 100% 的机器）有关问题在第四章中将详细讨论。 长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一有所收获。,三.热力学第一定律的解析式 1.Q=W 的不足 (1) 只表明热力学第一定律的数学意义，但未考虑热力系的能量变化，无法应用于工程计算。 (2) 只体现了Q，W 之间的量的关系，还不能区分二者之间质的不同。 2.热力学第一定律的解析式 若考虑热力系的能量变化，则有： 输入热力系的能 - 输出热力系的能 = 热力系内部储存能的变化量,第二节 热力系的储存能 一、从宏

19、观上看： 宏观能（外部能） 动能： 势能：Ep = mgz 二、从微观上看： 微观能（内部能）对于热力系的内部能，热力学上称之为内能，用u表示，它包括： 微观动能：由分子热运动之和构成，由温度T来反映 微观势能：由分子间相互吸引引起，由比容 v来反映 所以：u = f(T,v),三、系统的总储存能（总能） 总能 ： E=U+Ek+Ep 单位化： e = u + ek + ep 系统总能变化量可以写为：,2-2 闭口系统能量方程式 一、解析式建立的步骤 1.确定热力系 2.确定进出热力系的能量形式 3.建立方程 二、解析式的建立 1.确定热力系,2.进出热力系能量 进： Qin , Win 出：

20、 Qout , Wout 3.建立方程 (Qin Win) - (Qout Wout) = E 整理有： (Qin - Qout) + (Win - Wout) = E 考虑w的正负号 (Qin - Qout) - (Wout - Win) =E Q - W = E Q = E + W 忽略宏观动能与势能 Q = U + W,三. 分析 1.热变功的实质： 利用工质膨胀,功的源泉是热 2.Q = E + W 的变形式 微分式 dQ = dE + dW dQ = dU + dW 单位化 dq = de + dw dq = du + dw 若可逆: dQ = dE + PdV dQ = dU +

21、PdV,单位化 dq = de + pdv dq = du + pdv 循环 dq = du + dw dq = du + dw 因 du = 0 所以： dq = dw 若 dq = 0 则 dw = 0 即不输入热也得不到功，说明第一类永动机造不成,定压 dQ = dU + d(pV) 孤立系 dE = 0,2-3 开口系能量方程 一、开口系能量传递的特点 1.两种新型的能量传递 伴随传质带进（出）热力系能量 计算： E= me = m(u + c2/2 + gz) 其中流入流出的质量m应满足 msys = min - mout 流动功（推挤功） 要维持流动，系统入口处物质要推挤系统内物质

22、作功，同理出口处物质要推挤外界物质而作功,dWf = pAdX = pdV = pvdml 单位化 对于系统 wf = p2v2 - p1v1 2.开口系对外界的功 开口系与外界只以轴功的形式交换功, 轴功定义为 ws 3.焓 伴随传质应有两种形式的能量同时交换，即 E + pV 忽略宏观动能与势能为： U + pV 热力学上定义： 焓：H = U + pV h = u + pv,二、开口系能量方程的表达式 1.划定系统 2.确定d内能量的输入输出情况 进入： dQ ， e1dm1 ， p1v1dm1 流出：dWs， e2dm2，p2v2dm2,3.列方程,引入焓的概念整理得：,两边同除d,其

23、中：,若 dm1 = dm2= 0 为闭口系，有： dQ = dE + dws 若进出流体不止一股，则：,三、稳定流动能量方程 1.稳定流动的条件 热力系内工质质量不变, 热力系内储存能量不变,2.稳定流动方程的导出 对于式：,考虑前述条件：,这样(3)式可化简为 q = wt + h,四、稳定流动能量方程的分析 1.稳定流动方程与闭口系能量方程的比较 对于 q = wt + h 有 q = wt + u + (pv) q - u = wt + (pv) 考虑闭口系下能量方程 q - u = w 联立、有 w = wt + (pv) 结论 外界输入的能量扣除系统内能 的变化后转变为有序能。 闭

24、口系下有序能以容积功的形式输出，开口系下有序能只有 一部分表现为容积功，但只用于维持流动。,2.技术功 考虑 w = (pv) + wt wt = w - (pv) wt = w - (p2v2 - p1v1) wt = w + p1v1 - p2v2 若过程可逆，则有,结论： 系统功的一部分用于维持流动 剩下的才没被利用, 对技术功的计算算可不考虑宏观动能与势能，只要过程可逆直接用,结论：,2-4 稳定流动能量方程的应用,一、锅炉,q = h +wt 现 wt = 0 q = h = h2 - h1,二、汽机,q = h + wt q = h + c2 / 2 + gz + ws 现 q =

25、 0; c = 0; z = 0 故 ws = -h = h1 - h2,三、泵与风机,q = h + c2 / 2 + gz + ws 现 q = 0 c = 0 z = 0 故 ws = h = h2 - h1,四、喷管,q = h + c2 / 2 + gz + ws 现 q = 0 z = 0 ws = 0,五、绝热节流（节流阀）,q = h + c2 / 2 + gz + ws 现 q = 0 wt = 0 故 h = 0 即 h1 = h2,第三章 理想气体的性质与过程,第一节 理想气体状态方程 一、理想气体 1.气体分子不占体积 2.气体分子间没有引力 （温度不太低，压力不太高（

26、7MPa)的单原子和双原子气体。CO2、H2O一般是作为实际气体处理。） 二、研究理想气体的意义 1.理论上引入它可简化分析，简化计算 2.工程上部分气体按理想气体处理与实际出入不大,三、理想气体状态方程 理想气体状态方程特指 pv = RT 其中： p 为绝对压力 pa v 为比容 m3/kg T 为开氏温度 K R 为理想气体状态常数 287J/kgk,四、理想气体状态方程的几种变体,1. pV = mRT 质量为mkg气体的理想气体状态方程,2.摩尔表示法 对于 pv = RT 两边同乘摩尔质量 kg/mol 得： pVm = RT 其中: Vm为摩尔体积,令 R = Rm 有:,考虑阿

27、佛加德罗定律：在某一状态下，各种气体的Rm值都相同 若取标准状态值代入有：,3.R = Rm / 由上式可见只要测得摩尔质量就可得某一气体的气体常数,第二节 理想气体的比热容,一、热容与比热容 1.热容：使热力系温度变化1K所需的热量称为热容，用C表示,其大小取决于 工质数量 加热的过程 工质性质 工质的状态,2.比热容 单位质量工质的热容，用c表示,称之为质量比热容, 单位体积工质的热容 用c表示 c = C /V 称之为容积比热容 每mol工质的热容 用c表示 c = C / 称为摩尔比热容 三种比热容的关系为,注：若无特别指明比热容，通常指质量比热容,二、比热容与过程的关系 工程上常见的

28、吸放热过程为定压和定容过程,1.对于实际工质 考虑热力学第一定律，当可逆时 dq = du + pdv dq = dh vdp 对于定压加热 dp = 0 由式dq = dh 得：,对于定容加热 dv = 0 由式dq = du得,2.对于理想气体 根据 u = f(T,v) 对于理想气体分子不占系统体积，因此u = f(T) 故 h = u + pv = u + RT = f(T),根据公式 h = u + pv 由于理想气体 pv=RT h = u + RT 两边微分： dh = du + RdT 两边同除dT：,cp = cv + R 上式称为迈耶公式,3.理想气体 cv 、cp 间的关

29、系,4.比热容比,为比热容比 联立 上式及迈耶公式 cp - cv = R 得,热力学定义,5、真实比热 ： 理想气体的比热不仅与过程有关，而且随温度变化。通常根据实验数据将其表 示为温度的函数： 利用真实比热计算热量： 真实比热适用于大温差、计算精度要求高的场合,6、平均比热：,即： 因此有： 用平均比热计算热量、比热力学能和比焓的变化： 由平均比热的定义可得： 定容过程 热量 及 比热力学能的变化 ： 定压过程 热量 及 比焓的变化 ：,一、理想气体的内能和焓,1.计算式 由热力学第一定律 q = du + pdv q = dh - pdv 定容时 dv = 0 根据式得： du = q

30、|v = cvdT 定压时 dp = 0根据式得： dh = q|p = cpdT 工程上通常认为定压比热容与定容比热容不变 u = cv T=cv(T2 - T1) h = cp T =cp(T2 - T1),第三节 理想气体的内能、焓、熵,2.零点,工程上规定内能u的零点为当温度为绝对零度时。 此时焓： h = u + pv h = u + RT 当u=0 时h = 0 因此，此种定义下焓和内能的零点重合为计算带来方便,当零点被确定后 u = cvT h = cpT 热力学第一定律也可写为 q = cvdT + pdv q = cpdT - vdp,3.绝对内能和绝对焓,二、理想气体的熵,

31、现已知: (1) 热力学第一定律 q = du + pdv q = dh - vdp (2)熵的定义式 q = Tds (3)比热容计算式及理想气体状态方程 du = cvdT dh = cpdT pv = RT 下面根据上述已知条件推导理想气体的熵,方法有三种,1.由 q = du + pdv 代入 q = Tds , du = cvdT , p = RT/v 有：,两边同除 T,2.由 q = dh - vdp 代入 q = Tds , dh = cpdT , v = RT/p 得,两边同除 T,3.对于 pv = RT 两边微分有 pdv + vdp =RdT 两边同除pv有,根据理想气

32、体状态方程 pv=RT 得 1/T=R/pv 则：,将上式代入熵的计算式：,合并同类项得：,将迈耶公式 cp=cv+R 代入上式得到新的熵表达式,结论： s只取决于p、v、T 中任何两 个，即只与状态有关 工程上只关心s而很少涉及绝 对熵的问题，故这里暂不提熵的 零点问题 上面s的计算式虽然由可逆条 件下导出，但它也可用于不可逆 过程,4. 总结：根据以上推导得：,第四节 分析热力过程的目的与方法,一、目的 选择最佳过程用于工程实践，达到提高热能和机械能转换效率的目的。 二、方法 基于热力学第一定律找出u、h、 s、w、q 之间的关系。 1.基本前提 热力学第一定律 理想气体 过程可逆（或准静

33、态过程）,2. 研究步骤 确定过程方程 确定状参关系式 绘出过程曲线 确定过程中u、h、s的变化量 确定过程中Q、W的变化量,对于实际过程，由于都是不可逆的，且工质的各状态参数都在变化，因此实际过程非常复杂。 但当排除了不可逆因素的影响并考虑工程实践的应用，自然界的热力过程主要可抽象为四个过程，即： （1）可逆定容过程 （2）可逆定压过程 （3）可逆定温过程 （4）可逆绝热过程 下面分别按照第四节所阐述的步骤对这四个过程展开研究,第五节 四种典型热力过程的分析,1.过程方程 v= const dv= 0 2.状参关系式,现v1= v2 则：,一、定容过程,3.曲线,对于T-S图1-2过程曲线，

34、因为 dv= 0 根据公式：,得：,即1-2过程曲线斜率为T/cv,h= cpT u= cvT,5.功与热 闭口系 dw= pdv= 0 q=u+pdv= u,开口系,4. u，h，s变化量,二、定压过程,现 p1= p2 则：,根据：,1.过程方程 p= const dp= 0 2.状参关系式,3.曲线,因此，如图所示，定压线斜率小于定容线斜率。,现dp= 0,故：,比较定容与定压过程，有,p,v,T,s,5.功与热 开口系 dwt= vdp= 0 q=h-vdp=h=cpT,闭口系,4. u，h，s变化量,h= cpT u= cvT,三、定温过程,现 T1=T2 则：,根据：,1.过程方程

35、 T= const dT= 0 2.状参关系式,3.曲线,对于p-v图，因为 dT= 0 根据公式：,得：,4. u，h，s变化量,u=h=0,闭口系,5.功与热,开口系,四、绝热过程,1.过程方程 绝热就必然有：dq= 0 则：q /T= 0 因 ds=q/T 所以 ds= 0 s=const 故又称定熵过程。 2.状参关系式 根据熵的计算式：,因s= 0,因比热容比 k=cp/cv 所以,两边积分,3.曲线,显然：,代入 pv=RT 得：,故在pv图上定熵线较定温线陡。,对于p-v图因为 ds= 0 根据公式：,得：,由于定温时：,4. u，h，s变化量 u= cvT h= cpT S=

36、0,5.功与热,闭口系,因 pvk 为常数，所以：,因为 cv=R/(k-1)，所以这个式子也可以变为 w=cv(T1 -T2 ),关于热量q 因为绝热所以热量为零,开口系,因 pvk 为常数，所以：,因为 cp=kR/(k-1)，所以这个式子也可以变为 wt=cp(T1 -T2 ),可见对于绝热过程wt 是 w 的 k 倍 。 关于热量q 因为绝热所以热量为零。,一、过程方程,pvn= const ( n为多变指数) n= 0 p= const 定压 n= 1 pv= const 定温 n= k pvk= const 定熵 n= 无穷大 p= const 定容,第六节 多变过程,由 pvn=

37、 const pv=RT 得,二、状参关系式,三、内能、焓、熵,u= cvT h=cpT,因：,提出 cv,四、功与热,1.闭口系 (1) 膨胀功 w,因 pvn 为常数，所以：,(2)热量 q= u+ w,考虑到热量应具有 q=cn (T2 -T1) 的形式则,即任何一过程的比热容可由上式表示 n= 0 cn= kcv=cp n= 1 cn= 无穷大 n= k cn= 0 n= 无穷大 cn= cv 再回忆多变过程熵的计算式,显然熵可表示为过程比热容 cn 和温度商之对数的乘积,2.开口系： (1)技术功 wt,因 pvn 为常数，所以：,可见 wt= nw,(2) 热量 q,q=h+wt,

38、一.p-v图 对 pvn=const 两边微分 npvn-1dv+vndp=0 npvn-1dv=-vndp,第七节 热力过程的图示综合分析,二.T-s图 联立 dq=Tds dq=cndT 得:,三.结论 1.在p-v图和T-s图上,各过程的n值是沿着顺时针方向逐渐增大的。 2.要判断过程中q,u,h的变化使用T-s图较为方便,要判断过程中W 的变化使用p-v图较为方便。,第八节 气体的压缩,用于压缩气体的设备叫压气机。用途：动力传递、锅炉通风、抽真空等。 一、气体的理论压缩功 （一）压气机原理 1、分类 （1）活塞式压气机：直接对气体做功，使其容积减小而实现压缩。 （2）离心式压气机、轴流

39、式压气机：外功使叶轮转动，提高气体动能，经过扩压管后使动能转化为压能，实现压缩。,2、特点： 气体稳定地流经压气机。 3、能量方程（稳定流动能量方程）：,4、原理,由图可以看出，在从p1到p2的过程中：|-wsT| |-wsn| |-wss|,若定温压缩，则：,若定熵压缩，则：,若多变压缩，则：,P2/p1叫压气机的压缩比或增压比。,显然：T2s T2n T2T 结论：采用压气机的主要目的在于提高气体的压力，则以压缩功最小的定温压缩为最佳。 实际中定温措施（1）用水或空气冷却机壳，带走压缩时产生的热量，此时n=1.21.3. (2)多级压缩，中间冷却，此时n=1.1左右。,二、多级压缩,有一最

40、佳压力pa使阴影面积最大（耗功最少），对前式求导，可以求得pa值。,同理，Z级压缩时，每一级最佳压缩比为：,则两级压缩在最佳压比时耗功为：,第五章 热力学第二定律 热力学第一定律只讨论了能量转化的数量关系，但对于无序能、热与有序能、功之间质的区别未加讨论。 事实上，有序和无序之间的转化问题不仅是热力学问题，也是许多其他学科要解决的问题。 本章的许多概念已被应用到其他领域。但要研究它们应从自然界自发过程入手。,一、自发过程的方向性,温差传热 高温-低温 压差做功 高压-低压 功变热 功 - 热 上述三种情形的逆过程不能无代价地自动进行，可见自然界事物的发展是有方向性的。 定义：在孤立系中不需外界

41、帮助能够自动进行的过程称为自发过程。,第一节 自发过程,二、自发过程的不可逆性,同样是上面三例，如进行逆过程则无法自发进行，这便是其不可逆性。 如果进行逆过程，必须付出一定代价才能使该逆过程进行下去。,三、不可逆过程的等效性,一个不可逆过程发生后，会留下某种不可逆变化的结果，欲消除之就只能用另一种不可逆变化来补偿，但又产生了一个新的不可逆效应。 如若要使低温物体向高温物体传热，即通常的制冷，则必须做功，而功只能是由热转变而来，而热变功又是一个不可逆过程，会产生一个低温的废热，这就又留下了不可逆的“效应”。,四、过程进行的动力,传热 ： 温差 膨胀： 压差 电功 ： 电势差 由上述情形可见，使过

42、程进行的动力是一种差，一种能量的品质差。 正是这种差产生了自然界的推动力。但这种差越大，其逆过程就越难发生。,一、热二律的表述,在能量转换过程中，热力学第一定律只说明了能量传递和相互转换时的数量关系，只阐明了能量转换当量这一方面，但并没有叙述过程进行的方向和限度问题。 能量转换规律的另一方面：转换的条件，则由热力学第二定律来确定。 自发过程的表现形式是多样的，但其内在的本质与共同特点都是单向进行，不可逆。,第二节 热力学第二定律的实质与表述,热力学第二定律的实质是指出过程进行的可能方向和达到平衡的必要条件，以及不可逆性对过程性能的影响。 1.开尔文说法： 不可能从单一热源吸热，并使之全部转变为

43、功而不留下任何变化。 ( 第二类永动机造不成。 ) 2.克劳修斯说法： 不能将低温热源的热自动(自发)地、无代价地传到高温热源，而不留下任何变化。,二、两种表述的统一性,违反了开尔文的说法就必然违反克劳修斯的说法。,一、循环 定义：工质从初始状态出发经历某些过程之后又回复到初始状态，称工质经历了一个循环，简称循环。 1.正循环：热机循环，热变功。 其效益用效率衡量：,第三节 卡诺循环 卡诺定理,2.逆循环： 致冷循环，低温向高温传热。效益用致冷系数衡量：,或者用热泵系数衡量,Q2为从低温热源吸取的热量， Q1为向环境放出的热量。,Q1为传至高温热源的热量， Q2为从环境吸收热量。,二、卡诺循环

44、及其热效率 1.卡诺循环及其热效率 卡诺循环的构成,1-2为可逆定温吸热过程，工质从高温热库（T1)吸热q1 1-2为可逆绝热膨胀过程，工质温度从T1变到 T2 1-2为可逆定温放热过程，工质向低温热库（T2)放热q2 1-2为可逆绝热压缩过程，工质从温度T2 升高到T1,效率,因为1-4、2-3过程定熵,三、卡诺定理,1.定义 卡诺定理指出：在两个不同温度恒温热源间工作的所有热机中，以可逆热机效率最高。,证明： 用反证法，若上述定理不存在，如图所示 图中EB为某一热机，EA为可逆热机。,若卡诺定律不成立则应 B A,因此如果按照下图连接系统，则,显然这个复合系统有功输出 但是对于T1 热源，

45、两热机吸放热相等，所以等于不存在。 这样就构成了从单一热源（ T2）吸热而不向其他热源放热并做功的第二类永动机，违反热力学第二定律。 这说明原假设不成立，得证,推论一：在两个不同温度恒温热源间工作的所有可逆热机，均具有相同热效率，而与工质性质无关。 推论二：在两个不同温度恒温热源间工作的所有不可逆循环，其热效率必小于在两个同样的恒温热源间工作的可逆循环。,2.卡诺定律的推论,3.讨论： 工作于两恒温热源间的可逆机，其热效率取决于高温热源和低温热源的温度，而与工质的性质无关。 热效率随加热温度的增加和排热温度的降低而增大。 热机的效率总小于100%，且不可能等于100% 。 当两热源的温度相等时

46、，卡诺循环的热效率等于零。 工作于两恒温热源间的一切热机，以卡诺热机的效率为最高。 有效能与无效能。,可见热机吸热 q 中的一部分转化为功，另一部分转化为废热。 热力学将转化为功的部分称为有效能，将废热部分称为无效能。,对于大多数热机，放热温度就是环境温度 T0,整理上式：,第四节 熵,一、克劳修斯积分式 1.对于单一卡诺微循环,以上dq1、dq2 未考虑正负号，若代数化 dq2 为负则 ：,即：,可把图中任意循环划为n 个微卡诺循环。有：,2.对于任意循环,同理：,将左边(1).(n) 式相加，得：,由积分的意义,这就是克劳修斯积分式,二、克劳修斯不等式,若不可逆：,同理：,将上边(1).(

47、n) 式相加，得：,由积分的意义,这就是克劳修斯不等式，显然对于任何循环：,四、可逆与不可逆过程中熵的变化,可见熵的变化与路径无关。,1.可逆过程的熵变化 对于可逆过程：,因1-b-2可逆,2.不可逆过程的熵变化,对于不可逆过程1-b-2，补上可逆段1-a-2构成循环。根据克劳修斯不等式：,因1-a-2可逆,五、熵流与熵产,Sg：由能量不可逆效应产生熵，称为熵产。由内部不可逆性耗损功导致熵增，故总为正。,可给一Sg，使得：,为热量流入流出热力系而引起的熵变化，称为熵流Sf 。因为dq可正可负，故熵流可正可负可为零。,对于孤立系： Sf = 0 只有 Sg 0 孤立系中的熵只能增加不能减少，至多

48、是不变。,一、熵增原理,第五节 孤立系熵增原理,二、几种不可逆过程的熵产 1.温差传热,T1T2 dSiso0,2.摩擦,若无摩擦则： dSiso= 0,第五章 气体动力循环,5-1活塞式内燃机动力循环 一、活塞式内燃机实际循环,实际过程： 0-1进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨胀（作功）过程 5-1 自由排气过程强制排气过程,理想化： 1、热力过程的理想化 进气过程0-1定压线； 压缩过程1-2定熵压缩； 燃烧过程2-3定容加热3-4定压加热（外热源加热） 膨胀过程4-5定熵膨胀； 排气过程5-1定容放热1-0定压线； 2、 工质以理想气体对待； 3、 开口系统简

49、化为闭口系统。（进排气功近似相等，相互抵消）,二、活塞式内燃机理想循环 1、混合加热循环（萨巴德循环）：,循环吸热为：,定义 压缩比 ： 定容增压比 ： 预胀比,1-2 为定熵过程,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：,2、定压加热循环（笛塞尔循环）,特点： 1,为混合加热循环的一个特例，将其代入混合加热循 环的热效率及循环净功的表达式，即有：,可以看出,特点： 1,为混合加热循环的一个特例，将其代入混合加热循 环的热效率及循环净功的表达式，即有：,3、定容加热循环（奥图循环）,可以看出,5-2 活塞式内燃机各种理想循环的比较,一、压缩比

50、相同、放热量相同时的比较 如图5-7（P182)。结论：,二、最高压力相同、最高温度相同,5-3 斯特林循环,一、循环过程 1、定温压缩过程 2、定容吸热过程 3、定温膨胀过程 4、定容放热过程,二、循环效率,三、特点 1、循环效率高。 2、采用外式热源置，可以燃用廉价燃料。（比如：太阳能）,5-4 勃雷登循环,一、循环过程,燃气轮机装置循环的四个过程： 绝热压缩过程（压气机）； 定压加热过程（燃烧室、加热器）； 绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）； 定压放热过程（大气、冷却器）。,循环吸热量为：,循环放热量为：,同时,叫做循环增压比,显然随着增压比的加大循环效率会增加。,5-6 喷气发动机,一

51、、装置 如图5-21（P202）,二、循环过程 与勃雷登循环相同。,三、循环效率,第五章 水蒸汽,一、p、v、T 曲面图 定义 ： 将物质状态参数 p、v、T 实验数据描绘于三维直角坐标系上， 将成为 p、v、T 曲面。,二、p-T 图 定义：物质的p、v、T 曲面在p-T平面上的投影，称为p-T 图。,分隔液相和气相的曲线称为汽化曲线。 分隔固相和液相的曲线称为凝熔曲线。 分隔固相和气相的曲线称为升华曲线,第六章 水蒸汽,第一节 蒸汽的定压发生过程,c,c,二、水和水蒸汽的状态参数 1.一点：临界点C（pc=22.129MPa,tc=374.15，hc=2100kJ/kg) 2.两线：饱和水

52、线与饱和蒸汽线 3.三区：未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过 热蒸汽区 4.五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽 、干饱和蒸汽、过热蒸汽,水蒸气各状态下需要确定的量(自由度),未饱和水： 2 饱和水： 1 汽液区： 2 汽水混合物，故应知道各组分。,过热区： 2 三相点： 1,引入干度X 的概念,注：为区分明确今后饱和蒸汽参数加”，饱和水参数加,第二节 水和水蒸汽热力性质图表 一、饱和水、未饱和水及过热蒸汽表 1.饱和水及饱和蒸汽表 2.未饱和水及过热蒸汽表,1.定压线群 其斜率为:,由,现dp=0,现 cpdT=dh,二、H-S图,2.定温线群 在湿蒸汽区与定压线重合,在 过热蒸汽区随着性质接近理想

53、气 体，斜率趋向平缓,3.定干度线群 只在湿蒸汽区有用,均起始 于临界点 4.定容线群 斜率大于定压线群,用红色套印,5-3 水蒸气的热力过程,一、定压吸热过程 已知 p1 , x1 定压加热至 t2 1.图解法:,q= h2- h1,2.查表法: 由 p1 查饱和蒸汽表得 h1 , h1,h1= x1h1 + (1-x1 )h1,由 p1,t2 查过热蒸汽表得 h2 , v2,q= h2 - h1,w= p (v2 -v1),二、定温吸热过程 已知 p1 , x1 定温加热至 P2 1.图解法:,q= T1( s2- s1),w=q - ( u2 - u1 ) =T1( s2- s1 ),2

54、.查表法: 由 p1 查饱和蒸汽表 得 h1 , h1 , s1 , s1 , v1 , v1,由 p2,t1 查过热蒸汽表，得 h2 , s2,h1= x1h1 + (1-x1 )h1,s1= x1s1 + (1-x1 )s1,v1= x1v1 + (1-x1 )v1,q= T1( s2- s1),w= T1( s2- s1 ) - (h2-p2v2 )-(h1 -p1 v1 ),四、定熵过程 已知 p1 , t1 定熵膨胀至 P2 1.图解法:,q=0,w= h1 - h2,2.查表法: 由 p1 , t1 查过热蒸汽表得： h1 , s1 由 p2 查饱和蒸汽表得： s2 , s2 ,

55、h2 , h2,s1=s2=x2 s2 + (1-x2)s2,解得 x2,h2= x2h”2 + (1-x2 )h2,q=0,w= h1 - h2,第七章 蒸汽动力循环 71 朗肯循环 一、循环装置 二、循环效率 水在锅炉中吸收的热量： q1=h1-h4 对外输出功： wt=h1-h2 冷凝器中放出的热量： q2 =h2-h3 水泵消耗外功为： wp=h4-h3,循环输出的净功 循环的热效率 若忽略水泵功,则有:,汽耗率d：蒸汽动力装置输出1kW.h（3600kJ）功量所消耗的蒸汽量。,二、朗肯循环定性分析 1、蒸汽卡诺循环：1231/1 效率高于朗肯循环，但气态物质定温吸热过程在实际中难以实

56、现，所以不被采用。 2、饱和蒸汽区卡诺循环：56785 不足： (1) 汽机出口处蒸汽干度低对汽机不利； (2) 吸热过程被限制低于临界温度，效率不高。 (3) 水泵压缩湿蒸气,难以正常工作。,三、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 1、蒸汽初始压力影响 由P1到P1 高温段平均温度显著增加： 1. 增加； 2. x显著下降； 3. P1的进一步升高受运行与材料限制。,2、蒸汽初温度的影响 由图可知,提高初温可提高循环的平均吸热温度,从而提高循环的热效率,且增大乏气的干度,改善蒸气机的性能。 T1的增加受材料热强度的限制。,三、蒸汽终参数的影响 由图可知：降低排气压力，循环的平均放热温度降低,又循

57、环的平均吸热温度不变,故循环的热效率升高。 x2下降对汽机不利； P2的下降受环境温度的限制。目前火力发电厂一般在0.0040.006MPa的乏汽压力下运行。,72 实际蒸汽动力循环分析 朗肯循环是不考虑各种损失的理想循环，实际的动力装置循环存在着能量的损失与不可逆因素。 实际循环分析常采用两种方法： 1、热效率法：采用热力学第一定律，以能量平衡为条件。 2、火用分析法：采用热力学第二定律，将能的质与量统一起来。,一、热效率法 例题72（243页） 二、火用分析法 例题73（246页） 三、结论 1、采用热效率法分析，从“量”的角度看，冷凝汽损失能量最多。 2、从火用分析法看，火用损失最大的是在锅炉，即锅炉的燃烧和传热造成的火用损失最大。,73 蒸汽再热循环 一、装置,二、效率 1、T-S图,2.效率,74 回热循环 一、理想回热循环 1-5为工质在汽轮机中第一次绝热膨胀功; 5-7为工质放热过程,加热回热套中的水; 7-6为工质第二次在汽轮机里膨胀做功; 6-3为冷凝器里的放热过程; 3-4为水泵里的定熵压缩过程; 4-4-1为锅炉里的可逆定压加热,汽化,过热过程. 2.热效率： 从上图可知,与朗肯循环相比,吸热过程为4-1,吸热平均温度明显得到了提