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的。
2、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理，恰
3、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,研究工程中能量转换的基本
4、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 （燃料的化学能转换为热能）。膨胀过
5、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 ) 产生高温高压的蒸汽。冷凝器 使气体冷凝，得到常温高压的
6、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
7、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 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
8、,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
9、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u2、广延参数：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
10、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/m21kPa=1000 Pa，1MPa=1106 Pa，1bar= 1105 Pa1mmH2O=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
11、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
12、 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 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
13、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
14、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
15、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
16、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、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
17、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。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
18、，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
19、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： 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 - W
20、in) =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 + 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
21、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 ws3.焓 伴随传质应有两
22、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
23、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 - p
24、2v2 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 = 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
25、 / 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（,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 T= const dT= 02.状参关系式,
26、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= 0,5.功与热,闭口系,因 pvk 为常数，所以：
27、,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= const pv=RT 得,二、状参关系式,三、内能、焓、熵,u= cvTh=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：,
