朱明善教材与参考书教材：《工程热力学》朱明善等编参考书：《工程热力学》（第二版）庞麓鸣等编《工程热力学》（第四版）沈维道编2007年《工程热力学》严家騄编2007年绪论工程热力学是重要的专业基础课工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学主要内容0-1热能及其利用0-2热能转换装置的工作过程0-3工程热力学的研究对象及其主要内容0-4热力学的研究方法0-1热能及其利用热能电能机械能风能水力能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖能源转换利用的关系风力发电水力发电火力发电江苏田湾核电站0-2热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理火力发电装置基本特点锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热)二、燃气轮机装置的工作原理压气机—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—高温高压的燃气推动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。燃烧室燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气燃料三、内燃机的工作原理进气过程：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。内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气内燃机装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热)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。制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热)热力装置共同基本特点1、热源，冷源2、工质3、容积变化功4、循环0-3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1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。特点：可靠，普遍，不能任意推广经典（宏观）热力学0-4工程热力学研究方法√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，模型近似微观（统计）热力学工程热力学研究方法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绪论完第一章基本概念1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环第一章基本概念主要内容1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环1-1热力系统一、系统、外界与边界热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面边界特性真实、虚构固定、活动封闭热力系（闭口系）只与外界有能量交换而无物质交换开口热力系(开口系)与外界既有能量交换又有物质交换孤立系与外界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类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、质非孤立系孤立系归纳：1234mQW1开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功1-2状态平衡状态一、状态与状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。二、平衡状态与非平衡状态平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。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1-3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，状态参数只取决于初、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ρ、比焓h、比熵s、比容ν、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、基本状态参数（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/m21kPa=1000Pa，1MPa=106Pa，1bar=105Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa
大气压1atm=760mmHg=1.01325×105Pa工程大气压1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa注意：只有绝对压力p才是状态参数压力p测量绝对压力与相对压力当p>pb表压力pg当p
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态参数不尽相同,故无法绘在状态参数坐标图上。1-5准静态过程和可逆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静态（准平衡）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。准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？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准静态过程准静态过程的工程应用例：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静态过程具体工程问
具体分析。准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA=p外A+fA如果p外微小可视为准静态过程dx以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdx=pdV1kg工质w=pdvdx很小，近似认为p不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1注意：上式仅适用于准静态过程示功图(p-V图)pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW准静态容积变化功的说明pV.12.2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，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）适于准静态下的任何工质（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别1）单位为[kJ]或[kJ/kg]Ww摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’
T2Q节流过程(阀门）p1p2p1>p2常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••引入可逆过程的意义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。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。1-6功和热量1、力学定义:力在力方向上的位移2、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，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。一、功3、功的计算式①物理上为:W=Fx②若系统内外力平衡二、热量1、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。2、热量的表达式考虑：δW=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dS表示热力系是否传热应有: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标志dV,dvdS,ds公式条件准静态或可逆可逆熵的定义比参数[kJ/kg·K]ds:可逆过程qrev除以传热时的T所得的商清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量[kJ/K]熵的说明1、熵是状态参数3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正Q>0dS>0系统放热时为负Q<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量示功图与示热图pVWTSQ示功图温熵(示热)图1-7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。循环和过程循环由过程构成不可逆循环可逆过程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2112动力循环逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向2112制冷循环热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数第一章小结基本概念：热力系平衡态准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功量、热量、熵p-V图、T-S图循环、评价指标第一章讨论课热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W+W’热量：Q+Q’WQW’Q’(4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’(5)以气缸活塞为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散是不是准静态，取决于开度判断是否准静态与可逆（3）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水＋活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆判断是否准静态与可逆（4）电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热耗散是否准静态，看加热快慢但不可逆有用功气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA1）以B中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态无摩擦可逆B中气体（理想气体，可逆，绝热）B得到的功遵循可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA2）以A中气体为系统绝热，无摩擦缓慢加热准静态无摩擦内可逆3）以A腔为系统4）以A＋B腔为系统电功耗散为热不可逆电功耗散为热不可逆自由膨胀过程刚性，绝热真空•••••••••••••••••ABB中没有气体，不能取做系统以A中原有气体为系统A中气体非准静态A中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的气体作功了吗？气体混合过程刚性，绝热，pA>>pB•••••••••••••••••AB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取A＋B气体为系统，无功灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功第一章完第二章热力学第一定律主要内容2-1热力学第一定律的实质2-2储存能2-3闭口系统能量方程2-4开口系统能量方程2-5稳定流动能量方程2-6稳定流动能量方程的应用 2-1热力学第一定律的实质一、能量守恒与转化定律定义：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：能量守恒与转化定律在热力学中的应用3、数学表达式Q=W闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”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2-2储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能一、从宏观上看：宏观能（外部储存能）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：①微观动能：由分子热运动之和构成，由温度T来反映②微观位能：由分子间相互作用力引起，由比容v和温度来反映所以：u=f(T,v)内能是状态参数。三、系统的总储存能（总能）总能：E=U+Ek+Ep比总能量：e=u+ek+ep系统总能变化量可以写为：内能的导出内能的导出闭口系循环内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc内能及闭口系热一律表达式定义dU=Q-W内能U状态参数Q=dU+WQ=U+W闭口系热一律表达式！！！两种特例绝功系Q=dU绝热系W=-dU内能U的物理意义dU=Q-WWQdU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能）内能的说明内能是状态量U:广延参数[kJ]u:比参数[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-2-3闭口系统能量方程WQ一般式Q=dU+WQ=U+Wq=du+wq=u+w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq=du+pdvq=u+pdv热一律解析式之一Tds=du+pdvTds=u+pdv热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系闭口系能量方程T空调Q2-4开口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdlW推=pAdl=pVw推=pv注意：不是pdvv没有变化对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv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，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcvminpvout开口系能量方程微分式Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓的引入定义：焓h=u+pvhh开口系能量方程焓的说明定义：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是状态量2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量4、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。2-5稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws对功的小结2、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wwswt准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示机械能守恒对于流体流过管道，压力能动能位能机械能守恒柏努利方程2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1m/sc2=30m/s(c22-c12)/2=0.449kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg例1：透平机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机透平机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws=-△h=h1-h2>0输出的轴功是靠焓降转变的q=Δh+wtq=Δh+Δc2/2+gΔz+ws现q=0;Δc=0;Δz=0故ws=-Δh=h1-h2例2：压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机压缩机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws=-△h=h1-h2<0输入的轴功转变为焓升泵与风机q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws现q=0Δc=0Δz=0故ws=-Δh=h2-h1（压缩功）例3：换热设备火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器换热设备热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变锅炉q=Δh+wt现wt=0∴q=Δh=h2-h1例4：绝热节流管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热例5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略第二章小结1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-第二章小结通用式2、热一律表达式：第二章小结稳流：dEcv/=0通用式第二章小结闭口系：通用式第二章小结通用式循环dEcv=0out=in第二章小结孤立系：通用式第二章小结3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化第二章小结4、准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式第二章小结5、u与hU,H广延参数u,h比参数U系统本身具有的内部能量H不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量第二章小结6、四种功的关系准静态下闭口系过程开口系过程第二章作业2-152-162-18第二章完第三章理想气体的性质与过程主要内容3-1理想气体状态方程3-2热容3-3理想气体的内能、焓和比热容3-4理想气体的熵3-5研究热力过程的目的和方法3-6绝热过程3-7基本热力过程的综合分析3-8活塞式压气机的过程分析工程热力学的两大类工质1、理想气体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一、理想气体1.气体的分子是一些弹性的,不占体积的质点2.气体分子之间没有相互作用力二、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3-1理想气体状态方程三、理想气体状态方程理想气体状态方程:pv=RT----又称克拉贝龙方程其中：p为绝对压力Pav为比容m3/kgT为开氏温度KR为气体常数J/kg·k四种形式的克拉贝龙方程：注意:Rm与R摩尔容积Vm状态方程统一单位摩尔容积(Vm)阿伏伽德罗假说:相同p和T下各理想气体的摩尔容积Vm相同在标准状况下Vm常用来表示数量Rm与R的区别Rm——通用气体常数R——气体常数M-----摩尔质量例如与气体种类无关与气体种类有关计算时注意事项1、绝对压力2、温度单位K3、统一单位（最好均用国际单位）计算时注意事项实例V=1m3的容器有N2，温度为20℃，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。1）2）3）4）√1.分子之间没有作用力2.分子本身不占容积但是,当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。理想气体模型现实中没有理想气体当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO23-2(比)热容计算内能,焓,热量都要用到热容定义:比热容单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量其大小取决于:①工质数量②加热的过程③工质性质④工质的状态比热容c:质量比热容Cm:摩尔比热容C’:容积比热容Cm=M·c=22.414C’Ts(1)(2)1K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设定容定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设定压cv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内能的增加量cp物理意义：p时1kg工质升高1K焓的增加量3-3理想气体的u、h、s和热容一、理想气体的u1843年焦耳实验，对于理想气体pvT不变AB绝热自由膨胀真空理想气体的内能u理气绝热自由膨胀pvT不变理想气体内能的物理解释内能＝内动能＋内位能T,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uT理想气体u只与T有关理想气体内能的计算理想气体，任何过程理想气体实际气体理想气体的焓理想气体实际气体理想气体h只与T有关理想气体，任何过程熵的定义:可逆过程理想气体理想气体的熵pv=RT仅可逆适用？T1p1v1s1T2p2v2s212理想气体，任何过程1.由δq=du+pdv代入δq=Tds,du=cvdT,p=RT/v有：两边同除T2.由δq=dh-vdp代入δq=Tds,dh=cpdT,v=RT/p得两边同除T3.对于pv=RT两边微分有pdv+vdp=RdT两边同除pv有根据理想气体状态方程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：①Δs只取决于p、v、T中任何两个，即只与状态有关②工程上只关心Δs而很少涉及绝对熵的问题，故这里暂不提熵的零点问题③上面Δs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：一般工质:理想气体：迈耶公式理想气体的热容令比热比1、按定比热2、按真实比热计算3-4理想气体热容、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cp分子运动论1、按定比热计算理想气体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]k1.671.41.292、按真实比热计算理想气体的热容根据实验结果整理理想气体3、按平均比热计算理想气体的热容tt2t1c(cp,cv)附表3，4，5，6c=f(t)摄氏℃求O2在100-500℃平均定压热容1.2.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，直接查附表2理想气体，任何过程T1u1T2u2121.2.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，直接查附表2理想气体，任何过程1、若定比热理想气体s的计算理想气体，任何过程理想气体s的计算2、真实比热取基准温度T0若为空气，查附表2得§3-5研究热力学过程的目的与方法目的提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算研究热力学过程的对象与方法对象1)参数(p,T,v,u,h,s)变化2)能量转换关系,q,w,wt方法抽象分类2)可逆过程(不可逆再修正)基本过程研究热力学过程的依据2)理想气体3)可逆过程1)热一律稳流研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w,wt,q4)求3)用T-s与p-v图表示2)根据已知参数及过程方程求未知参数1、过程方程v=constdv=02、状态参数关系式现v1=v2则：一、定容过程3、曲线对于T-S图1-2过程曲线，因为dv=0，根据公式：得：即：1-2过程曲线斜率为T/cv△u=cv△T△h=cp△T5.功与热①闭口系dw=pdv=0q=Δu+pdv=Δu4.u，h，s变化量②开口系二、定压过程现p1=p2，则：1、过程方程p=constdp=02、状态参数关系式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>pvTs5.功与热①开口系dwt=vdp=0q=Δh-vdp=Δh=cpΔT②闭口系4.u，h，s变化量△h=cp△T△u=cv△T3-6理想气体的等熵过程(2)不仅,s处处相等绝热可逆s说明:(1)不能说绝热过程就是等熵过程,必须是可逆绝热过程才是等熵过程。三个条件:(1)理想气体(2)可逆过程(3)k为常数理想气体s的过程方程当理想气体3.曲线显然：代入pv=RT得：故在p~v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=cvΔTh=cpΔTΔS=05.功与热①闭口系因pvk为常数，所以：同时，因pv=RT由式得：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零②开口系因pvk为常数，所以：同时，因pv=RT由式得：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。3-7理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程过程方程n是常量，每一过程有一n值nn=ks理想气体nw,wt,q的计算多变过程比热容(1)当n=0(2)当n=1多变过程与基本过程的关系(3)当n=k(4)当n=pTsvnpTsv基本过程是多变过程的特例基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表3－4公式汇总理想气体基本过程的计算斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT理想气体过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTssu在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT=u>0u>0h在p-v,T-s图上的变化趋势sTvphT=u>0u>0h>0h>0w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>0p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图练习（3）sTvp膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？3-8活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等型式结构活塞式(往复式)离心式，涡旋轴流式，螺杆连续流动压力范围通风机鼓风机压缩机出口当连续流动理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是可能的压气过程sTn三种压气过程的参数关系三种压气过程功的计算最小重要启示两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比省功最佳增压比的推导省功最佳增压比的推导省功欲求w分级最小值，可证明若m级最佳增压比分级压缩的其它好处润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级分级压缩的级数省功分级降低出口温多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)一般采用2~4级压缩T压气机的计算需要压气机，想设计一台已知：要求：配马达功率，出口温度。？sn？根据经验，有无冷却水套假定，理论功s压气机的设计计算实际过程有摩擦机械效率经验值70％压气机的校核计算已有压气机，实测要求：压气机效率太低，则压气机报废或修理活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙余隙容积压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变活塞式压气机的余隙影响活塞排量研究VC对耗功和产气量的影响新气量产气量有效吸气容积余隙容积VC对理论压气功的影响设12和43两过程n相同功＝面积12341＝面积12561－面积43564余隙容积VC对理论压气功的影响余隙对单位产气量耗功不影响余隙容积VC对产气量的影响定义容积效率令余隙比工程上一般＝0.03~0.08余隙容积VC对产气量的影响讨论：（1）一定，c（2）c和n一定，极限余隙影响例题已知：求（1）有余隙时的排气量和耗功（2）无余隙时的排气量和耗功解：（1）有效容积例题(1)有余隙影响余隙影响例题解：（2）无余隙时的排气量和耗功第三章小结1、什么样的气体是理想气体？2、理想气体状态方程的正确使用3、理想气体比热、内能、焓的的特点和计算4、理想气体各种可逆过程的特性，参数变化，功，热的计算。5、p-v图，T-s图上的表示6、压气机热力过程的分析方法作图（1）s比较：vp作图练习题（2）比较：作图练习题（3）比较：第三章完第四章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、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热热力学第二定律的实质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4-1热二律的表述与实质热功转换传热热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T过程q=w理想气体T过程q=wTspv12热机：连续作功构成循环12有吸热，有放热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第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQoutQ克劳修斯表述不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。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：耗功两种表述的关系开尔文－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!!!热二律的实质•自发过程都是具有方向性的•表述之间等价不是偶然，说明共同本质•若想逆向进行，必付出代价热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？热一律与热二律t>100％不可能热二律否定第二类永动机t=100％不可能4-2卡诺循环与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—理想可逆热机循环卡诺循环示意图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)卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w•t,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2t,c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c<100%，热二律T0c卡诺逆循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2cT1’卡诺逆循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0’三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力卡诺定理—热二律的推论之一定理：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。卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下卡诺定理推论一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。卡诺定理推论二在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。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tR=tC2、多热源间工作的一切可逆热机tR多<同温限间工作卡诺机tC3、不可逆热机tIR<同热源间工作可逆热机tRtIR<tR=tC∴在给定的温度界限间工作的一切热机，tC最高热机极限卡诺定理的意义从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。卡诺定理举例A热机是否能实现1000K300KA2000kJ800kJ1200kJ可能如果：W=1500kJ1500kJ不可能500kJ实际循环与卡诺循环内燃机t1=2000oC，t2=300oCtC=74.7%实际t=30~40%卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上Ts很难实现火力发电t1=600oC，t2=25oCtC=65.9%实际t=40%回热和联合循环t可达50%4-3克劳修斯不等式4-3、4-4熵、4-5孤立系熵增原理围绕方向性问题，不等式热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性定义熵克劳修斯不等式克劳修斯不等式的研究对象是循环方向性的判据正循环逆循环可逆循环不可逆循环克劳修斯不等式的推导克劳修斯不等式的推导（1）可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热∴克劳修斯不等式的推导（2）不可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热∴假定Q1=Q1’，tIR<tR，W’W可逆时IRW’Q1’Q2’克劳修斯不等式推导总结可逆=不可逆<正循环（可逆、不可逆）吸热反循环（可逆、不可逆）放热仅卡诺循环克劳修斯不等式∴对任意循环克劳修斯不等式将循环用无数组s线细分，abfga近似可看成卡诺循环=可逆循环<不可逆循环>不可能热源温度热二律表达式之一克劳修斯不等式例题A热机是否能实现1000K300KA2000kJ800kJ1200kJ可能如果：W=1500kJ1500kJ不可能500kJ注意：热量的正和负是站在循环的立场上4-4熵热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性热二律推论之三熵反映方向性熵的导出定义：熵克劳修斯不等式可逆过程，，代表某一状态函数。=可逆循环<不可逆循环比熵熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度比熵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熵是状态量可逆循环pv12ab熵变与路径无关,只与初终态有关不可逆过程S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可逆>不可逆S与传热量的关系=可逆>不可逆<不可能热二律表达式之一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：永远热二律表达式之一熵流、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熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用Ts1234任何过程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：熵变的计算方法热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变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4-5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为什么用孤立系统？孤立系统=非孤立系统+相关外界=：可逆过程>：不可逆过程<：不可能过程最常用的热二律表达式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熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系当T1>T2可自发传热当T1tIR可逆T1T0IRWIRQ1’Q2’作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功假定Q1=Q1’，WR>WIR作功能力损失作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRW’Q1’Q2’假定Q1=Q1’，WR>WIR作功能力损失4-6熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动热二律讨论热二律表述(思考题1)“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功”温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想T(1)体积膨胀,对外界有影响(2)不能连续不断地转换为功熵的性质和计算不可逆过程的熵变可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；熵的变化只与初、终态有关，与过程的路径无关熵是广延量熵的表达式的联系•可逆过程传热的大小和方向•不可逆程度的量度作功能力损失•孤立系•过程进行的方向•循环克劳修斯不等式熵的问答题•任何过程，熵只增不减•若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S•可逆循环S为零，不可逆循环S大于零╳╳╳•不可逆过程S永远大于可逆过程S╳判断题（1）•若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？相同初终态，s相同=：可逆过程>：不可逆过程热源T相同相同判断题（2）•若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？相同热量，热源T相同=：可逆过程>：不可逆过程相同初态s1相同判断题（3）•若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？可逆绝热不可逆绝热STp1p2122’判断题（4）•理想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程AB真空可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000K300K100kJ15kJ85kJ可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000K300K100kJ15kJ85kJScycle=0,Siso=0ST2000K300K可逆与不可逆讨论(例2)2000K300K100kJ15kJ85kJ不可逆热机83kJ17kJ由于膨胀时摩擦摩擦耗功2kJ当T0=300K作功能力损失=T0Siso=2kJ可逆与不可逆讨论(例2)2000K300K100kJ15kJ85kJ不可逆热机83kJ17kJ由于膨胀时摩擦=2kJScycle=0T0ST2000K300KSiso=0.0067可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000K300K100kJ16kJ84kJ100kJ1875K可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000K300K100kJ16kJ84kJ100kJ1875KST2000K300K1875KSiso=0.0033Scycle=0T0S热源温差•热二律的表述•热二律的表达式•熵•孤立系熵增原理作业:3-8;3-17;4-4第四章小结第四章完第五章气体动力循环动力循环研究目的和分类动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功按工质气体动力循环：内燃机蒸汽动力循环：外燃机空气为主的燃气按理想气体处理水蒸气等实际气体研究目的：合理安排循环，提高热效率气体动力循环分类按结构活塞式叶轮式汽车，摩托，小型轮船航空，大型轮船，移动电站气体动力循环分类小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船，移动电站汽油机按燃料柴油机煤油机航空气体动力循环分类点燃式按点燃方式：按冲程数：四冲程压燃式二冲程动力循环研究方法实际动力循环非常复杂不可逆，多变指数变化，燃烧等工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽象和理想化，形成各种理想循环进行分析，最后进行修正。5-1活塞式内燃机动力循环一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）四冲程柴油机工作原理空气、油废气吸气压缩膨胀排气四冲程高速柴油机工作过程1230—1吸空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃
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