第11章热工基础2.ppt

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1、第十一章第十一章工程热力学基础工程热力学基础Engineering Thermodynamics工程热力学是研究什么的？工程热力学是研究什么的？What the Engineering Thermodynamics study for?我们为什么要学习工程热力学？我们为什么要学习工程热力学？Why we study Engineering Thermodynamics 热力学（经典热力学）：研究能量（特别是热能性质及其转换规律热力学（经典热力学）：研究能量（特别是热能性质及其转换规律的科学。的科学。工程热力学：热力学的一个分支，着重研究热能与机械能相互转换工程热力学：热力学的一个分支，着重研究

2、热能与机械能相互转换（热功转换）的规律。运用热力学两大定律分析各种热力过程和热力（热功转换）的规律。运用热力学两大定律分析各种热力过程和热力循环，特别是找出热能转换为机械能最有利的条件循环，特别是找出热能转换为机械能最有利的条件可见，这正是研究热机必要的理论基础可见，这正是研究热机必要的理论基础主要内容基本定义和概念基本定义和概念理想气体状态方程式理想气体状态方程式工质的比热工质的比热热力学第一定律热力学第一定律气体的热力过程气体的热力过程热力学第二定律热力学第二定律11.1基本定义和概念基本定义和概念一、热力学系统热力学系统 Thermodynamic system 热力学系统热力学系统（热

3、力系统、热力系、系统）（热力系统、热力系、系统）人为划分人为划分出的，含有一定物质的特定区域。出的，含有一定物质的特定区域。外界外界系统之外与能量转换过程有关的一切其他物质。系统之外与能量转换过程有关的一切其他物质。边界边界分割系统与外界的界面。在边界上可以判断系统与外界间所传递的能分割系统与外界的界面。在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。量和质量的形式和数量。边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。系统的分类：系统的分类：闭口系统：系统与外界无质量（物质）交换（控制质量）。闭口系统：系统与外界无质量（物质）交换（控制质量

4、）。开口系统：系统与外界有质量（物质）交换（控制容积）。开口系统：系统与外界有质量（物质）交换（控制容积）。绝热系统：系统与外界无热量交换。绝热系统：系统与外界无热量交换。孤立系统：系统与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量孤立系统：系统与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。交换的系统。热源：具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只是与热源：具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只是与其他系统交换热量，交换的结果其温度不发生任何变化。其他系统交换热量，交换的结果其温度不发生任何变化。高温热源：向其他系统供热的热源（热源）；高温热源：向其他系统供热的热源（热源）；低温

5、热源：吸收其他系统放出热量的热源（热汇，冷源）。低温热源：吸收其他系统放出热量的热源（热汇，冷源）。系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。二、热力学系统的状态及基本状态参数二、热力学系统的状态及基本状态参数 热力学状态热力学状态热力学系统所处的宏观状况。简称状态热力学系统所处的宏观状况。简称状态 状态参数状态参数描述系统热力学状态的描述系统热力学状态的宏观物理量宏观物理量。基本状态参数基本状态参数可以直接测量得到的状态参数可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。导出状态参数导出状态参数由基本状态参数计算得到的状态参数由基本状态

6、参数计算得到的状态参数（u、h、s等）。等）。状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。状态参数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化可表示为（以压力态参数的变化可表示为（以压力p为例）：例）：相应地，状态参数的微增量具有全微分的性质，即相应地，状态参数的微增量具有全微分的性质，即1、压力压力（压强（压强）p（单位帕斯卡，其他KPa，MPa，bar，atm，

7、mmhg及它们之间关系）只有绝对压力才是状态参数只有绝对压力才是状态参数绝对压力：气体的真实压力绝对压力：气体的真实压力相对压力（表压力、真空度）：压力计显示的压力相对压力（表压力、真空度）：压力计显示的压力基本状态参数：基本状态参数：微观上：宏观上：微观上：宏观上：2、温度温度T（单位：热力学温度开尔文K，其他摄氏温度摄氏温度t）它们之间关系 tT273.15 K基本状态参数：基本状态参数：三相点温度：水的固相，液相，气相共存状态的温度，规定其三相点温度：水的固相，液相，气相共存状态的温度，规定其热力学温度为热力学温度为273.16273.16K 则摄氏温度摄氏温度t273.16273.16

8、K273.15 K=0.01而而273.15K273.15K为水的冰点温度，为水的冰点温度，只有热力学温度才是状态参数只有热力学温度才是状态参数3、比容比容v（单位：立方米/千克）定义：单位质量物质所占的容积，和密度互为倒数。基本状态参数：基本状态参数：三、平衡状态平衡状态 平衡状态平衡状态在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不随时间变化的状态。况不随时间变化的状态。平衡条件：平衡条件：热平衡热平衡 (例不传热例不传热)力平衡力平衡 (例不做功例不做功)化学平衡（无化学反应）化学平衡（无化学反应）以后所提到的状态均指平衡状态以后所提到的状态均指平衡

9、状态可用确定的一组状态参数来表示可用确定的一组状态参数来表示可在坐标图上用一个点表示可在坐标图上用一个点表示四、四、热力过程和准静态过程热力过程和准静态过程 热力过程热力过程热力学状态连续变化的历程。热力学状态连续变化的历程。也叫过程 非准静态过程非准静态过程系统经历一系列不平衡状态的过程。坐标图上系统经历一系列不平衡状态的过程。坐标图上用虚线表示用虚线表示 准静态过程准静态过程系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。坐标系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。坐标图上可用实线表示图上可用实线表示准静态过程进行的条件：推动过程的作用无限小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

10、作为准静态过程来处理？这取决于所谓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。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。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，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，即所谓弛豫时气体的平衡状态被破坏后恢复

11、平衡所需的时间，即所谓弛豫时间非常短。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化过程很接近准静态过程 五、可逆过程和不可逆过程五、可逆过程和不可逆过程 可逆过程：系统进行一个热力过程后，能够沿原路径逆可逆过程：系统进行一个热力过程后，能够沿原路径逆向回复到初态，而不引起别的变化的热力过程。向

12、回复到初态，而不引起别的变化的热力过程。可逆过程进行的条件：可逆过程进行的条件：内部可逆内部可逆外部可逆（无耗散的外部可逆（无耗散的准静态过程）。准静态过程）。不可逆因素：摩擦、温差不可逆因素：摩擦、温差传热。传热。不可逆过程：存在自发的不可逆过程：存在自发的变化，从而产生不可复逆影响变化，从而产生不可复逆影响的过程。（如：摩擦、温差传的过程。（如：摩擦、温差传热的影响。）热的影响。）不可逆过程意味着作功能力的损失。不可逆过程意味着作功能力的损失。准静态过程准静态过程11.2理想气体状态方程式理想气体状态方程式理想气体：假设分子只有质量，没有体积；分子间无相互作用力。即：相互之即：相互之间间没

13、有作用力没有作用力的的质点质点组成的可压流体组成的可压流体 一、一、理想气体状态方程式理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：（克拉贝龙方程）：状态方程式：三个基本状态参数状态方程式：三个基本状态参数（p、v、T）之间的函数关系之间的函数关系：F(p，v，T)0 显函数形式：显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T)理想气体状态方程式理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：（克拉贝龙方程）：对对1mol理想气体理想气体 pVmRT R摩尔气体常数（普适气体常数）摩尔气体常数（普适气体常数），R R8.314 510 J/(molK)8.314 510 J/(molK)对任何气体成

14、立对任何气体成立 对对1kg理想气体理想气体 pvRgT RgRgR/MR/M气体常数气体常数 ，MM摩尔质量，即气体分子量摩尔质量，即气体分子量 。与气体的种类有关。与气体的种类有关 n mol理想气体理想气体 pVRT，m kg理想气体理想气体 pVRgT 可见：可见：p，v，T三参数已知两个，可求得第三个。阿佛加德罗定律在同温，同压下，容积相同的任何气体具有相同的分子数。就是阿佛加德罗定律“mol”表示物质的量，任何1mol物质含有相同的分子数，等于12g碳12的原子数（阿佛加德罗数6.0228*1023）推论：在同温，同压下，任何1Kmol气体的容积是相等的（标准状况下等于22.413

15、4m3/Kmol）例1：储气罐装有C2H6气体1kg，瓶的容积为50L，室温为27，求瓶内气体压力？例2：压缩空气储气罐的容积为0.3m3，压力为1MPa，用去一部分空气后，压力降为0.9MPa，设室温为20，空气气体常数为R=287.1J/kgK，求原有空气质量与用后剩余空气质量？1 何谓平衡状态？何谓平衡状态？2 何谓理想气体？其实际意义何在？何谓理想气体？其实际意义何在？3 试试说说明明1mol1mol理理想想气气体体状状态态方方程程式式的的通通用用性性，并并从从宏宏观观及及微微观观两方面描述其物理现象的特征。两方面描述其物理现象的特征。4 何谓准静态过程？实现准静态过程的条件是什么？何

16、谓准静态过程？实现准静态过程的条件是什么？5 在非静态过程中，系统的容积变化功是否可以表示为在非静态过程中，系统的容积变化功是否可以表示为为什么？为什么？6 热量和功量有什么相同的特征？两者的区别是什么？热量和功量有什么相同的特征？两者的区别是什么？思思 考考 题题11.3工质的比热定义：即单位工质在一定条件下作单位温度变化时所吸收（放出）的热量。注意：它是工质的物理属性，不是状态参数，其值因工质不同而不同。即使同一工质，也因物量单位和热力过程性质及加热状态不同而不同一、物量单位比热质量比热（KJ/kgK）容积比热（KJ/m3K）摩尔比热（KJ/KmolK）三者关系二、热力过程比热定容比热定压

17、比热两者者关系因为气体在定压下加热，当T升高时还要对外作膨胀功，所以同样升高1K，比在定容下需更多的热量实验证明：理想气体定压与定容比热的差值常数R我们还定义比热比K（绝热指数）所以迈耶公式三、真实比热和平均比热真实比热和平均比热理想气体的比热不仅与物量单位和过程有关，而且理想气体的比热不仅与物量单位和过程有关，而且随温度变化（和压力关系不大）。通常根据实验数据将随温度变化（和压力关系不大）。通常根据实验数据将其表示为温度的函数：其表示为温度的函数：利用真实比热计算热量：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。真实比热适用于大温差、计算精度要求高的场合。CtCtt2t

18、1平均比热平均比热可见，计算热量需积分，麻烦，所以往往用平均比热根据实验编制0-t的比热表，计算时直接查表。0t1t2四、定比热实际应用中，当温度变化不大或计算不要求十分精确，把比热近似看作确定数，称定比热。一般用 25时气体比热的实时气体比热的实验数据。验数据。五、理想混和气的比热内燃机的工质由多种气体组成，就空气就由氧气、氮气等多种气体组成。燃料燃烧的废气中有CO，CO2，NOx，N2，O2等气体组成。由于各组成气体混和时不发生化学反应。每一种气体可看着是理想气体，混和气也可看作是理想气体。前面的公式定理都适用。理想混和气体由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体，其中由相互不发生化学反

19、应的理想气体组成混合气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。组元的性质与份额。理想气体混合物也遵守理想气体状态参数状态式：理想气体混合物也遵守理想气体状态参数状态式：混合物的质量等于各组成气体质量之和：混合物的质量等于各组成气体质量之和：混合物物质的量等于各组成气体物质的量之和：混合物物质的量等于各组成气体物质的量之和：所以混和气体的摩尔质量为：例：某混和气由8kg氧气，7kg氮气，1kg氢气组成，求在标准状况下的混

20、和气的摩尔质量、比容、气体常数。混合物的组成混合物的组成 一般用组成气体的含量与混合物增量的比值来一般用组成气体的含量与混合物增量的比值来表示混合物的组成。表示混合物的组成。质量分数质量分数：摩尔分数摩尔分数：容积分数容积分数：显然显然混合物组成气体成份之间的关系混合物组成气体成份之间的关系由由由由由由得得得得得得由摩尔质量的定义，由摩尔质量的定义，混合物的摩尔质量混合物的摩尔质量为：为：即得：即得：由：由：又得：又得：混合物的折合气体常数混合物的折合气体常数为：为：即得：即得：和：和：以上二式还可写为：以上二式还可写为：理想气体混合物的比热理想气体混合物的比热质量比热容积比热摩尔比热可见理想

21、混和气的比热等于各组成气体的比热与该气体相对成分乘积11.4热力学第一定律能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。能量守恒和转换定律能量守恒和转换定律能量是可以相互转换能量是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。的，且转换前后的总量保持不变。热力学第一定律热力学第一定律热能与机械能是可以相互热能与机械能是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。转换的，且转换前后的总量保持不变。输入系统的能量输入系统的能量=系统储存的能量系统储存的能量+输出系统的能量输出系统的能量可见：不消耗能量而能对外连续作功的可见：不消耗能量而能对外连续作功的第一类永第一类永动

22、机是不可能实现的动机是不可能实现的。一、内能、功、热量1、内能（U）：工质内部各种形式能量的工质内部各种形式能量的总和。包括：总和。包括：内部动能内部动能包括分子的移动动能、转动动能，分包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子的振动动能，温度越高，内部动能越子中原子的振动动能，温度越高，内部动能越大。可见是温度的函数大。可见是温度的函数 内部位能内部位能由分子间相互作用力形成。大小取决由分子间相互作用力形成。大小取决于分子间的距离。可见是比容的函数于分子间的距离。可见是比容的函数化学能、原子能等。化学能、原子能等。在没有化学反应、核反应的物理过程中，在没有化学反应、核反应的物理过程中，内能的变

23、化只包括内部动能和内部位能的变化。内能的变化只包括内部动能和内部位能的变化。所以内能能是个状态参数。所以内能能是个状态参数。比内能比内能u/(J/kg)：系统的总能量系统的总能量E/J：比内能可由任意两个独立参数确定：比内能可由任意两个独立参数确定：宏观动能宏观位能对于理想气体，因假设其分子间无引力，位能为0，所以其为温度的单值函数。即对于同一种气体，只要有相同的初态和终态温度，任何热力过程内能的变化都是相同的2功：热力学中对功的定义：热力过程中，热力系热力学中对功的定义：热力过程中，热力系统与边界间，越过边界而传递的能量，若其统与边界间，越过边界而传递的能量，若其全部作用效果可表现为使物体改

24、变宏观运动全部作用效果可表现为使物体改变宏观运动的状态，则这种传递的能量称为功。的状态，则这种传递的能量称为功。可见：功是过程量；功是传递的能量（瞬时可见：功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。量）。直接由系统容积变化与外界间发生作用而传直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为递的功称为容积变化功容积变化功（膨胀功或压缩功）。（膨胀功或压缩功）。对于由气缸和活塞所包围的热力系统，对于由气缸和活塞所包围的热力系统，进行一个微元过程中，如活塞所受推力为进行一个微元过程中，如活塞所受推力为F,位移为位移为dx,则系统对外界作的膨胀功为：则系统对外界作的膨胀功为：W=Fdx 对准静态过程，对准

25、静态过程，F=pA,所以所以，W=pAdx=pdV 当系统由状态当系统由状态1 1到状态到状态2 2进行一个准静态过程时，系统对外进行一个准静态过程时，系统对外界所作的功可表示为：界所作的功可表示为：单位质量气体单位质量气体以及以及功在功在p-v图上的表示：图上的表示：功的符号功的符号：系统对外作：系统对外作功为正（膨胀过程）；功为正（膨胀过程）；外界对系统作功为负外界对系统作功为负（压缩过程）。（压缩过程）。3 3、热量、热量 热量热量热力过程中，仅仅由于温度不同，在系统与外界间热力过程中，仅仅由于温度不同，在系统与外界间越过边界而越过边界而传递的能量传递的能量。可见：热量是过程量；热量是传

26、递的能量（瞬时量）。可见：热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。热能热能-工质内部由于分子紊乱运动具有的能量，是状态量。工质内部由于分子紊乱运动具有的能量，是状态量。热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量；而功则是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生能量；而功则是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。相互作用而传递的能量。热量的符号热量的符号：系统吸热时热量为正，系统放热时热量为负。：系统吸热时热量为正，系统放热时热量为负。热量与功量的类比热量与功量的类比 势（势参数）势（势参数）推动能量传递的作

27、用力。推动能量传递的作用力。如如p功量功量,T热量热量.状态坐标状态坐标其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志。其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志。如如v功量功量。功量：功量：势势：p 状态坐标状态坐标:V热量热量 势：势：T 状态坐标状态坐标:？取描述热量传递的状态坐标为熵：取描述热量传递的状态坐标为熵：S,单位：单位：J/K。对对1kg工质，则有工质，则有：所以有所以有和：和：S叫比熵叫比熵4、熵S定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时的绝对温度所得的熵。熵为导出状态参数（至于它的推导，热力学中有介绍）温熵图与p-V示功图相仿，用来表示热量的图叫T-S示热图二、闭口系统

28、能量方程式闭口系统能量方程式闭口系统与外界间可能发生的能量交换：热量和功量闭口系统与外界间可能发生的能量交换：热量和功量根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：The energy equation for Control Mass对于热力过程对于热力过程1-2,1-2,有：有：对对1kg工质，有工质，有：式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。外界对系统作功为负。表述为：热力过程中，闭口系统从外界接受的能量一部分用来增加系统表述为：热力过程中，闭口系统从外界接受的能量一部分用来增加

29、系统的内能，另一部分用来对外做功。的内能，另一部分用来对外做功。上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。对于对于无耗散的准静态过程无耗散的准静态过程，因此上述诸式可写为：因此上述诸式可写为：对对1kg工质，有工质，有：闭口系统能量方程式的应用闭口系统能量方程式的应用1、定容加（放）热过程（设过程为内平衡过程）因为定容dV=0，所以定容加（放）热量，全部变为内能的增（减）又因定容过程热量的计算为所以说明：对于温度变化范围相同的任意过程，内能的变化都相等，内能是温度的单值函数，只与状态有关。2、定压过程热力学第一定律定压过程热量计算任意过程所以定

30、压过程p是常数得到迈耶公式三、开口系统三、开口系统能量方程式能量方程式物理模型物理模型Time 0Time 0 d引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。经历经历d时间后，系统内的质量变化：时间后，系统内的质量变化：由此可得：由此可得：该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。能量交换的情况：能量交换的情况：加入系统的加入系统的热量热量：系统对外所作的系统对外所作的轴功轴功：推动功推动功推动

31、工质流入、流出系统所消耗的功量推动工质流入、流出系统所消耗的功量出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：于是开口系统对外界输出的于是开口系统对外界输出的净推动功净推动功为：为：过程中流入、流出系统的过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量工质所带入系统的净能量为为 ：入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功推动功：（外界对系统作功）（外界对系统作功）（系统对外界作功）（系统对外界作功）由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系

32、为 ：因：因：而而:以及：以及：将其代入上述开口系统能量方程式，即有：将其代入上述开口系统能量方程式，即有：（2-6a）稳定状态稳定流动能量方程式稳定状态稳定流动能量方程式一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。稳定状态：各点的状态不随时间变化；稳定状态：各点的状态不随时间变化；稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。系统与外界交换的热量和功量稳定不变。系统与外界交换的热量和功量稳定不变。过程特点：过程特点：将其代入式将其代入式（2-6a）：取取有有得稳定流动状态方程

33、式令令则有则有将其称为焓，也是一个状态参数将其称为焓，也是一个状态参数：焓并不能看作是工质储存的能量，而是焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。内能则随工质流动跨越边界而转移的能量。内能则是工质内部储存能量的唯一形式。是工质内部储存能量的唯一形式。由热力学第一定律由热力学第一定律，有：有：即即热力学第一定律的另一主要形式热力学第一定律的另一主要形式。轴功轴功 由稳定流动能量方程式，可得到轴功与其他形式能量由稳定流动能量方程式，可得到轴功与其他形式能量之间的关系为：之间的关系为：由：由：可得：可得：上式说明：稳定流动过程中开口系统所作上式说明：稳定流动过程中开口系统所

34、作轴功轴功，是工质的容，是工质的容积变化功，在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位积变化功，在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位能之后，通过边界输出的功。能之后，通过边界输出的功。可逆过程可逆过程技术功技术功wt工程上可以直接利用的机械能工程上可以直接利用的机械能将轴功的表达式代入上式，即有：将轴功的表达式代入上式，即有：忽略宏观动能和位能，则有忽略宏观动能和位能，则有 由上式可知，准静态过程的技术由上式可知，准静态过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表功的大小可用过程线左边的面积来表示。示。稳定流动能量方程式应用举例稳定流动能量方程式应用举例一、加热器或冷却器一、加热器或冷却器

35、 heat exchanger二、涡轮机或压气机二、涡轮机或压气机 Turbines,compressors and pumps特点：特点：特点：特点：所以有：所以有：所以有：所以有：三、喷管三、喷管Nozzles and Diffusers四、绝热节流四、绝热节流 Throttling Devices(adiabatic process)所以有：所以有：特点：特点：特点：特点：所以有：所以有：2-1 2-1 试说明内能的定义及其物理意义。试说明内能的定义及其物理意义。2-2 2-2 按照热力学第一定律能量方程式按照热力学第一定律能量方程式QUW设设式式中中各各项项可可任任意意改改变变其其正正

36、负负号号，试试说说明明相相应应的的能能量量转转换换关关系系，并举一二个实例。并举一二个实例。2-3 2-3 试说明下列三式的物理意义，试说明下列三式的物理意义，dUW，dUpdV，dUd(pV)它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？2-4 2-4 试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。2-5 2-5 何何谓谓稳稳定定状状态态稳稳定定流流动动过过程程？试试分分析析该该过过程程中中工工质质所所经经历历的的状状态态变变化化过过程程，与与闭闭口口系系统统中中工工质质所所经经历历的的状状态态变变化化过

37、过程程的的相似之处。相似之处。思思 考考 题题11.5 理想气体的热力过程理想气体的热力过程热力过程很多，在热力过程很多，在p-vp-v，T-sT-s图上任意一条线就是一个热图上任意一条线就是一个热力过程。内燃机能量转换的实际热力过程很复杂，为了研究方力过程。内燃机能量转换的实际热力过程很复杂，为了研究方便，工程中，完成热功转换的热力过程都可以被抽象为定容、便，工程中，完成热功转换的热力过程都可以被抽象为定容、定压、定温、绝热和多变过程。定压、定温、绝热和多变过程。下面就逐一谈论，下面就逐一谈论，讨论的内容：讨论的内容：过程方程过程方程过程中能量转换关系（过程热量、功量，系统热力学能和焓过程中

38、能量转换关系（过程热量、功量，系统热力学能和焓的变化）；的变化）；状态参数的变化关系状态参数的变化关系（p、v、T、s）；过程曲线在过程曲线在p-v 图及图及T-s图上的表示。图上的表示。u、h 和和s 按前述的方法计算按前述的方法计算。一、定容过程定容过程比容积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程比容积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程1、过程方程：、过程方程：v常量常量2、过程中状态参数之间的关系：、过程中状态参数之间的关系：由：由：可得：可得：3、熵变：、熵变：当比热为定值时：当比热为定值时：4、定容过程在状态参数坐标图、定容过程在状态参数坐标图上的表示：上的表示：T-s图上的斜率

39、：图上的斜率：p-v图上的斜率：图上的斜率：5、过程中能量转换关系：、过程中能量转换关系：即系统接受的热量全部用于增加系统的热力学能。即系统接受的热量全部用于增加系统的热力学能。当比热为定值时：当比热为定值时：轴功：轴功：dv=0容积变化功：容积变化功：热量：热量：二、定压过程定压过程压力保持不变时系统状态发生变化所经历的过程压力保持不变时系统状态发生变化所经历的过程1、过程方程：、过程方程：p=常量常量2、过程中状态参数之间的关系：、过程中状态参数之间的关系：由：由：可得：可得：3、熵变：、熵变：当比热为定值时：当比热为定值时：4、定压过程在状态参、定压过程在状态参数坐标图上的表示：数坐标图

40、上的表示：T-s图上的斜率：图上的斜率：p-v图上的斜率：图上的斜率：5、定压过程中能量转换关系、定压过程中能量转换关系系统的容积变化功：系统的容积变化功：轴功：轴功：系统接受的热量：系统接受的热量：当比热为定值时：当比热为定值时：q=dh-vdp三、定温过程定温过程温度保持不变时系统状态发生变化所经历的过程温度保持不变时系统状态发生变化所经历的过程2、过程方程及状态参数之间的关系：、过程方程及状态参数之间的关系：4、熵变：、熵变：当比热为定值时：当比热为定值时：3、定温过程在状态参、定温过程在状态参数坐标图上的表示：数坐标图上的表示：1、过程方程、过程方程T-s图上的斜率：图上的斜率：p-v

41、图上的斜率：图上的斜率：5、过程中能量转换关系、过程中能量转换关系定温过程系统所作的定温过程系统所作的容积变化功容积变化功为：为：稳稳定定流流动动的的开开口口系系统统，若若其其工工质质的的流流动动动动能能和和重重力力位位能能的的变变化化可可以以忽忽略略不不计计，则则按按定定温温过过程程方方程程式式，定定温温过过程程中中系系统统所所作的作的轴功轴功为：为：即定温过程中系统轴功等于容积变化功即定温过程中系统轴功等于容积变化功 热量热量：定温过程中系统的热力学能及焓均不变化，因而有：定温过程中系统的热力学能及焓均不变化，因而有 即定温过程中系统吸收的热量等于系统所作的功即定温过程中系统吸收的热量等于

42、系统所作的功。q=dh-vdpq=du+pdv四、四、绝热过程绝热过程系统与外界不发生热量交换时所经历的过程。系统与外界不发生热量交换时所经历的过程。1、过程方程、过程方程又因为：又因为：因此有：因此有：由热力学第一定律可得：可得：2、熵变：、熵变：因此有：对于无功耗散的准静态绝热过程即为定熵过程因此有：对于无功耗散的准静态绝热过程即为定熵过程3、绝热过程在状态参、绝热过程在状态参数坐标图上的表示：数坐标图上的表示：4、状态参数之间的关系：、状态参数之间的关系：由由有有可得可得又由又由得到得到T-s图上的斜率：图上的斜率：p-v图上的斜率：图上的斜率：5、能量转换关系、能量转换关系热量热量：容

43、积变化功容积变化功：当比热为定值时：当比热为定值时：开口系统，若忽略动能及重力位能的变化，开口系统，若忽略动能及重力位能的变化，轴功轴功可表示为可表示为：由由，可得，可得因此有因此有五、多变过程五、多变过程1、各种热力过程，其过程方程式通常都可以表示为下述形式：、各种热力过程，其过程方程式通常都可以表示为下述形式：前述的四种典型过程均为多变过程的一个特例：前述的四种典型过程均为多变过程的一个特例：多变过程多变过程在状态参数坐标图上的表示在状态参数坐标图上的表示。n顺时针方向增大。顺时针方向增大。两图两图的过程线和区间一一对应的过程线和区间一一对应。dv0,功量为正。功量为正。ds0,热量为正。

44、热量为正。dT0du0，dh0。n=0pv0=p=常量常量定压过程；定压过程；n=1pv=常量常量定温过程；定温过程；n=pv=常量常量绝热过程；绝热过程；n=p1/nv=p0v=v=常量常量定容过程定容过程.2、多变过程的、多变过程的熵变熵变：即即多变过程的多变过程的容积变化功容积变化功：3、能量转换关系、能量转换关系多变过程的多变过程的热量热量：即即按比热与热量之间的关系，上式可写为按比热与热量之间的关系，上式可写为对比上面二式，可得对比上面二式，可得多变比热容多变比热容为为多变过程的多变过程的轴功轴功：多变过程多变过程 ，因此有，因此有 即多变过程的轴功等于容积膨胀功的即多变过程的轴功等

45、于容积膨胀功的n倍，由此可得：倍，由此可得：工程中，可按已有的热力过程来求取过程的多变指数工程中，可按已有的热力过程来求取过程的多变指数n。由由可得：可得：所以在所以在lnp-lnv的坐标图上，多变过程可表示为一条直线。又按多的坐标图上，多变过程可表示为一条直线。又按多变过程的参数关系变过程的参数关系：对上式取对数并整理后可以得到：对上式取对数并整理后可以得到：定容定容定压定压定温定温 绝热（定熵）绝热（定熵）多变多变多变指数多变指数01Kn过程方程过程方程v=cp=cT=cpv=cpvk=Cdq=0pvn=C基本状态参数基本状态参数关系式关系式u,h,s容积变化功容积变化功技术功技术功热量热

46、量过程比热容过程比热容热力过程公式表热力过程公式表 1 1 绝热过程是否一定是定熵过程？绝热过程是否一定是定熵过程？2 2 定熵过程的过程方程式是否一定是定熵过程的过程方程式是否一定是pvk常量？常量？3 3 是否所有的热力过程都是多变过程？是否所有的热力过程都是多变过程？4 4 试试根根据据p-v图图上上四四种种基基本本热热力力过过程程的的过过程程曲曲线线的的位位置置，画画出出自自点点1 1出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：(1)(1)内能增大及减小的过程；内能增大及减小的过程；(2)(2)吸热过程及放热过程。吸热过程及放热过程。5 5

47、试试根根据据T-s图图上上四四种种基基本本热热力力过过程程的的过过程程曲曲线线的的位位置置，画画出出自自点点1 1出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：(1)(1)膨胀作功的过程及压缩耗功的过程；膨胀作功的过程及压缩耗功的过程；(2)(2)压力升高的过程及压力降低的过程。压力升高的过程及压力降低的过程。思思 考考 题题 6 6 如图如图4-8所示，所示，1-2及及1-3为两个任意过程，而为两个任意过程，而2-3为一多变过程。试问：当多变过程的多变指数为一多变过程。试问：当多变过程的多变指数n0.9或或n1.1时，时，1-2和和1-3两过程的热力

48、学能的变两过程的热力学能的变化化u1,2和和u1,3哪一个大？哪一个大？已知双原子理想气体初态压力为6个大气压，比容为0.236m3/kg，经多变到终态压力为1.2个大气压，比容为0.815m3/kg，求n=？w=？q=？u=？11.6 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第一定律热力学第一定律能量守恒何转换定律。不违背第一定律的能量守恒何转换定律。不违背第一定律的过程是否都能自发地实现？过程是否都能自发地实现？一杯热水一杯热水 热量：热量：水水空气空气 （自发过程）（自发过程）能否将散失到空气中的热量能否将散失到空气中的热量自发地自发地聚集起来，使水加热？聚集起来，使水加热？运动的机械运动的

49、机械 摩擦生热，功量摩擦生热，功量为热量（自发过程）为热量（自发过程）能否将散失到空气中的热量能否将散失到空气中的热量自发地自发地聚集起来，使机械重新运聚集起来，使机械重新运动？动？高压容器中的气体高压容器中的气体 高压高压低压（自发过程）低压（自发过程）能否能否 让泄露到大气中的气体让泄露到大气中的气体自发地自发地重入容器，使容器恢复高重入容器，使容器恢复高压？压？功量功量热量（无条件，热量（无条件，100%），热量），热量功量（功量（100%）过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。热力学第二定律的任务：判断过程进行的热力学第二定律的任务：判断过

50、程进行的方向、条件、限度。一、任务 热机循环：总有一部分热量不能转换为机械能，而以废热的热机循环：总有一部分热量不能转换为机械能，而以废热的形式放给温度较低的环境。实践证明：形式放给温度较低的环境。实践证明：企图不向温度较低的环境企图不向温度较低的环境放热而把高温物体的热能放热而把高温物体的热能连续地完全转换连续地完全转换为机械能是不可能的为机械能是不可能的。热机吸热热机吸热热机放热热机放热循环净功循环净功热机循环热效率热机循环热效率二实质：上述非自发过程是可以设法实现的，但是有二实质：上述非自发过程是可以设法实现的，但是有条件的条件的 如：热机和制冷机如：热机和制冷机 制冷机制冷机实现热量由