1、2022年年2月月2日日2022年2月2日绪论2绪绪 论论0- -1 热能动力工程的重要地位热能动力工程的重要地位0- -2 能量转换装置工作过程简介能量转换装置工作过程简介0- -3 工程热力学的研究内容及研究方法工程热力学的研究内容及研究方法 2022年2月2日绪论3绪论30- -1 热能动力工程的重要地位热能动力工程的重要地位 动力工程充分满足生产需要时，社会生产就能迅速发展，推动动力工程充分满足生产需要时，社会生产就能迅速发展，推动人类社会不断前进。人类社会不断前进。 热能动力工程热能动力工程将热能转化为机械能，获得生产所需的原动力。将热能转化为机械能，获得生产所需的原动力。 热能动力
2、工程起步于热能动力工程起步于18世世纪。纪。1784年年瓦特制成的蒸汽机，为生瓦特制成的蒸汽机，为生产提供了强有力的动力装置，推动生产飞速发展，掀起了著名的产提供了强有力的动力装置，推动生产飞速发展，掀起了著名的“工业革命工业革命”，奠定了工业化生产的牢固物质基础。，奠定了工业化生产的牢固物质基础。 现现代社会中，热能动力工程的地位极为重要。热力发电厂、汽代社会中，热能动力工程的地位极为重要。热力发电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机、火箭发动机等热能动力装置和设备渗透轮机、内燃机、燃气轮机、火箭发动机等热能动力装置和设备渗透到社会生产和生活的各个领域，对现代的社会生产的发展起着十分到社会生产和生活
3、的各个领域，对现代的社会生产的发展起着十分重要的保证作用和积极的推动作用。重要的保证作用和积极的推动作用。 热能动力工程不断发展和进步，正在积极地向采用原子能和太热能动力工程不断发展和进步，正在积极地向采用原子能和太阳能等新能源的方向前进，并已取得很大进展。随着社会生产的发阳能等新能源的方向前进，并已取得很大进展。随着社会生产的发展，热能动力工程必将不断趋于完善并在新的领域取得成功。展，热能动力工程必将不断趋于完善并在新的领域取得成功。2022年2月2日绪论4绪论40- -2 能量转换装置工作过程简介能量转换装置工作过程简介 一、蒸汽动力装置一、蒸汽动力装置 锅炉锅炉产生蒸汽（将燃料的化学转换
4、为热能并传递给工质）。产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）。 工质工质工作介质工作介质(工作物质工作物质)。 工质工质（水、蒸汽）在装置内周而复始地循环，将热能转换为机（水、蒸汽）在装置内周而复始地循环，将热能转换为机械能。械能。 汽轮机汽轮机将蒸汽的将蒸汽的热能转换为机械能。热能转换为机械能。 冷凝器冷凝器将乏汽冷将乏汽冷凝成水。凝成水。 水泵水泵驱动工作介驱动工作介质循环（保证系统内部的质循环（保证系统内部的高压）。高压）。2022年2月2日绪论5绪论5 内燃机分柴油机和汽油机，从热力学观点看，其内燃机分柴油机和汽油机，从热力学观点看，其工作过程是相同的，以柴油机为例说明其工作过
5、程。工作过程是相同的，以柴油机为例说明其工作过程。 进气过程：进气过程：进气阀打开，排气阀关闭，活塞下行，进气阀打开，排气阀关闭，活塞下行，将空气吸入气缸。将空气吸入气缸。 压缩过程：压缩过程：进、排气阀关闭，活塞上行压缩空气，进、排气阀关闭，活塞上行压缩空气，使其温度和压力升高。使其温度和压力升高。 燃烧过程：燃烧过程：喷油嘴向气缸内喷油，燃料燃烧，气喷油嘴向气缸内喷油，燃料燃烧，气缸内气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为缸内气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。热能）。 膨胀过程：膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，通过曲高温高压气体推动活塞下行，通过曲轴向外输出机械功。
6、轴向外输出机械功。 排气过程：排气过程：活塞接近下死点时，排气阀打开，废活塞接近下死点时，排气阀打开，废气在气缸内外压差的作用下流出气缸。随后，活塞上气在气缸内外压差的作用下流出气缸。随后，活塞上行将残余气体推出气缸。行将残余气体推出气缸。二、内燃机二、内燃机 上述过程周而复始地进行，实现了热能转换为机械能的任务。上述过程周而复始地进行，实现了热能转换为机械能的任务。2022年2月2日绪论6绪论6 燃烧室：燃烧室：空气和燃料在其中混合并燃烧（燃料的化学能转换为空气和燃料在其中混合并燃烧（燃料的化学能转换为热能），得到高温高压的燃气。热能），得到高温高压的燃气。 工质（空气、燃气）在装工质（空气
7、、燃气）在装置内周而复始地循环，实现了置内周而复始地循环，实现了将热能转换为机械能的任务。将热能转换为机械能的任务。三、燃气轮机装置三、燃气轮机装置 压气机：压气机：从大气环境吸气，并将其压缩，使其压力和温度升高。从大气环境吸气，并将其压缩，使其压力和温度升高。 涡轮机：涡轮机：高温高压的燃气高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功（热能转换为机械能），机械功（热能转换为机械能），其中一部分机械能用来驱动压其中一部分机械能用来驱动压气机。气机。2022年2月2日绪论7 7 压气机：压气机：吸入来自蒸发器的低压蒸气，通过压缩吸入来自蒸发器的低压蒸气，通过压缩( (
8、耗功耗功) )使其压使其压力和温度提高。力和温度提高。 冷凝冷凝器：器：使气体冷凝，得到常温高压的液体。使气体冷凝，得到常温高压的液体。 节流阀：节流阀：使液体降压，产生低压低温的液体（含少量蒸气）。使液体降压，产生低压低温的液体（含少量蒸气）。 蒸发器：蒸发器：通过壁面吸收冷藏库内的热量，工质汽化为低压气体，通过壁面吸收冷藏库内的热量，工质汽化为低压气体，同时使冷库降低温度或保持低温。同时使冷库降低温度或保持低温。 工质（气态或液态制冷剂）在压工质（气态或液态制冷剂）在压气机作用下周而复始地循环，实现了气机作用下周而复始地循环，实现了制冷的任务。制冷的任务。四、蒸气压缩制冷装置四、蒸气压缩制
9、冷装置 制冷：制冷：以消耗机械功或其他形式的能量为代价，使物体获得低以消耗机械功或其他形式的能量为代价，使物体获得低于环境的温度并维持该低温。于环境的温度并维持该低温。2022年2月2日绪论80- -3 工程热力学的研究内容及研究方法工程热力学的研究内容及研究方法 热热力学力学(经典热力学经典热力学)研究热能性质以及热能和其他能量相互研究热能性质以及热能和其他能量相互转换规律的科学。转换规律的科学。 工工程热力学程热力学热力学的一个分支，着重研究热能和机械能相互热力学的一个分支，着重研究热能和机械能相互转换的规律。转换的规律。 研究内容：研究内容： 热力学基本定律（热力学第一定律、热力学第二定
10、律）；热力学基本定律（热力学第一定律、热力学第二定律）；热力过程和热力循环；工质的性质；提高能量转换效率的途径。热力过程和热力循环；工质的性质；提高能量转换效率的途径。 研究方法：宏观方法研究方法：宏观方法不考虑物质微观结构，从宏观现象出发不考虑物质微观结构，从宏观现象出发描述客观规律。用宏观物理量描述客观规律。用宏观物理量( (状态参数状态参数) )来描述物质所处的状态。来描述物质所处的状态。 优点：直观、可靠。优点：直观、可靠。 统计热力学采用统计热力学采用微观方法微观方法。优点：物理概念清楚。优点：物理概念清楚。2022年2月2日第一章 基本概念及定义9第一章第一章 基本概念及定义基本概
11、念及定义1- -1 热力学系统热力学系统1- -2 热力学系统的状态及基本状态参数热力学系统的状态及基本状态参数1- -3 平衡状态和状态参数坐标图平衡状态和状态参数坐标图1- -4 状态方程式状态方程式1- -5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程1- -6 可逆过程的功可逆过程的功1- -7 热量热量1- -8 热力循环热力循环2022年2月2日第一章 基本概念及定义101- -1 热力学系统热力学系统 热力学系统（热力系统、热力系、系统）热力学系统（热力系统、热力系、系统）人为选定的某些人为选定的某些确定的物质或某个确定空间中的物质确定的物质或某个确定空间中的物质 。 外界外界系统
12、之外与系统能量转换过程有关的一切其他物质。系统之外与系统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。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。数量。边界可以是实际的、假想的、固定的或活动的。2022年2月2日第一章 基本概念及定义11 闭口系统闭口系统与外界无质量交换的系统（控制质量）。与外界无质量交换的系统（控制质量）。 开口系统开口系统与外界有质量交换与外界有质量交换的系统的系统（控制容积、控制体）。（控制容积、控制体）。 绝热系统绝
13、热系统与外界无热量交换与外界无热量交换的系统的系统。 孤立系统孤立系统与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。交换的系统。 热源热源具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只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。一般情况下，交换热量后其温度不发生变是与其他系统交换热量。一般情况下，交换热量后其温度不发生变化。化。 高温热源：向其他系统供热的热源；高温热源：向其他系统供热的热源； 低温热源：吸收其他系统放出热量的热源。低温热源：吸收其他系统放出热量的热源。 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
14、统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。系统的分类：系统的分类：2022年2月2日第一章 基本概念及定义121- -2 热力学系统的状态及基本状态参数热力学系统的状态及基本状态参数 热力学状态：热力学系统所处的宏观状况。热力学状态：热力学系统所处的宏观状况。 状态参数：描述系统热力学状态的宏观物理量。状态参数：描述系统热力学状态的宏观物理量。 基本状态参数：可以直接测量得到的状态参数（基本状态参数：可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。 导出状态参数：由基本状态参数计算得到的状态参数（导出状态参数：由基本状态参数计算得到的状态参数（u、h、s等）。等）。 状态参数仅决定于状态。对
15、应某一确定状态，就有一组状态参状态参数仅决定于状态。对应某一确定状态，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。其数值仅决数。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，状态参数的变化定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化（以压力（以压力p为例）可表示为：为例）可表示为：122, 1ppp状态参数的微增量具有全微分的性质，即状态参数的微增量具有全微分的性质，即2 , 11221dpppp2022年2月2日第一章 基本概念及定义13 一、比体积一、比体积v 单位质量物质占有的体积。描述系统内部物单位质量物质
16、占有的体积。描述系统内部物质分布状况的参数。质分布状况的参数。基本状态参数：基本状态参数：m3/kgmVv 密度和比体积互为倒数，即密度和比体积互为倒数，即vVm1kg/m32022年2月2日第一章 基本概念及定义14二、压力二、压力ebppp 绝对压力绝对压力p：流体的真实压力。：流体的真实压力。 相对压力相对压力(表压力表压力pe、真空度、真空度pv)：压力计：压力计(真空表真空表)显示的压力。显示的压力。 (压强压强)p流体在单位面积上的垂直作用力流体在单位面积上的垂直作用力 。描述。描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。vbppp 压力
17、的单位：压力的单位：Pa，工程上常用，工程上常用MPa(1 MPa106 Pa)。其他还。其他还在应用的压力单位有在应用的压力单位有bar (巴巴)、 atm (标准大气压标准大气压)、 mmHg (毫米汞毫米汞柱，柱，0)及及mmH2O (毫米水柱，毫米水柱，4)等等 2022年2月2日第一章 基本概念及定义15三、温度三、温度t T273.15 K T表征表征物物体的冷热程度体的冷热程度 ，是描述系统热状况的，是描述系统热状况的参数参数 。 按气体分子运动学说，气体的温度为气体分子平均移动动能的按气体分子运动学说，气体的温度为气体分子平均移动动能的量度。量度。 热力学温标的基本温度为热力学
18、温度热力学温标的基本温度为热力学温度T，采用水的固相、液相，采用水的固相、液相和汽相三相共存状态的温度作为定义热力学温标的固定点，规定该和汽相三相共存状态的温度作为定义热力学温标的固定点，规定该点的热力学温度为点的热力学温度为273.16K。热力学温度单位。热力学温度单位K为水的三相点温度为水的三相点温度的的1/273.16。 热力学温标也用摄氏温度热力学温标也用摄氏温度t来表示。单位为来表示。单位为(摄氏度摄氏度)。摄氏温。摄氏温度的定义为度的定义为2022年2月2日第一章 基本概念及定义161- -3 平衡状态和状态参数坐标图平衡状态和状态参数坐标图 平衡状态：在没有外界影响的条件下，热力
19、系统的宏观状况不平衡状态：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。随时间变化的状态。平衡条件平衡条件：热平衡热平衡系统内具有均匀一致的温度。系统内具有均匀一致的温度。力平衡力平衡系统内具有确定不变的压力分布系统内具有确定不变的压力分布 。化学平衡化学平衡 系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。状态公理表系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。状态公理表明，确定系统平衡状态所需的独立状态参明，确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目等于系统和外界间进行能量传递数的数目等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。对于常见的气态物质组成的方式的数目。对于常见的气态物质组成
20、的系统，没有化学反应时，它和外界间传递系统，没有化学反应时，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。的状态。 2022年2月2日第一章 基本概念及定义171- -4 状态方程式状态方程式 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，即之间的函数关系，即： F(p，v，T)0 显函数形式：显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T) RgR/M气体常数气体常数 ，M摩尔质量摩尔质量 。 对对n (mol)理想气
21、体理想气体： pVRT 对对m (kg)理想气体理想气体： pVRgT 理想气体：相互之间没有作用力的质点组成的可压缩流体。理想气体：相互之间没有作用力的质点组成的可压缩流体。 理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）： 对对1mol理想气体：理想气体： pVmRT R8.314 510 J/(molK) 摩尔气体常数；摩尔气体常数；Vm摩尔容积，摩尔容积，m3/mol 。 对对1kg理想气体理想气体： pvRg T 2022年2月2日第一章 基本概念及定义181- -5 准静态过程和可逆过程准静态过程和可逆过程 热力过程热力过程热力学状态连续变化的历程。热力学状
22、态连续变化的历程。 非准静态过程非准静态过程由一系列不平衡状态组成的过程。由一系列不平衡状态组成的过程。 准静态过程准静态过程由一系列无限接近平衡状态的准静态组成的过由一系列无限接近平衡状态的准静态组成的过程。程。 准静态过程进行的条件：推动过程进行的作用准静态过程进行的条件：推动过程进行的作用无限小。无限小。2022年2月2日第一章 基本概念及定义19 实际过程是否可以作为准静态过程来处理取决于弛豫时间。实际过程是否可以作为准静态过程来处理取决于弛豫时间。 弛豫时间：气体平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。弛豫时间：气体平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。 大部分实际过程可近似看做准静态过程
23、。因为气体分子热运动大部分实际过程可近似看做准静态过程。因为气体分子热运动平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播速度也达每秒数百米，平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播速度也达每秒数百米，因而在一般工程设备的有限空间内，气体的平衡状态被破坏后恢复因而在一般工程设备的有限空间内，气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间，即弛豫时间非常短。平衡所需的时间，即弛豫时间非常短。 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，机器工作时气体工质内子热运动的平均速度相比相差一个数量级，机器工作时气体工
24、质内部能及时地不断建立平衡状态，因而工质的变化过程很接近准静态部能及时地不断建立平衡状态，因而工质的变化过程很接近准静态过程。过程。 准静态过程应用的条件准静态过程应用的条件2022年2月2日第一章 基本概念及定义20可逆过程可逆过程 热力学系统进行一个热力过程后，能沿原过程逆热力学系统进行一个热力过程后，能沿原过程逆向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何变化的热力过程。变化的热力过程。 摩擦、涡流以及温差传热等均为不可逆因素。摩擦、涡流以及温差传热等均为不可逆因素。 可逆过程可逆过程= =无耗散的准静态过程。无耗散
25、的准静态过程。2022年2月2日第一章 基本概念及定义211- -6 可逆过程的功可逆过程的功 功的定义（力学）：功的定义（力学）：WF x 功的热力学定义：热力学系统和外界间通过边界而传递的能量，功的热力学定义：热力学系统和外界间通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。且其全部效果可表现为举起重物。 功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。 直接由系统容积变化与外界间发生作用而直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为容积变化功（膨胀功或压缩功）。传递的功称为容积变化功（膨胀功或压缩功）。 由气缸和活塞所包围的热力系统进行一个由气缸和活塞
26、所包围的热力系统进行一个微元过程，如活塞所受推力微元过程，如活塞所受推力F，位移，位移dx, ,则系则系统对外界作的膨胀功为：统对外界作的膨胀功为：xFWd2022年2月2日第一章 基本概念及定义22对可逆过程对可逆过程，F=pA, ,所以所以 系统由状态系统由状态1到状态到状态2进行一个可逆过程时，系统与外界的功量进行一个可逆过程时，系统与外界的功量交换：交换：212121dVpWWvpmVpmVpmwwddd单位质量气体：单位质量气体：2121dvpw以及以及功量在功量在p- -v图上的表示：图上的表示： 功的符号：系统对外作功为正；外界对系统作功为负。功的符号：系统对外作功为正；外界对系
27、统作功为负。VpxpAWddxFWd2022年2月2日第一章 基本概念及定义231- -7 热量热量 热量的定义：热量的定义：热力学系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过热力学系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量边界传递的能量。 热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。 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能量；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。传递的能量。 热量符号：系统吸热
28、时热量为正，系统放热时热量为负。热量符号：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）：推动能量传递的作用力，如势（势参数）：推动能量传递的作用力，如p, T。 状态坐标：其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志，如状态坐标：其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志，如v。2022年2月2日第一章 基本概念及定义24 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,单位为单位为J/K。VpWdVpWd2121STQdSTQd2121sTm
29、STmSTmQqddd2121dsTq因此有因此有对对1kg工质工质：和和 ，2022年2月2日第一章 基本概念及定义25比热容及用比热容计算热量比热容及用比热容计算热量 质量热容质量热容( (比热容比热容) )c 1 1kg物质温度升高物质温度升高1K(或或1)所需的热所需的热量，即量，即 热量是过程量。定容过程的比热容称为比定容热容热量是过程量。定容过程的比热容称为比定容热容cV：VVTqcdTcqVVd和和 定压过程的比热容称为比定压热容定压过程的比热容称为比定压热容cp：ppTqcdTcqppd和和TqcdJ/(kgK)2022年2月2日第一章 基本概念及定义26摩尔热容摩尔热容 1
30、mol物质温度升高物质温度升高1 K(或或1 )所需要的热量，用所需要的热量，用Cp,m及及CV,m表示表示 ，单位为，单位为J/(molK)。 容积热容容积热容标准状态下标准状态下1 m3的气体温度升高的气体温度升高1K(或或1)所需所需要的热量，用要的热量，用Cp及及CV表示表示 ，单位为，单位为J/(m3K) 。 三种热容的关系：三种热容的关系： Cp,m=(22.410-3 m3/mol)Cp=Mcp 热量的计算：热量的计算：Tcqqd2121212022年2月2日第一章 基本概念及定义271- -8 热力循环热力循环 热力循环（循环）热力循环（循环）封闭的热力过程。系统由初始状态出发
31、，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的热力过程。经过一系列中间状态回到初始状态的热力过程。adccbawww 循环净功量：循环净功量： 循环净热量：循环净热量：adccbaqqq 正循环正循环顺时针进行的循顺时针进行的循环，热机循环。环，热机循环。 逆循环逆循环逆时针进行的循逆时针进行的循环，制冷环，制冷(热泵热泵)循环。循环。 2022年2月2日第二章 热力学第一定律28第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2- -1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2- -2 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式2- -3 开口系统能量方程式开口系统能量方程式2
32、- -4 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2- -5 轴功轴功2- -6 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2022年2月2日第二章 热力学第一定律292- -1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 热力学第一定律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：能量可以相互转换，且转换前后的总量能量守恒和转换定律：能量可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。保持不变。 热力学第一定律：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的热力学第一定律：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量保持
33、不变。总量保持不变。 第一类永动机是不可实现的。第一类永动机是不可实现的。WQwq 系统经历一个热力循环后，其所接受的净热量转换为对外所作系统经历一个热力循环后，其所接受的净热量转换为对外所作的净功。即：的净功。即：2022年2月2日第二章 热力学第一定律302- -2 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式 能量方程式能量方程式热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本身热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本身总能量之间的关系式。总能量之间的关系式。 热力学能热力学能U（J）：系统内部各种形式能量的总和。热力学能是系统内部各种形式能量的总和。热力学能是状态参数。状态参数。 比比热力学能热力学能
34、u (J/kg)：mUu 系统的总能量系统的总能量E（J）：UEEEpk),(1vpuu ),(2Tvuu ),(3Tpuu 比热力学能可由任意两个独立参数确定：比热力学能可由任意两个独立参数确定：宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能，2022年2月2日第二章 热力学第一定律31 闭口系统与外界间可能发生的能量交换：闭口系统与外界间可能发生的能量交换：Q和和W 一般不作整体位移一般不作整体位移，Ek与与Ep的变化均为零，因此与外界交换能的变化均为零，因此与外界交换能量（功量量（功量W、热量、热量Q）的结果只是导致热力学能）的结果只是导致热力学能U 的变化。的变化。WUQd 对于热力过程对于热力过程
35、1-2, ,有有211221)(WUUQ 对对1kg工质，有工质，有wuqd211221)(wuuq 正、负号规定：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，正、负号规定：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。 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。 对于微元过程，有对于微元过程，有2022年2月2日第二章 热力学第一定律32 对可逆过程对可逆过程:vpwd因此上述诸式可写为因此上述诸式可写为VpUQdd2112d)(VpUUQ21vpuqdd211221d)(vpuuq对对1kg工质，有工质，有
36、2022年2月2日第二章 热力学第一定律332- -3 开口系统能量方程式开口系统能量方程式物理模型物理模型2022年2月2日第二章 热力学第一定律34经历时间经历时间 后，系统内的质量变化：后，系统内的质量变化：21dmmm由此可得由此可得dddd21mmm21ddmmqqm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质量流量之差。加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。 能量交换的情况：能量交换的情况： 加入系统的热量：加入系统的热量： 系统对外所作的轴功：系统对外所作的轴功： QsWdd
37、2022年2月2日第二章 热力学第一定律35推动功推动功推动流体流入或流出系统所消耗的功量。推动流体流入或流出系统所消耗的功量。1111111)(dmvpAdVApxFi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 222mvp 于是，开口系统对外界输出的净推动功为于是，开口系统对外界输出的净推动功为111222mvpmvp 过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为2211meme 即即入口处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功入口处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功111mvp2
38、022年2月2日第二章 热力学第一定律36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为)()(d2211111222smememvpmvpWQEUEEEpk因因2fk21mcE 2fk21ce mgzE pgze p而而以及以及将其代入上述开口系统能量转换关系式，即有将其代入上述开口系统能量转换关系式，即有)21(d2222f222vpgzcumEQs1112f111)21(Wvpgzcum)21(dd2222f222vpgzcuqEQms1112f111)21(Wvpgzcuqmueeepk和和开口系统开口系统能量方程式能量方程式，2022
39、年2月2日第二章 热力学第一定律372- -4 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0dd21mmqqm 过程特点：过程特点：，qm1=qm2=qm=常量，常量，将其代入开口系统能量方程式，有将其代入开口系统能量方程式，有0ddEs122f12f2112222)()(21)()(PzzgccvpvpuuqQm取取mqQqmqPwsss122f12f2112222)()(21)()(wzzgccvpvpuuq有有，2022年2月2日第二章 热力学第一定律38令令pvuhpVUpummhH)(则有则有s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq将其称为焓，也是一个状态参
40、数将其称为焓，也是一个状态参数：),(1vphh ),(2Tvhh ),(3Tphh 焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工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。热力学能是工质质流动跨越边界而转移的能量。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。内部储存能量的唯一形式。mhmpvmudU0由由vpuqddpvuh，有有vppvhvph-pvqd)(ddd)d(即即pvhqdd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。稳定状态稳定状态稳定流动稳定流动能量方程式能量方程式，2022年2月2日第二章 热力学第一定律392- -5 轴功轴功112212svpvp
41、uuqw1221f22f21zzgcc2112dvpwuuq112221sdvpvpvpw1221f22f21zzgcc 由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：由由可得可得 上上式说明：稳定流动过程中开口系统所作的轴功是工质的容积式说明：稳定流动过程中开口系统所作的轴功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、重力位能之后，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。通过边界输出的功。2022年2月2日第二章 热力学第一定律40 技术功技术功wt工程上可以直接利用的机械能工程
42、上可以直接利用的机械能s1221f22ft21wzzgccw将轴功的表达式代入上式，有将轴功的表达式代入上式，有21112221tddpvvpvpvpw 忽略宏观动能和位能，有忽略宏观动能和位能，有tsww 可见，可逆过程的技术功的大小可用过程可见，可逆过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示。线左边的面积来表示。2022年2月2日第二章 热力学第一定律412- -6 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、加热器或冷却器二、涡轮机或压气机二、涡轮机或压气机特点：特点： ws=0，cf2cf1，z2 z1所以有所以有 q=h2-h1s122f12f222)
43、()(21)(wzzgcchhq特点：特点： q=0，cf2cf1，z2 z1所以有所以有 ws=h1-h22022年2月2日第二章 热力学第一定律42三、喷管和扩压管三、喷管和扩压管四、绝热节流四、绝热节流)(21212221ffcchh所以有所以有s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq特点：特点： q=0，ws=0，z2 z1特点：特点： q=0，ws=0，cf2=cf1，z2 z1所以有所以有 h2=h12022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算43第三章第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算3- -1
44、 理想气体的热力学能和焓理想气体的热力学能和焓3- -2 理想气体的比热容理想气体的比热容3- -3 理想气体的熵理想气体的熵3- -4 理想气体混合物理想气体混合物2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算443- -1 理想气体的热力学能和焓理想气体的热力学能和焓 焦耳实验装置：两个金属容器，焦耳实验装置：两个金属容器，通过一个通过一个带阀门的管路连接，带阀门的管路连接，放置于一个有绝热壁的水放置于一个有绝热壁的水槽中。两容器可以通过金属壁和水实现热交换。槽中。两容器可以通过金属壁和水实现热交换。 实验结论：实验结论： u=f(T)热力学能仅仅是温度的函数。热力学能仅
45、仅是温度的函数。 实验过程：实验过程：A中充以低压的空气，中充以低压的空气，B抽成真空。整个装置达到抽成真空。整个装置达到稳定时测量水稳定时测量水( (亦即空气亦即空气) )的温度，然后打开阀门，让空气自由膨胀的温度，然后打开阀门，让空气自由膨胀充满两容器，当状态又达到稳定时再测量一次温度。测量结果：空充满两容器，当状态又达到稳定时再测量一次温度。测量结果：空气自由膨胀前后的温度相同。气自由膨胀前后的温度相同。 2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算45 热力学能热力学能（u）变化的计算：变化的计算：TcquVVVd)()d(TcuVdd0焓焓：TcuuVd21012
46、TRupvuhgTcqhpppd)()d(Tchpdd0Tchhpd21012 焓焓（h）变化的计算：变化的计算：即即h=f(T)焓也能仅仅是温度的函数。焓也能仅仅是温度的函数。 按定压过程：按定压过程： 按定容过程：按定容过程： ，有，有 因因u仅是温度的函数，故对温度变化相同的不同过程的热力学仅是温度的函数，故对温度变化相同的不同过程的热力学能的变化，可采用相同的计算手段。能的变化，可采用相同的计算手段。或或，有，有或或2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算463- -2 理想气体的比热容理想气体的比热容按比热容的定义，定容时的比热容可表示为按比热容的定义，定容时
47、的比热容可表示为VVTqcvpvvuTTuvpuqTVdddddvpvuTTuqTVdd0d vTTuqVVdVVTuc由热力学第一定律，有由热力学第一定律，有定容过程：定容过程：即即该式可作为热力学中关于比定容热容的定义。该式可作为热力学中关于比定容热容的定义。2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算47定压过程：定压过程： 按比热容的定义，定压时的比热容可表示为按比热容的定义，定压时的比热容可表示为ppTqc由热力学第一定律，有由热力学第一定律，有pvpphTThpvhqTpdddddpvphTThqTpdd0d p，即，即TThqppdppThc该式可作为热力学中
48、关于比定压热容的定义。该式可作为热力学中关于比定压热容的定义。2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算48 设设u=f(v,T)、 h=f(p,T)，而理想气体的比热力学能而理想气体的比热力学能u和比焓和比焓h仅是仅是温度的函数，则其微分关系式可表示为温度的函数，则其微分关系式可表示为TTuuvddTThhpddTcuVdd0Tchpdd0与理想气体的热力学能变化和焓变化的表达式相比：与理想气体的热力学能变化和焓变化的表达式相比：即有即有TuTucVVdd0ThThcppdd0 即在任何过程中，单位质量的理想气体的温度升高即在任何过程中，单位质量的理想气体的温度升高1
49、K时比热力时比热力学能增加的数值等于其比定容热容的值，而比焓增加的数值等于其学能增加的数值等于其比定容热容的值，而比焓增加的数值等于其比定压热容的值。比定压热容的值。 ，2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算49比定容热容与比定压热容之间的关系比定容热容与比定压热容之间的关系pvuTThcpdddd0TRpvgg0g0ddddRcTRTTucVpg00RccVpMCcppm, 00MCcVVm0,0RCCpmv0,m, 000Vpccg011RcVg01Rcp 由理想气体比定压热容的表达式，有由理想气体比定压热容的表达式，有：因为因为所以所以即即又因为又因为所以所以令
50、令即有即有0g1VcR，2022年2月2日第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算50真实比热容真实比热容3322100TaTaTaacp3322100TaTaTaacV 理想气体的比热容不仅与过程有关，而且随温度变化。通常根理想气体的比热容不仅与过程有关，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：据实验数据将其表示为温度的函数： 利用真实比热容计算热量：利用真实比热容计算热量：TTaTaTaaTcqpd)(d3322121021021)(2)(21221120TTaTTa)(4)(34142331322TTaTTa 真实比热容适用于大温差、计算精度要求高的场合。真实比热容适
