1、热力学全册配套完整课件热力学全册配套完整课件31 热力学基本概念1.1.1 热力学系统的定义系 统 (System)： 作为热力学研究对象的物质或空间被称为热力学系统，简称热力系。边 界 (Boundary)：将系统从其周围环境中分离出来的，真实的或是假想的表面称为边界。环境 (Surrounding)：又称为外界，热力系边界以外的任何物质与空间均称为环境。1.1 热力学系统热力学系统热力系的边界可以是真实的也可以是假想的；可以是固定的也热力系的边界可以是真实的也可以是假想的；可以是固定的也可以是可变的可以是可变的封闭热力系封闭热力系 (Closed system ) : 1.1.2 热力系的
2、分类热力系的分类与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系，也称与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系，也称为闭口系。为闭口系。 ( 因热力系内部质量不变又被称为控制因热力系内部质量不变又被称为控制质量质量 Control Mass )开口热力系开口热力系（Opened system ）: 和外界既有能量交换又有物质交换的热力系和外界既有能量交换又有物质交换的热力系 (也称为也称为控制体积控制体积control volume )孤立热力系孤立热力系 : 与外界既无能量交换也无物质交换的热力系与外界既无能量交换也无物质交换的热力系 宇宙宇宙1.2 状态与平衡状态与平衡1.2.1 状态状态 某一时刻热
3、力系所有宏观特性量的集合叫做状态1.2.2 状态的分类状态的分类: 平衡态平衡态: 系统中任何一部份的特性完全相同。系统中任何一部份的特性完全相同。 系统中任何一部份的特性不随时间变化。系统中任何一部份的特性不随时间变化。非平衡态非平衡态:1.2.3 平衡的条件平衡的条件热平衡热平衡力平衡力平衡化学平衡化学平衡相平衡相平衡1.3 系统的状态参数系统的状态参数1.3.1 定义定义从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为状态参数状态参数1.3.2 状态参数的特征状态参数的特征只与状态一一对应，而与状态变化时所经历的中间只与状态一一对应，而与状态变化时
4、所经历的中间过程无关过程无关用数学描述，即为：用数学描述，即为：dx = 01.3.3 状态参数的分类状态参数的分类强度参数：强度参数： 与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数，如：与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数，如：温度温度(T)、压力（强）、压力（强）(P)等等广延参数：广延参数： 与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数，如：与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数，如：质量质量(m)、体积体积(V)、焓、焓(H)、熵、熵(S)等等比参数：比参数： 单位化（质量或摩尔）的广延参数，如：单位化（质量或摩尔）的广延参数，如： 比容比容(v=V/m)、比焓、比焓(h=H/m)、比熵
5、、比熵(s=S/m)等等比参数具有强度参数的性质比参数具有强度参数的性质1.4 基本状态参数基本状态参数1.4.1.1 压力的定义物理中压强AFP 单位单位: SI: Pa-N/m2 English: psi-bf/in2压力、温度、比容易于测量1.4.1 压力（Pressure） 1bar=105 Pa = 0.1 MPa 1 kgf/cm21atm=101,325 Pa 1 bar =14.696 psi常用压力单位有：MPa，bar，kgf/cm21.4.2 表压力和真空度 绝对压力绝对压力: 某一给定点的实际压力“实际”二字指由公式 P=F/A计算所得值压力表表压力表压力:绝对压力高于
6、大气压（Pb）的部分，以 Pg 表达bPPPg真空度真空度：绝对压力低于大气压的部分，以 Pv表示 PPPbvpbpgppvp绝对压力？表压力？ 真空度？ woooooooo!哪一个是状态参数? 1.4.2.1 热力学第零定律热力学第零定律 如果两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系之间必然互相处于热平衡。1.4.2 温度（Temperature）我认为应该是指物体冷热的程度。 对么？什么是温度?首先由 R. H. Fowler于1931年提出If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they ar
7、e also in thermal equilibrium with each other.处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度温度。1.4.2.2 温度的热力学定义温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量1.4.2.3 温标温标的三要素 ： 0点点 两个基准点两个基准点 ( 易于重现易于重现 ) 标度标度温标温度的标度历史上的温标SI: 摄氏温标（Celesuis scale） English: 华氏温标（Fahrenheit scale）F
8、ormerly called the centigrade scale, in 1948 it was renamed after the Swedish astronomer A.Celsuis (1701-1744)named after the German instrument maker G.Fahrenheit (1686-1736)SI: 开氏温标（Kelvin scale）English: 朗肯温标（Rankine scale）热力学温标:温标间关系:15.273)C()K(。TT67.459)F()R(。TT)K(8 . 1)R(TT32)C(8 . 1)F(。TT约定：今后
9、用摄氏温标表示的温度用字母 t 指代，用开氏温标表示的温度用 T 指代。1.4.2.4 常用温度测量仪表日常：水银温度计日常：水银温度计，酒精温度计，酒精温度计， thermometer工业：热电偶工业：热电偶 Thermocouple 热电阻热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计辐射温度计Radiation thermometer计量：铂电阻温度计计量：铂电阻温度计 Platinum1.4.3 比容（ specific volume ）mVv m3/kg1.5 状态公理状态公理热力系的状态是由状态参数描述的。热力系的状态是由状态参数描述的。但是需要
10、已知多少个状态参数就可以确定一个但是需要已知多少个状态参数就可以确定一个状态呢？需要穷举法么？状态呢？需要穷举法么？状态公理状态公理 对于可压缩纯物质体系，只要对于可压缩纯物质体系，只要“两个两个” 独立的强度独立的强度参数就可以确定其状态参数就可以确定其状态这里的“纯”，主要指相态纯，并非指单质1 . 6 热力学状态参数图由于两个独立状态参数决定一个状态，那么用二维的坐标图显示状态就顺理成章 pv平衡态非平衡态常用的状态参数坐标图有: p-v 图， T-s 图， h-s 图1 . 7 过程与循环过程与循环1.7.1过程过程 热力系从一个平衡态变化到另一个平衡态所经历所有状态的集合 古典热力学
11、只研究平衡态，既然平衡还怎么变化呢？准静态过程准静态过程:如果一个热力过程进行得无限缓慢使得过程进行时热力系内部随时都无限逼近于平衡态，则此过程为准静态过程可逆过程可逆过程:如果一个过程能够逆向发生，并且逆向进行时不会出现任何因耗散效应产生的痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程成立的条件比准静态过程更强，如果它成立要求过程进行时：热力系内部无限趋近于平衡；热力系内部无限趋近于平衡；热力系与外界无限趋近平衡；热力系与外界无限趋近平衡；路径封闭的过程即为循环 Pv可逆循环不可逆循环1.7.2 循环循环1.8 功（Work）1.8.1 功的力学定义力 在力方向上的位移1.8.2 功的热力学定义A：当热力
12、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取起重物，此即为热力系对外作功。以字母W表示，单位J或kJ。单位化的功用w表示，单位kJ/kg。B：功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。1.8.3 机械形式功本节不讨论诸如热电堆、太阳电池板等直接将热转化的电功1.8.3.1 膨胀功 FdsW21PAds21AdVPA21PdV21Pdvw21单位化:P-v 图Pdvw or因为功的大小与做功过程相关，即数学上与路径相关，因此不能写成全微分形式Pdvw21（1）公式成立的条件是：系统经历一可逆过程。系统经历一可逆过程。讨论：（2）热力系对外做功，
13、功为正；外界对热力系做功，功为负。热力系对外做功，功为正；外界对热力系做功，功为负。FdsW21mgdz21dzmg21)(12zzmg1.8.3.2 重力功 maF ) 1 (dtdmVdtdsV)2(dtdsV1.8.3.3 加速功 FdsW21dtdtdmVV21)(212122VV m1.9 1.9 热量与熵热量与熵热量是在温度的推动下，热力系与外界以微观无序运动方式相互传递的能量。用字母Q表示，单位为J或KJ。q为单位化热量，单位kJ/kg。1.9.1 热量的热力学定义1.9.2 热量的热力学计算式TCq上式计算热量需要依据工质的性质，普适性不佳考虑膨胀功的计算式：pdvw 微元功做
14、功动力做功标志pdvw q由于传热的驱动力来自温度，那么热量也应类似有：TdxTqdxdx的含义应当是在可逆条件下，热力系和外界交换热量与否的标志。显然，dx的表达式数学上具有商的形式，又与热量有关，因此清华大学刘仙洲教授命名为“熵”，用字母S表示，单位为kJ/K ；单位化熵为s，单位为kJ/kg.K 。这样上式可写为：Tqds热量的普适表达式为：Tdsq TdSQ 成立条件依然是可逆1.9.3 热量的正负热力学规定热力系吸热为正，热力系对外放热为负因此：系统吸热时热量为正 Q 0 dS 0，系统熵增加；系统放热时热量为负 Q 0 dS , = or 1 6-3-3 卡诺定律 在两个相同热库之
15、间，可逆热机的效率最高 两个相同热库之间，所有可逆热机的效率相同6-4 克劳修斯不等式6-4-1 克劳修斯积分式 对于单一卡诺循环121211TTqq 1212TTqq 即：1122TqTq 考虑 q1、 q2 符号，有：02211 TqTq 对于普通循环: 可按照如下图的办法将它分解为无数个卡诺循环1121112111TTqq11211121TTqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq那么：)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn将上述方程叠加起来0Tq0 Tq 6-4-2 克劳修斯不等式 若不可逆1121112111TTqq11211121T
16、Tqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn累加式子 (1).(n):0Tq0 Tq 这就是克劳修斯不等式，请注意克劳修斯不等式只适用于循环0Tq对于任意循环（包括可逆和不可逆循环）它在热力学里被称为热温商。可见循环的热温商是小于等于零的6-5 熵6-5-1 可逆过程的熵0ds1221badsds2121badsds2121bass6-5-1. 不可逆过程的熵变化对于不可逆过程 1-b-2.添加一段可逆过程1-a-2形成循环0Tq01221abTqTq1221abTqTq因为过程 1-a-2 是可逆过程所以：
17、2121abTqTq2121sTdqb显然这时熵的变化大于 ，即热温商的变化。Tq6-5-3 熵流和熵产Sg 是由于不可逆效应产生的因此被称为熵产Tdqs因此，存在一数值大于零的熵Sg ，使得：gsTdqsTdq 热温商积分的这一项的变化是由于传热引起的，被称为熵流 Sf 熵流可以大于、等于或小于零熵产只能大于或等于零 上述讨论表明熵有二重特性：一方面熵通过熵流体现热力系的传热特性；另一方面熵通过熵产展现出热力系不逆效应的大小；6-5-4 可逆定温过程的熵变化0isothermalTdqsdqT010Tq6-6 孤立系熵增原理6-6-1. 熵增原理 对于孤立系： Sf = 0所以： Sisol
18、ated= Sg = 0 6-6-2. 温差传热过程的熵增 系统环境边界TsysTsurrQsurrsurrsyssysTdQTdQsisolateddQTdQTsurrsys11syssurrTTQ116-6-3. 做功能力的损失TsT1T2122绝热过程ss损失)(0ssTloss 6-6-4. 宇宙的熵与热寂假说Hawking Stephen6-7 熵的本质6-7-1. 波尔兹曼关系式 )ln(pkS kJ/kmol.K103086. 1 23波尔兹曼常数k热力学或然率p6-7-2. 熵的定义 熵: 衡量热力系混乱或自由程度大小的物理量 热是一种无序的能量，因此热力系的吸热或放热就增加或
19、减少了系统的无序性，这种效应可以通过熵流来计算；热力系内部发生的耗散效应引起了混乱程度的增加，这种效应的大小体现在熵产； 6-8 （exergy)6-8-1. 的定义 在某状态下，系统由该状态可逆地变化到与环境平衡的状态时，理论上可转化为净有序能的那部分能量，称为 ，用E 表示（e单位化）6-8-2. 热量 ExQ对于具有某一温度T的热量Q，若此时环境温度为Tsur，根据卡诺定律能够转化为功的部分为：TTQWsur1QTTWsurxQ1EQTTQsurTsur这就是热量QTTQsurxQETQTQsurdssurTQssurTQ6-8-3. 冷量 ExQ0QQT-sEsurxQ06-8-3.
20、焓 ex) 1 (wzg2c)(s20whhq根据热力学第一定律：0)(00sss根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵等于零，即：sss00现：00sTq)(00ssT将上列各式代入(1)式：) 1 (wzg2c)(s20whhq) 1 (wzg2c)(s20whhqs2000wzg2cwhhssT-)()(xeswwzg2chhss-T2000)()(zg2cs-sThh2000)()(忽略动能、势能的变化：)()(000 xs-sThhe6-8-3.内能 Exu)()(1WWUUQe0根据热力学第一定律：0SS(S00 )根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵
21、等于零，即：SSS00现：00STQ)(00ssT将上列各式代入(1)式：)()(1WWUUQe0)()(1WWUUQe0WWUUSSTe000)()()()(000eSSTU-UWW对于功W，其中必定包括克服环境压力的部分，因此人类可资利用的最大有用能，即内能 为：)(VVp-WWE00exu)()()(00000SSTVVpU-U本章结束谢谢第5章 压缩机和汽轮机5-1 压缩机的分类 压缩机容积式涡轮式往复式回转式离心式轴流式 该种压缩机是本课程重点研究的对象5-2 压缩功5-2-1 往复式压缩机循环pvW Vdpvdpwvdpw21nnpdpvpw1121dppvpwnn12112111
22、111npvpwnn2111nnpvw211nnpvw)(112TTnRnw) 1(1121TTRTnnw5-2-2 压缩功) 1(1121TTRTnnw)1 (1121TTRTnnw)1 (11211TTvpnnwcomp)1(111211nncompppvpnnw 若定温压缩 21lnppRTwcomp若绝热压缩 )1 (11211TTvpkkwcomp若多变过程压缩 )1 (11211TTvpnnwcomppv定温多变绝热5-3 实际压缩机5-3-1 余隙容积5-3-2 余隙容积对理论压缩循环的影响pv5-4 多级压缩中间冷却pvp1p2pmBABAcompwww)1 (1)1 (112
23、1111nnmmmnnmcompppvpnnppvpnnw因 p1v1=pmvm)2(1121111nnmnnmcompppppvpnnw0mcomppw为获得最小功耗：则:21PPPm5-5 汽轮机5-5-1 汽轮机原理5-6 压缩机和涡轮机的内效率5-6-1 压缩机 若绝热压缩:)1(11211TTvpkkwcomp )1(1121TTRTkkwcomp )(121TTRkkwcomp 21hhwcomp 12将上述过程画在h-s图上，获得过程1-2。此时压缩功为w但如果压缩工程不可逆，则过程变为1-2，压缩功增加为whsP2P1w2w我们定义压缩机内效率可按照下式计算: wwcoi 这个
24、公式也适用于风机、泵5-6-2 涡轮机 若为可逆绝热涡轮机:21hsP1P2ww因此我们定义涡轮机的内效率按照下式计算: wwiturb 2这个公式也适用于喷管若不可逆:本章结束第6章 气体动力循环 6-1 对循环的分析 6-1-1 过程的平均温度1221ssTdsT 我们定义:即: 2112)(TdsssT12Tss1s2T6-1-2 对循环的分析12Tss1s2对于一个循环:ab 2121bacycleTdsTdsw)()(122122ssTssTwcycle )()()(122121122ssTssTssTcycle T2T1212TTTcycle 211TT 显然提高循环效率的方法就是
25、：设法提高循环吸热段平均段的温度；降低循环放热段的平均温度6-2 奥拓（ Otto ）循环6-2-1 N. A. Otto 的生平Nicolaus August Otto 四冲程内燃机的发明人，1831年6月14日德国。1862年 他首先进行了四冲程发动机的实验（如图），该发动机和今天的汽油内燃机非常近似. 他逝世于1891年1月26日。6-2-2 循环的四个冲程（Four Strokes）吸气冲程:活塞沿着气缸向下运动 ，气缸内的压力持续下降最终形成负压 ，接着吸气阀打开。空气和汽油蒸汽的混合物被吸入气缸压缩冲程:在活塞的下死点( Bottom Dead Center (BDC) 气缸达到最
26、大容量，吸气阀关闭。 接着活塞向上死点(Top Dead Center (TDC)移动，压缩油、气混合物。 在压缩冲程的末段，火花塞点火，引起油气混合物剧烈燃烧。 在活塞到达上死点时燃气压力达到最大。 做功冲程 高压气体推动活塞再次向下运行，活塞通过连杆驱动曲轴旋转。 气缸的容积逐渐增大同时气体的压力下降，直到活塞运行到下死点做功冲程结束。排气冲程 活塞运行到下死点后排气阀打开，活塞开始向上运动，燃烧后的废气被排出气缸，这个冲程当活塞运动到上死点结束。现代电喷汽油发动机现代电喷汽油发动机12345pv6-2-3 理论循环绝热过程理论奥拓循环的效率 )()(12314TTCTTCvv111231
27、421TTTTTT3421VVVV)1(2112kVVTT)1(3443kVVTT那么：2314TTTT1211TTkkpp)1(1211kk)1(11 增压比111k 压缩比21vv涡轮增压系统涡轮增压系统6-3 柴油机循环（Diesel Cycle）6-2-1 狄赛尔生平Rudolf Diesel (德国1858 1913)。 大学毕业后他的职业是制冷工程师， 但是他真正感兴趣的却是发动机的设计。1893年， 他发表了关于压燃式内燃机的论文。 1894年，他为他的新发明柴油机申请了专利。尽管狄赛尔几乎死于新发动机的爆炸，但是他用事实证明了压燃式发动机的可行性。1897年他的柴油发动机终于研
28、制成功。 6-3-2 狄赛尔循环过程 柴油在活塞到达上死点后（此时空气压力高达3050大气压，温度600800），柴油被喷入混合室和高压空气混合，然后喷入汽缸，由于柴油和空气混合良好而且机器运行速度慢，滞燃问题会对循环影响小，使得循环的吸热段基本上呈现定压的吸热的趋势。6-3-3 狄赛尔循环效率 理论循环12345pv狄赛尔循环理论效率 23141TTCTTCpv23141111TTTTTkkkVPVP2211kkVPVP334441VV 32PP kVVpp3241定义：23VVkpp1414141ppTT过程1-4 定容k11213111TTTTkk23141111TTTTTk121223
29、111TTTTTTkk1123111kkkTTk11111kkkk怎样提高效率:12345pv增压比要大容积增长要小8.3.4 萨巴德（ Sabathe ）循环（混合加热循环）萨巴德循环（混合加热循环）是现代高速柴油机普遍使用的循环，它可视为狄赛尔循环的改进。萨巴德循环使用高压柴油喷射泵代替了狄赛尔循环中笨重的空气压缩机。有趣的是这种技术出现较晚的原因竟然是由于此前没人花精力去研制高压燃油泵。由于柴油在活塞到达上死点之前就被直接喷入汽缸，由于柴油的滞燃，使得循环的吸热段基本上呈现出先定容，后定压的吸热特点。这与标准狄赛尔循环的定压吸热是不同的。TsT3T1T2T3T4T1T”2T3T4T1T2
30、T3T4三种循环效率之比较：若T3一定8.3.5 其它内燃机 6-4 伯雷登循环（Brayton Cycle 燃气轮机循环）压缩机燃烧室燃气涡轮负载空气入口轴6-4-1 伯雷登循环装置优点与活塞式发动机相比燃气轮机具有极好的功率-质量比。可以以很轻的重量实现大马力的输出。这一特点使得它在航空、舰船、重型车辆、地面发电等领域得到广泛的应用6-4-2 理想循环Ts1234定压pv1234绝热6-4-3 伯雷登循环效率23141TTCTTCppkkppTTTT1212134kkppTTTT1212314kk 111-增压比6-4-3 最佳增压比Ts1234Tmax单纯提高增压能提高循环效率；但循环的
31、功率却下降； 34若T3 一定显然我们不得不在高效率和高的功率之间作出折衷通常工程上对燃气轮机功率的要求更突出。 TsTmaxT0显然，存在一最佳增压比使得循环功率最大这个比率用字母表示为: max1213maxkkTTkk 111311TT显然在一定的最佳增压比下，提高燃气轮机效率的根本途径是提高 T3 6-4-4 提高燃气轮机效率的方法(1) 回热伯雷登循环 (Regenerative Brayton Cycle)TsT2T1T2T1燃油燃烧室空气入口压气机燃气透平回热器(2) 定温压缩加回热循环Ts弗兰克惠特尔（19071996） 6-5 喷气发动机Engine Characterist
32、icTypeTwin-Spool, Augmented TurbofanApplicationF-22 Advanced Tactical FighterThrust35,000 Pound Thrust ClassEngine ControlFull-Authority Digital Electronic ControlCompression SystemTwin Spool/Counter Rotating/Axial Flow/Low-Aspect Ratio Three-Stage Fan Six-Stage CompressorCombustorAnnularTurbineAxia
33、l Flow/Counter Rotating One-Stage, High-Pressure Turbine One-Stage, Low-Pressure TurbineNozzleTwo-dimensional Vectoring Convergent/DivergentTs123456123456提高喷气发动机功率（不是效率）的方法 (1) 加力/后燃 (After burning)加力燃烧室Ts1234567(2) 提高 T4Ts12345646提高T4的手段6-5 斯特林循环 (TheStirlingCycle)pv1234Ts1234AIP技术斯特林盘式太阳能发电系统太空斯特林
34、太阳能发电系统本章结束谢谢 第第7章章 纯物质性质纯物质性质7-1 纯物质7-1-1 纯物质的相态 固体固体 液体液体 气体气体 等离子等离子7-2 纯物质的相变过程7-2-1 水的定压加热过程 未饱和水 饱和水 湿蒸汽 饱和蒸汽 过热蒸汽pv1234551 2345”1” 2”3”4”cTv12345123451”2”3”4”5”c7-2-1 水蒸气的物性参数1. 一点： 临界点 C2. 两线： 饱和水线，干饱和蒸汽线3. 三区: 未饱和水区，湿蒸汽区， 过热蒸汽区4. 五态: 未饱和水，饱和水，湿蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽 7-3-1 p-v-T 面 7-3 p-T 图7-3-2 p-T
35、图 PT固相区汽相区液相区凝融线汽化线升华线凝固时膨胀凝固时收缩7-4 纯物质性质参数表和焓熵图7-4-1 饱和水及饱和蒸汽表 在该区域已知 1 个参数就足以确定其它所有参数 t P, MPavv”hh”ss”1000.10130.001041.6738419.06 2676.3 1.3069 7.35642001.55510.001160.12714 352.42791.4 2.3307 6.42897-4-2 湿蒸汽 一个 参数用于确定其它饱和参数 一个 特殊的参数用于确定汽/水间比例totalvapormmx )1(vxxvvmix )1(hxxhhmix )1(sxxssmix 7-4
36、-3 未饱和水和过热蒸汽 两个 独立的状态参数可以确定其余所有状态参数T P=0.1 MPav, m3/kgh, kJ/kgs, kJ/kg.K1001.69582676.27.36281501.93642776.47.54387-4-4 参考状态和参考值 水: 定义0.01 时的饱和水为参考状态， 此时 u=0 s=0 R-12: -40 时的饱和液体为参考状态，此时 u=0 s=0注意: 不同的表格采用的参考状态会有所不同不同的表格采用的参考状态会有所不同7-4-5 焓熵图（h-s Diagram）hscp1p2T1T2vX=0.8(1) 定压线群(2) 定温线群(3) 定比容线群(4)
37、定干度线群X=1X=0.6X=07-5 蒸汽的热力过程7-5-1 蒸汽的定压过程蒸汽的定压过程是以水为代表的实际气体经常使用的吸热或放热过程，工程上关心的是吸热/放热量。因：q=h+wt定压时wt=0 所以： q=h即定压过程吸热量等于焓差，下面举例说明焓差的求法若已知水从未饱和初始状态t1，p1出发，经定压吸热终温达到t2，求单位质量工质的得热量。解：由t1，p1查未饱和水和过热蒸汽表，得h1由t2，p1查未饱和水和过热蒸汽表，得h2q=h2-h1Ts12T1T2c7-5-2 蒸汽的绝热过程蒸汽的绝热过程是以水为代表的实际气体经常使用的做功或压缩过程，工程上关心的是做功量。下面举例说明功的求
38、法：过热水蒸汽由初态p1，T1，在气缸活塞封闭的空间内，可逆绝热膨胀到P2。求单位质量工质膨胀功。因过程绝热： u+w=0w=-u=u1-u2由p1，T1，查未饱和水和过热蒸汽表，得u1，s1对于u2，因p2的不同存在两种查取方法：（1）p2高，使得2点处于过热蒸汽区。此时，可由s1 ，p2查过热蒸汽表直接求得 u2 。（2）p2低，使得2点处于湿蒸汽区。此时，先由p2查饱和水及饱和蒸汽表，得 s2 ，s”2 ， u2 ， u2 。由s2=s1= xs”2 + (1-x)s2 解得x。u2= xu”2 + (1-x)u2 w= u2 - u1 若上题改为：过热水蒸汽由初态p1，T1，在汽轮机内
39、可逆绝热膨胀到P2。求单位质量工质膨胀功。由以前的知识可知：汽轮机做功 w=h1-h2h1和h2 的求法与内能的求法类似TsT1cp1P2hscp1T1X2p25-5-2-1 涡轮机内效率 对于绝热涡轮机:21hsP1P2ww因此我们可以定义涡轮机的内效率如下: wwiturb 2这个方程也适用于喷管若不可逆:12hsP2P1w2w因此我们定义压缩机内效率如下: wwcoi 此式也适用于泵和扩压管5-5-2-2 压缩机内效率 对于绝热压缩机，若不可逆:5-5 实际气体5-5-1 压缩因子公式pv=RT 只能被运用于气体温度高或压力低的状态对于实际气体，根据 pv=RT :RTpvz z- 压缩
40、因子: 衡量偏离理想气体程度的因子z=1: 理想气体z1 or z0，流体的压力必须下降。这样的流道被称为：喷管 Nozzle如果使流体速度下降 (dc0cdcMaAdA) 1(2(1) 若流体速度均为亚音速， 则(Ma2-1)0 那么: dA0 那么: dA0 喷管的形状应如下图:超音速流超音速流发散喷管0)( dccdcMaAdA) 1(2(3) 若喷管的入口速度为亚音速，出口为超音速流， 那么: dA0 喷管的形状应如下图:亚音速流超音速流收敛-发散喷管（缩放喷管）喉部对于扩压管，要求 dc0cdcMaAdA) 1(2(1) 如果流体速度均为亚音速，则 (Ma2-1)0 扩压管的形状应如
41、下图: 亚音速流亚音速流0)( dccdcMaAdA) 1(2(2) 若流体的流速均为超音速，则 (Ma2-1)0 那么: dA0 扩压管的形状应如下图:超音速流超音速流0)( dccdcMaAdA) 1(2(2) 若流体入口速度为超音速，出口为亚音速，则: dA0 扩压管的形状应如下图:超音速流亚音速流11-2-3 应用喷气发动机的进气道冲压喷气发动机扩压管(压缩机)燃烧室喷管我国采用冲压发动机的导弹 SR-71黑鸟战略侦察机，采用变循环发动机。高速时采用冲压发动机循环，速度可高达马赫3.3未来马赫5-马赫10的超高速飞机采用的超燃冲压喷气发动机火箭发动机SpaceShuttle11-3 喷
42、管的计算11-3-1 亚音速喷管的流量)(2)(221212TTChhcpkkppkkRT1121112定义 P2 /P1 为压力比 kkkkRTc112112 kkkkRTvAvAcm1122112kkkkvppvvvpvp/11/121122211 kkkkvkpvA111/112112 kkkvpkkA1/211212流量可按照下式计算： kkkvpkkAm1/211212根据公式：当喷管入口参数一定，出口截面积一定时喷管出口流量是压比的函数对于亚音速渐缩喷管上式是适用的，此时随着压比的降低流量不断增大。但当进入进入超音速喷管的范畴上式就有了偏差11-3-2 临界压比 对于超音速缩放喷管
43、，无论出口压力如何变化，在喉部永远速度为音速，因此缩放喷管的流量就取决于喉部气流的状态和喉部尺寸，喉部尺寸一定则流量不变。定义二：压比足够低，使得喷管出口速度为音速时的压比为临界压比，用cr 来表示。对于理想气体可由下式计算：112kkcrk定义一：气体高速流动时，达到音速时的状态为临界状态。此时所有状态参数加下角标“cr”，以示区分。11121212vpkkkAmkthroatcr= 0.528 空气0.546 过热蒸汽0.577 饱和蒸汽因此只要喷管背压小于临界压力Pcr，或者压比低于临界压比时，喷管为超音速喷管。此时的流量就等于：11-3-3 喷管的设计计算 喷管的设计之初通常已知喷管的
44、进口温度T1、进出口的压力p1、p2和喷管需要达到的流量。要求设计喷管的主要结构参数并计算喷管出口速度。设计计算需要按照如下步骤进行：（1）确定喷管的形状：渐缩喷管还是缩放喷管 主要通过计算临界压比来确定： 若喷管出口与进口压力之比大于临界压比（对于空气为0.528），那么喷管形状为渐缩喷管； 若喷管出口与进口压力之比小于临界压比，那么喷管形状为缩放喷管；（2）如喷管结构为渐缩喷管需要设计的主要结构参数是喷管的出口截面积，它可以根据下式计算：kppvv/ 12112222cvmA其中：已知m kkppkkRTc11212112（3）如喷管结构为缩放喷管需要设计的主要结构参数是喷管的喉部面积和出
45、口截面积，A、喉部截面积 喉部截面积可以根据下式计算：crcrthroatcvmA对于喉部的状态参数：crcrpp1kcrcrppvv/111RvpTcrcrcr已知若m )(221hhccr)(21crpTTCcrcrthroatcvmAB、喷管出口截面积喷管出口截面积的大小决定了气流在到达喷管出口处是否能够得到充分的膨胀对于出口处p2已知，其余状态参数有：kppvv/12112RvpT222)(2212TTCcp出口速度c2：已知若m 222cvmA11-3-4 喷管的校核计算 喷管的校核之初通常已知喷管的进口温度T1、进出口的压力p1、p2和喷管的结构尺寸。要求校核喷管的流量是否达标。校
46、核计算可按照下列步骤进行：（1）对于渐缩喷管，如果压比大于临界压比流量由下式求得： kkkvpkkAm1/21121211121212vpkkkAmkthroat（2）对于缩放喷管，流量由下式求得：对于渐缩喷管，若压比低于临界压比，则在出口处达到音速，流量由下式求得：111221212vpkkkAmk本本 书书 完完谢谢 谢谢复习题热力系储存的微观形式能和宏观形势能有什么异同点?稳定态和平衡态有什么区别和联系？均匀态和平衡态有什么异同？ 不可逆过程就是不可逆向发生的过程，这种说法对么？为什么。下列热力学过程可不可能发生？1. 热力系的工质不吸热就可以膨胀做功；2. 热力系的工质吸热后温度反而下
47、降；3. 热力系的工质被压缩后温度下降；准静态过程与可逆过程的区别是什么？ 状态公理是如何表述的? 表压力和真空度是状态参数么？为什么？一绝热刚性气缸，用绝热的隔板将其分成左右两个部分。左侧充满压力为1bar的空气，右侧为真空。如果突然抽掉隔板，让左侧的空气充满右侧空间。若以空气为热力系，请问空气的内能如何变化？流体流入或流出热力系是时会带来（带出）哪些形式的能量? 静止的流体拥有能量么？ 在冬季有一个暖和的房间，如果因门窗封闭不严导致一些外界的冷空气渗入房间，请问房间的温度如何变化? 房间的内能如何变化？ 稳定流动过程有什么特点? 稳定流动过程可能与外界交换膨胀功么? 扩压管可以让流体的流速
48、下降，那么流体由于速度下降而损失的动能到哪里去了? 热可以从低温物体传到高温物体么？为什么？从状态1到状态2， 一热力系分别经历了一个可逆过程和一个不可逆过程。 那么上述可逆过程和不可逆过程谁的熵变化大？以下列物体作为热力系，请指出热力系热与功的正负：(1) 电动机；(2) 电灯泡；(3) 燃烧的煤；(4) 有散热损失的汽轮机；(5) 爆炸的锅炉；下列方程成立的条件是什么?Q = E + WQ = dU + PdVQ = dU + d(pV)温度 T1、压力P1的过热蒸汽可逆膨胀到湿蒸汽区，压力降为 P2. 求该过程单位质量工质做功量温度 T1、压力P1的未饱和水在节流阀内膨胀到到湿蒸汽区，压
49、力降为P2，压力降为. 求该过程单位质量工质熵增量和做功能力的损失请在 P-v 图上指出T 和S 增加的方向 请在 T-s 图上指出P 和v增加的方向 在 p-v 图上绘制一理想气体可逆过程，请问如何判断该过程热、功、内能、焓的正负？在 T-s 图上绘制一理想气体可逆过程，请问如何判断该过程功的正负？下图的循环中， 1-2 是定容过程， 1-3 是定压过程， 2-3 是绝热过程，请指出该循环中u12 和u13谁大? h12 和h13呢? 132Pv请将下图循环，定性地绘制到 T-s 图上.132Pv4请证明 T-s 图上任意两条定压线的水平距离相等Ts12理想气体经历一可逆过程 1-2。 请在
50、 T-s 图上绘出该过程的u 和 h 。现有一理想气体循环。 空气由状态 1 (p11.01bar、t1 =15、Vl0.014m3) 绝热压缩到状态2 (V2 =0.0028m3). 然后定容加热到状态 3 (p3 =18.5bar)。 接着绝热膨胀到状态 4 (p4=1.01bar)。最后定压吸热回到状态1。请计算该循环的循环净功和效率(R=287 J/kg.K，k=1.4， Cp、 Cv 为常数)Solution:T2=T1(v1/v2)(k-1)=548.5KT3=T2P3 /P2=1055.585KT4=T1P4 /P1=460Kq2-3=Cv (T3-T2)q1-4=Cp (T4-
