1、1Engineering Thermodynamics1.熟悉热力学基本概念：热力系统、热力平衡状态及工质状态参数等2.掌握理想气体和实际气体的性质、混合气体的性质及相关参数的计算3.掌握气体热力过程的能量交换及参数变化4.掌握热力学第一定律的实质及应用、理想气体模型及其状态方程5.掌握热力学第二定律的实质及表达、卡诺循环和卡诺定理6.熟悉朗肯循环、再热循环、回热循环、热电循环2Thermodynamic systemQW 膨胀中的燃气膨胀中的燃气系统的边界系统的边界 流动中的工质流动中的工质系统的边界系统的边界34系统与外界有三种相互作用形式系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热质、功、热
2、（1 1）工质流入工质流入工质流出工质流出QW系统边界系统边界 稳定流动开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统不稳定流动开口系统56（）闭口系统的质闭口系统的质量保持恒定，保持质量量保持恒定，保持质量恒定的系统是闭口系统。恒定的系统是闭口系统。QW 膨胀中的燃气膨胀中的燃气系统的边界系统的边界闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统量的系统不一定都是闭口系统 。78冷源QW 把冷源包括在内的绝热系统把冷源包括在内的绝热系统自然界不存在理想的绝热系统，只有当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时，可以看做是绝热系统。汽轮机、喷管一般都看做
3、绝热系统。9自然界中绝对的孤立系统是不存在的，有时候把研究对象连同与它直接相关的外界用一个新的边界包围起来，可以共同看做是一个孤立系统。（）一切热力系统连同与之相互作用的外界可以抽象为孤立系统。101.定义：实现热能和机械能相互转化，或定义：实现热能和机械能相互转化，或传递热能的媒介物质传递热能的媒介物质 例如：例如： 电站锅炉的水蒸气电站锅炉的水蒸气 燃烧形成的烟气燃烧形成的烟气 气缸中的燃气气缸中的燃气工质种类有：气态、液态和固态工质种类有：气态、液态和固态物质三态物质三态中气态最中气态最适宜适宜112.对工质的要求对工质的要求: 1 1）膨胀性）膨胀性 2 2）流动性）流动性 3 3）热
4、容量）热容量 4 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5 5）对环境友善）对环境友善 6 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取12v系统中某一瞬时表现的工质热力性质的总状系统中某一瞬时表现的工质热力性质的总状态称为工质的热力状态，简称状态态称为工质的热力状态，简称状态v热力状态反映的是工质大量分子热运动的平热力状态反映的是工质大量分子热运动的平均特性。均特性。v热力系统中工质的状态可以用描述各种宏观热力系统中工质的状态可以用描述各种宏观状态特性的物理量来表示，这些物理量被称状态特性的物理量来表示，这些物理量被称为状态参数为状态参数v凡是能从任何一方面说明工质所处状态的物凡是能从任何一方面说明
5、工质所处状态的物理量均为状态参数理量均为状态参数13功和热量是过程量功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。还与过程有关。142.状态参数分类状态参数分类强度量强度量尺度量尺度量压力、温度压力、温度比容、热力学能（内能）、焓、熵比容、热力学能（内能）、焓、熵基本参数基本参数导出参数导出参数压力、温度、比容压力、温度、比容热力学能热力学能（内能）（内能）、焓、熵、焓、熵（）状态参数的变化只与系统的初、终状态有关，而与变化途径无关。（）功也是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。（）热量是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。153.基本状态参数
6、基本状态参数相对压力相对压力绝对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）系统真实压力（是状态参数）系统相对与大气压力的系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）数值（不是状态参数）16pBpBgpHBppgpBppBH真空度U U形管式压力计示意图形管式压力计示意图B17BpHgpp（）压力表显示的压力是状态参数18温度的数值表示法温度的数值表示法实用温标实用温标t摄氏温标摄氏温标国际单位制规定，单位：开（国际单位制规定，单位：开（K）热力学温标热力学温标Tt( C)=T(K)-273.15温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量19 热平衡定律（热力学第零定律
7、）热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。）验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。）既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描述。述。 温度的定义：标志系统热
8、平衡性质的物理量温度的定义：标志系统热平衡性质的物理量为温度。一切处于热平衡的物体，其温度相等。上为温度。一切处于热平衡的物体，其温度相等。上述第三个系统，可作为测量温度的仪器，叫温度计。述第三个系统，可作为测量温度的仪器，叫温度计。 温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。它是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度它是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。量。 20 Vvm1vmV1v比容和密度不是两个独立的状态参数，一个已知，另一比容和密度不是两个独立的状态参数，一个已知，另一个也就确定了。个也就确定了。21一、理想气体与实际气体一、理想气体
9、与实际气体1.理想气体理想气体是一种实际上不存在的假想气体，这是一种实际上不存在的假想气体，这种气体分子本身不占有体积，分子之间完全没有引种气体分子本身不占有体积，分子之间完全没有引力。力。2.实际气体实际气体是气体的状态处于很高的压力或很低是气体的状态处于很高的压力或很低的温度，气体有很高的密度，以至于分子本身的体的温度，气体有很高的密度，以至于分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略的气体。积及分子间的相互作用力不能忽略的气体。 理想气体实质上就是实际气体的压力理想气体实质上就是实际气体的压力p 0或或比容比容v 0 时的极限状态的气体时的极限状态的气体22（1）当气体分子本身的体积与整
10、个气体的容积相比微不足道，）当气体分子本身的体积与整个气体的容积相比微不足道，而且由于气体分子的平均距离相当大以至于分子间的引力可而且由于气体分子的平均距离相当大以至于分子间的引力可以忽略到不计时，实际气体可以看作是理想气体以忽略到不计时，实际气体可以看作是理想气体（2）实际应用时，气体温度不太低，压力不很高，比容比较）实际应用时，气体温度不太低，压力不很高，比容比较大，且距离液态比较远时，可以看成是理想气体大，且距离液态比较远时，可以看成是理想气体 理想气体氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳空气、烟气空气、烟气实际气体锅炉产生的水蒸气、制冷剂蒸气、石油气锅炉产生的水
11、蒸气、制冷剂蒸气、石油气23为什么要讨论不存在的理想气体为什么要讨论不存在的理想气体? 在工程中具有很重要的实用价值和理论意义。在工程中具有很重要的实用价值和理论意义。 1、在通常的工作参数范围内，按理想气体、在通常的工作参数范围内，按理想气体性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确度，其误差在工程上往往是允许的。对于一般的度，其误差在工程上往往是允许的。对于一般的气体热力发动机和热工设备中的气体工质，在无气体热力发动机和热工设备中的气体工质，在无特殊精确度要求的情况下，多可按理想气体性质特殊精确度要求的情况下，多可按理想气体性质进行热力计算。进行热
12、力计算。 2、理想气体性质是研究工质热力性质的基、理想气体性质是研究工质热力性质的基础。理想气体性质反映了气态工质的基本特性，础。理想气体性质反映了气态工质的基本特性，更精确的气体、蒸气的热力性质表达式，往往可更精确的气体、蒸气的热力性质表达式，往往可以在理想气体性质的基础上引入各种修正得出。以在理想气体性质的基础上引入各种修正得出。24二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程ideal-gasequation;Clapeyronsequation（克拉贝隆方程）pvRTpVmRT0pVnR T300mkgJN mkg Kkg KJ/(kmol K)8314J/(kmol K)kmolpPav
13、RTKRRVmkgn3绝对压力，比容，气体常数，或绝对温度，通用气体常数，；气体体积，m气体质量，气体的摩尔数，25举例v例1容积为2m3的压缩空气罐上的压力表指针指示为1.5MPa，此时的温度为20，试计算罐中空气质量，已知空气气体常数R为287J/(kgK)。v解： pVmRT 绝对压力：p1.50.11.6MPa1.6106Pa气体体积：V2m3绝对温度：T20273293K那么，61.6 10238.05287 293pVmkgRT26二、理想气体状态方程的应用二、理想气体状态方程的应用1.波义耳马略特定律波义耳马略特定律 对于一定量的理想气体，当温度不变时，压力与比容对于一定量的理想
14、气体，当温度不变时，压力与比容（或容积）成反比。（或容积）成反比。1212ppTT1 122pVp V2.查理斯定律查理斯定律 对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压力与绝对温度成反比。力与绝对温度成反比。3.给给 吕萨克定律吕萨克定律 对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压力与绝对温度成反比。力与绝对温度成反比。1 122p vp v12121212VVvvTTTT或274.理想气体状态方程的另外一种表示1 1221 1221212pVp Vp vp vTTTT或28例例2：某
15、燃气加热炉每小时耗气量为：某燃气加热炉每小时耗气量为200m3,燃气供气压力为燃气供气压力为30KPa（表压）（表压）,温度为温度为15，当地大气压为，当地大气压为95KPa，请核算，请核算一下，燃气加热炉每小时实际消耗燃气多少标准立方米？（标一下，燃气加热炉每小时实际消耗燃气多少标准立方米？（标准状态大气压按准状态大气压按105Pa，温度按，温度按273K计。）计。）29例3：某燃气用气设备，燃气供气压力为1000103Pa（表压）,温度为20，当地大气压为95103Pa。试问：当燃气流量计显示的实际用气量为5000m3时，经温度压力校正后，燃气用气量应为多少标准立方米？（标准状态大气压按1
16、05Pa，温度按273K计。）30三、摩尔、摩尔容积及气体常数三、摩尔、摩尔容积及气体常数1.摩尔摩尔物质的量的单位。物质的量的单位。 热力学中是以气体中所包含的分子数目与热力学中是以气体中所包含的分子数目与0.012kg碳碳-12的原子数目相等时气体的质量，称为的原子数目相等时气体的质量，称为1mol。 热力学中常以热力学中常以n表示千摩尔表示千摩尔kmol为单位。为单位。1kmol就等于该物质的分子量对应的千克数。就等于该物质的分子量对应的千克数。 1kmol氧气氧气32kg 各种气体的千摩尔数等于该气体的质量各种气体的千摩尔数等于该气体的质量m除以除以该气体的分子量该气体的分子量MMmn
17、 312.摩尔容积摩尔容积 对于任何理想气体，对于任何理想气体，1kmol气体所占的容积称为气体所占的容积称为千摩尔容积。千摩尔容积。 在标准状态下，任何理想气体在标准状态下，任何理想气体1kmol容积均为容积均为22.4Nm3。 那么，在标准状态下：那么，在标准状态下：标态比容m3/kg标态密度kg/m3Mv4 .2204 .220M323.气体常数计算气体常数计算 各种气体各种气体1kg 的气体常数的气体常数R为：为：J/(kgK)kJ/(kgK)n理想气体的气体常数与气体所处的热力状态理想气体的气体常数与气体所处的热力状态无关，只与气体的种类有关。无关，只与气体的种类有关。 MRMR31
18、4. 88314通用气体常数通用气体常数R0：在标准状态下，得出通用气体常：在标准状态下，得出通用气体常数是数是831415.2734 .221013250000TVpRMJ/(kmolK)33四、理想气体的比热容、热力学能、焓和熵四、理想气体的比热容、热力学能、焓和熵 1、比热容、比热容单位物量的物质，温度升高或降低单位物量的物质，温度升高或降低1K（1）所吸）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热容（简称比热）收或放出的热量，称为该物体的比热容（简称比热）比热容的单位取决于热量单位和物量单位，相应有：比热容的单位取决于热量单位和物量单位，相应有：质量比热c：kJ/（kgk）体积比热c：kJ/
19、（m3k）摩尔比热Mc：kJ/（kmolk）04 .22cMcCv定容比热和定压比热定容比热和定压比热定容比热定容比热cv：在定容情况下，单位物量的气体，：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化温度变化1K(1)所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。 定压比热定压比热cp：在定容情况下，单位物量的气体，：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化温度变化1K(1)所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。00RMRMMRccRccvPccvpvp（）等量气体升高相同的温度，定压过程吸收）等量气体升高相同的温度，定压过程吸收热量多于定容过程吸收热量。热量多于定容过程吸收热量。3435 工程实际应用的
20、气体通常是混合气体，如空气、工程实际应用的气体通常是混合气体，如空气、烟气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成烟气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成份及热力性质。份及热力性质。 混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个混合物中所占的份额有关。混合物中所占的份额有关。36一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律 分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独占据混合气体的容积时所呈现的压力。占据混合气体的容积时所呈现的压力。 道尔顿分压力定律：混合气体的总压力道尔顿分压
21、力定律：混合气体的总压力p等于各等于各组成气体分压力组成气体分压力pi之和。之和。1231,nniiT Vpppppp37二、混合气体分容积和阿米盖特分容积定律二、混合气体分容积和阿米盖特分容积定律 分容积是各组成气体在混合气体的温度和压力分容积是各组成气体在混合气体的温度和压力下，单独存在时所占据的容积。下，单独存在时所占据的容积。 阿米盖特分容积定律：混合气体的总容积阿米盖特分容积定律：混合气体的总容积V等于等于各组成气体分容积各组成气体分容积Vi之和。之和。1231,nniiT PVVVVVV38三、混合气体的成份表示方法及换算三、混合气体的成份表示方法及换算1.质量成份gi混合气体中某
22、组成气体的质量mi与混合气体总质量m的比值11iiniimgmg2.容积成份ri混合气体中某组成气体的分容积Vi与混合气体总容积V的比值11iiniiVrVr3.摩尔成份xi混合气体中某组成气体的摩尔数ni与混合气体总摩尔数n的比值11iiniinxnx39四、混合气体的分子量与气体常数四、混合气体的分子量与气体常数1.混合气体的分子量 （1）已知容积成分ri或摩尔成份xi和各组成气体分子量Mi11nniiiiiiMrMx M（2）已知质量成分gi和各组成气体分子量Mi11niiiMgM402.混合气体的气体常数混合气体的气体常数（1）已知混合气体分子量）已知混合气体分子量M，即可以求得混合气
23、体，即可以求得混合气体的折合气体常数的折合气体常数R：1niiiRg R（2）已知各组成气体的质量成份及气体常数，则）已知各组成气体的质量成份及气体常数，则（3）已知各组成气体的容积成份及气体常数，则）已知各组成气体的容积成份及气体常数，则11niiiRrR08314RRMM413.混合气体的分压力混合气体的分压力（1）已知总压和各组成气体的容积成分）已知总压和各组成气体的容积成分iipr p（2）已知总压和各组成气体的质量成分）已知总压和各组成气体的质量成分iiiRpgpR424.混合气体的比热混合气体的比热（1）已知各组成气体的质量比热和质量成份1niiicg c1niiicrc（2）已知
24、各组成气体的容积比热和容积成份0cc435.混合气体的热力学能、焓和熵混合气体的热力学能、焓和熵 理想混合气体的热力学能理想混合气体的热力学能 niniiiiumUU11理想混合气体的焓理想混合气体的焓 niniiiihmHH1144理想混合气体的熵理想混合气体的熵niniiiismSS11* 熵不仅与温度有关，而且还与压力有关。因为温度为熵不仅与温度有关，而且还与压力有关。因为温度为T的的组成气体单独存在于体积组成气体单独存在于体积V中，其分压力为中，其分压力为Pi，所以计算组成，所以计算组成气体比熵的变化量时应采用其分压力气体比熵的变化量时应采用其分压力Pi ，而不是理想混合气，而不是理想
25、混合气体的压力体的压力P，即，即niiiipiippRTTcs11212)lnln(n（ A ）1、理想气体的熵是状态参数，当理想气体从一个状、理想气体的熵是状态参数，当理想气体从一个状态变化到另一个状态时，其熵值的变化由哪个因素确定态变化到另一个状态时，其熵值的变化由哪个因素确定 A、气体的初、终状态、气体的初、终状态 B、状态间变化的过程、状态间变化的过程C、变化过程的方向性、变化过程的方向性 D、变化过程是否可逆、变化过程是否可逆456.应用比热计算热量应用比热计算热量（1）定压过程中，质量mkg的气体，温度由t1升高到t2所需要的加热量为：Q=mc（t2-t1）46例例4 某燃气储罐中
26、存储的天然气，储气压力为某燃气储罐中存储的天然气，储气压力为0.8MPa，气体容积成分为：，气体容积成分为：CH4：95%，C2H6：4.3%，N2：0.7%。试求该天然气的平均分子量、。试求该天然气的平均分子量、气体常数和各组分气体的分压力。通用气体常数气体常数和各组分气体的分压力。通用气体常数为为R0=8314J/（kmolK）。）。 该天然气的平均分子量： 气体常数： 各组分气体的分压力： 47n当多种理想气体在同一容器中混合以后，各组分的性质有无变化？各组分的温度、压力及所占容积比例等方面有哪些特点？遵循哪些规律？n多种理想气体在同一容器中混合以后，仍然具有理想气体的特性：1）性质：混
27、合后各组分仍然保证自己的特性，组分之间不发生化学反应，分子之间无相互作用；2）温度：由于分子热运动的结果，各组分气体混合均匀后温度将一致，即处处相等；3）压力：各组分的分压遵循道尔顿定律，即混合气体的总压力等于各组分气体压力之和；分压力是指各组分单质气体在该温度下，单独占有整个容积时所产生的压力。4）所占容积：各组分所占容积遵循阿密盖特定律，即混合气体的总容积等于各组分气体的分容积之和；分容积是指各组分单质气体在该温度、压力下单独存在时所占有的体积。484950v区别平衡平衡和均匀均匀：例如例如水和水蒸气组成的系统，水和水蒸气组成的系统，不受外界的影响，系统不受外界的影响，系统的宏观的宏观 性
28、质不随时间性质不随时间变化，处于平衡状态。变化，处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。但整个系统是不均匀的。所以系统平衡不一定均所以系统平衡不一定均匀。对于单相系，忽略匀。对于单相系，忽略重力重力 场的影响，可认场的影响，可认为是均匀的，可用统一为是均匀的，可用统一的、确定的状态参数描的、确定的状态参数描述系统状态。述系统状态。 51一、准静态过程（准平衡过程）一、准静态过程（准平衡过程） 弛豫时间：弛豫时间：恢复平衡所需要的时间恢复平衡所需要的时间52图1 说明准静态过程用图53任何实际过程都是在有限势差推动下任何实际过程都是在有限势差推动下进行的，
29、因而都是不平衡过程。所谓准平进行的，因而都是不平衡过程。所谓准平衡过程，只是实际过程当不平衡势趋于零衡过程，只是实际过程当不平衡势趋于零时的极限过程，是可以设想而不可能达到时的极限过程，是可以设想而不可能达到的。的。 54结论：热力系的一切变化过程都是在不平衡热力系的一切变化过程都是在不平衡势推动下进行的，没有不平衡就没有变化，势推动下进行的，没有不平衡就没有变化，也就没有过程。当不平衡势为无限小时所也就没有过程。当不平衡势为无限小时所进行的极限过程称为准平衡过程。进行的极限过程称为准平衡过程。55p1p2v1v2 准静态过程在准静态过程在p-v图上的表示图上的表示vP1256 二、二、可逆过
30、程可逆过程 可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。定可逆。 无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。5758目的：目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律，以及该过程中热揭示过程中工质状态参数的变化规律，以及该过程中热能与机械能之间的转换情况，进而找出影响它们转换的主要能与机械能之间的转换情况，进而找出影响它们转换的主要因素。因素。方法：方法：讨论理想气体的可逆过程讨论理想气体的可逆过程1. 1. 过程方程过程方程 , ,一般写成一般写成 的形式。的形式。 2.2.利用状态方程和过程方程推出初、终状态参数之
31、间的关系式。利用状态方程和过程方程推出初、终状态参数之间的关系式。3. 3. 在在p-vp-v图和图和T-sT-s图上表示出该过程曲线。图上表示出该过程曲线。4. 4. 该过程热力学能、焓、熵的变化以及功和热量。该过程热力学能、焓、熵的变化以及功和热量。( )p f vnpv C onst)(12ttcuv)(12ttchp121212lnlnvvRTTcssv21pdvw21vdpwt2.多变过程多变过程 n称为多变指数，对于某一指定的多变过程，称为多变指数，对于某一指定的多变过程，n为一常数，但不同的多变过程有不同的为一常数，但不同的多变过程有不同的n值，如：值，如：常数nvp常数，表示定
32、容过程时，常数，表示定熵过程时，常数，表示定温过程时，常数，表示定压过程时，vnpvknpvnpnk10603. 定容过程定容过程（1）过程方程）过程方程常数v（2）初、终状态参数关系）初、终状态参数关系1212TTppRTpv21vv 61（3）p-v图及图及T-s图图pv122Ts212vvCTsT)(在在Ts图上，由于图上，由于 即即T随随s按指数曲线变化，斜率为按指数曲线变化，斜率为 62（4）能量转换）能量转换1）过程功）过程功0dv210pdvwv2121,)(ppvvdpwvt2）热量）热量)(12ttCqvv21pdvuquqv634.定压过程定压过程（1）过程方程）过程方程常
33、数p（2）初、终状态参数关系）初、终状态参数关系（3）p-v图及图及T-s图图1212TTvvRTpv21pp pvTs212ppCTsT)(曲线斜率曲线斜率122vpcc pvcTcT在在T-s图上，同一温度下定容线比定压线的斜率大图上，同一温度下定容线比定压线的斜率大64（4）能量转换）能量转换1）过程功）过程功0dp21,0vdpwpt2112)(vvppdvwp2）热量）热量)(12ttcqmpp0,21dpvdphqhqp655. 定温过程定温过程（1）过程方程）过程方程常数常数，Tpv（2）初、终状态参数关系）初、终状态参数关系2112ppvvRTpv 21TT （3）p-v图及图
34、及T-s图图pv122654312234Ts曲线斜率曲线斜率vpvpT)(66（4）能量转换）能量转换1）过程功）过程功2）热量）热量212121112112lnlnlnppvpppRTvvRTdvvRTpdvwTpv122654312234Ts21211221,lnlnvvRTppRTdppRTvdpwTtTtTww,0)(12ttcuvm0)(12ttchpm21112112,lnlnlnppvpppRTvvRTwwqTtTTTTwuq676.绝热过程：系统与外界没有热交换绝热过程：系统与外界没有热交换（1）过程方程）过程方程常数pvvpcc绝热指数，数值随气体的种类和温度而变vpcc 1
35、对于空气和燃气，4 . 1（2）初、终状态参数关系）初、终状态参数关系)(2112vvpp常数pvRTpv 12112)(vvTT11212)(ppTT68常数常数常数积分：令kvpvpppvvpvpvpvopdpvdvccpdvvdpccvdpdTcvdpdTcdqpdvdTcpdvdTcdqlnlnln,关于过程方程的推导关于过程方程的推导0069（3）p-v图及图及T-s图图定温pv1226543122Ts曲线斜率vpvpvpvpTs)()(在在P-v图上，绝热线比定温线陡。图上，绝热线比定温线陡。（4）能量转换）能量转换 1）过程功）过程功)1 (1)(1 )(11)11(112121
36、22111211112111212111TTRTTTRvpvpkvvkvpvdvvpvdvvppdvws70ststvptpsvwwwwccqwTcqwTcq于是注意到, 03）热量）热量0s 0q技术功是膨胀功的技术功是膨胀功的倍。倍。2）技术功）技术功*可逆绝热过程也是定熵过程可逆绝热过程也是定熵过程71（1 1）过程方程：）过程方程：、10n分别为定容、定压、定温、绝热过程分别为定容、定压、定温、绝热过程Constpvnn称为称为多变指数多变指数（2 2）初、终状态参数间的关系：）初、终状态参数间的关系：nvvpp)(211212112)(nvvTTnnppTT11212)(将绝热过程中
37、的将绝热过程中的换成换成n即可。即可。72（3 3）热力学能、焓、熵的变化：）热力学能、焓、熵的变化：)(1)(1212TTRTTcuv)(1)(1212TTRTTchp12121212121212lnlnlnlnlnlnvvcppcppRTTcvvRTTcsspvpv)(12TTchp)(12TTcuv1Rcv1RcpRccvpvpcc /73（4 4）功、热量：）功、热量：)(121TTnRwnwTTnnRwt)(121多变指数为n的多变过程，技术功是体积功的n倍)(112TTcnnqvn)(111 ( )(1()(1)(12122112TTncRcTTnRcTTnRTTcwuqvvvvn
38、vncnnc1)(12TTcqnn74vP1234制冷循环制冷循环热泵循环热泵循环75动力循环：动力循环：也称热机循环。目也称热机循环。目的是从高温热源取热的是从高温热源取热Q1，得到功得到功 W。在状态参数。在状态参数坐标图坐标图PV图上为顺图上为顺时针方向。为正循环。时针方向。为正循环。 76制冷循环：制冷循环：目的是把热量目的是把热量Q2从低温物体中取出排从低温物体中取出排向高温，为此要消耗向高温，为此要消耗外功外功W。在状态参数。在状态参数坐标图坐标图PV图上为图上为逆时针方向。为逆循逆时针方向。为逆循环。环。 77热泵循环：热泵循环：为另一种逆循环，目的是向高为另一种逆循环，目的是向
39、高温热源供热（空调取暖）。其工作温热源供热（空调取暖）。其工作原理和原理和P-V图与制冷循环相同。图与制冷循环相同。n（ B ）3、用活塞式压缩机给气体加压时，哪个过程消、用活塞式压缩机给气体加压时，哪个过程消耗能量耗能量 A、吸气过程、吸气过程 B、压缩过程、压缩过程 C、排气过程、排气过程 D、余隙膨胀过程、余隙膨胀过程78代价效果（收益）工作系数 1QWtWQ2WQh1Q1为与高温热源交换的热量，为与高温热源交换的热量， Q2为与低温热源交换为与低温热源交换的热量的热量7980 “热力学第一定律热力学第一定律”的的实质是能量转换与守恒定律实质是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。在热力学
40、中的应用。确确立了在热力过程中热力系统立了在热力过程中热力系统与外界进行进行能量交换时，与外界进行进行能量交换时，各种形态能量在数量上的守各种形态能量在数量上的守恒关系。恒关系。 19世纪世纪30-40年代，许多年代，许多科学家前赴后继，迈尔科学家前赴后继，迈尔焦焦耳（德国医生）最后发现和耳（德国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。确定了能量转换与守恒定律。81恩格斯说：能量转换与守恒恩格斯说：能量转换与守恒定律是定律是19世纪三大发现之世纪三大发现之一（细胞学说、一（细胞学说、 达尔文进达尔文进化论）。化论）。82 这个定律指出这个定律指出“一切物质都具有能量。一切物质都具有能量。能量
41、既不可能创造，也不能消灭，它只能在能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变而在转换中，能量的总量恒定不变”。这一。这一真理可以说：真理可以说：“颠扑不破颠扑不破”、“放之四海而放之四海而皆准皆准”。因为至今为止，没有一个人提出一。因为至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律，个事实不符合这条自然规律， 相反，在各相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循这条规律。当然我宏观、微观各领域都遵循这条规律。当然我们
42、热力学就是研究能量及其特性的科学，它们热力学就是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。必然要遵循这条规律。83热力学第一定律的描述热力学第一定律的描述 任何发生能量传递和转换的热力过任何发生能量传递和转换的热力过程中，能量的总量始终保持不变。程中，能量的总量始终保持不变。 输入系统的能量输入系统的能量- -系统输出的能量系统输出的能量= =系统储存能量的变化系统储存能量的变化84 “热力学第一定律”的建立是在资本主义发展初期，那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。为什么？因为它违反了“热一”，故“热一”的另一形象的说法是“第一类永动机是不
43、可能制造成功的”（1975年法国科学院）。反说85二、能量二、能量储存储存的能量的能量传递传递的能量的能量内部储存能内部储存能（热力学能）（热力学能）外部储存能外部储存能内动能内动能uk=f(T)内势能内势能up=f(T,v)动能动能EK势能势能EP能量能量功功热量热量861 1、储存能量：、储存能量： 内部储存能内部储存能-内部状态参数决定内部状态参数决定 外部储存能外部储存能-外部状态参数决定外部状态参数决定（1）内部储存能）内部储存能热力学能热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称为分子运动的平均动能和分子间势能称为“热力学能热力学能”符号：符号：U u (单位质量热力学能）单位质量热力
44、学能）单位：单位：J kJ kJ/kgu=U/mu=f(t,v)*理想气体热力学能只是温度的理想气体热力学能只是温度的单值函数单值函数 u=f(T)*理想气体分子间不存在相互作用理想气体分子间不存在相互作用力，没有内位能力，没有内位能87（3 3）系统的总储存能（总能）系统的总储存能（总能） E=U+ E=U+ e=u+ e=u+ 221mcEkmgzEp88（1）功功 热力学定义：系统除温差以外的其它不平衡势差热力学定义：系统除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界之间的传递的能量。所引起的系统与外界之间的传递的能量。 电功、磁功、机械拉伸功、弹性变形功、表面电功、磁功、机械拉伸功、弹性
45、变形功、表面张力功、和膨胀功、轴功等张力功、和膨胀功、轴功等封闭系统，传递的能量有两种：功和热量1）膨胀功（也称容积功）：在压力差作用下，）膨胀功（也称容积功）：在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化而传递的机械功。由于系统工质容积发生变化而传递的机械功。系统对外作功 0w外界对系统作功 0w膨胀功是过程量，一旦过程结束，做功即停止膨胀功是过程量，一旦过程结束，做功即停止刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功燃气燃气进口进口排入大气排入大气21FdxwFdxw *可逆过程对外做的膨胀功最大。可逆过程对外做的膨胀功最大。*作膨胀功一定有容积变化，容积变化并不一定作膨胀
46、功。作膨胀功一定有容积变化，容积变化并不一定作膨胀功。902）轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。）轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。sw系统输出轴功为正功，输入轴功为负功。系统输出轴功为正功，输入轴功为负功。轴功来源于能量的转换，如汽轮机中热能轴功来源于能量的转换，如汽轮机中热能转换成机械能；也来源于机械能的直接传转换成机械能；也来源于机械能的直接传递，如水轮机、风车等。递，如水轮机、风车等。91（2）热量）热量 热量热量是除功以外，通过边界系统与外界之是除功以外，通过边界系统与外界之间传递的能量。间传递的能量。热量也是过程量。热量也是过程量。符号规定：系统从外界吸热为正；符号规定
47、：系统从外界吸热为正；Q0 系统向外界放热为负系统向外界放热为负。Q0 吸热 ds0就有能量辐射就有能量辐射v与绝对温度呈与绝对温度呈4次方关系次方关系v（ ABD EF ）热辐射是最基本的传热方式之一，物体间）热辐射是最基本的传热方式之一，物体间的辐射换热具有以下哪些特点的辐射换热具有以下哪些特点A、热辐射过程总是伴有能量形式的转换、热辐射过程总是伴有能量形式的转换B、不依靠中间媒介，可以在真空在进行、不依靠中间媒介，可以在真空在进行 C、只有高温物体发射辐射能、只有高温物体发射辐射能D、热射线具有电磁波的共性、热射线具有电磁波的共性E、热射线以光速传播、热射线以光速传播F、两物体温度相同时
48、，热辐射交换也在进行、两物体温度相同时，热辐射交换也在进行热辐射可以在真空中传播，不需要介质。热辐射可以在真空中传播，不需要介质。热辐射本质上是电磁波辐射，只要温度高于热辐射本质上是电磁波辐射，只要温度高于0K的物体的物体都能辐射电磁波，向外辐射能量。都能辐射电磁波，向外辐射能量。4141001001TTAcQfsrQ 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻111AR固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻211ARAR 燃气侧燃气侧冷却水侧冷却水侧 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递 -内
49、燃机气缸壁的冷却过程内燃机气缸壁的冷却过程上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AAAttRRRttQfffftAkttAkQff)(21传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。KmW2 传热系数传热系数21211111rrrk单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻 例例1有一平底铝制水壶，壶底直径D为24cm，底厚=2mm，内装tf2=20C的冷水，置于电炉上。已知铝的导热系数为200W/(mK)，传热热流量Q=400W，壶内壁对冷水的换热系数为200W/(
50、m2K)，求壶底外壁的温度。t1。解：解：AAttQf121CDQtAQttff3 .64)1(41)1(2221AA1P155第三节第三节 导热导热一、一、 ),(zyxft（一）温度场和温度梯度（一）温度场和温度梯度稳态温度场非稳态温度场),(zyxft),(zyxft2 2、等温面与等温线等温面与等温线：在温度场中,将温度相等的点连成面即为等温面。等温面与任一平面的交线便是等温线。等温线与另一条温度不同的等温线不可能相交等温线与另一条温度不同的等温线不可能相交, ,它可以是它可以是封闭曲线或者终止于物体的界面上。封闭曲线或者终止于物体的界面上。 热流线与等温线垂直，且指热流线与等温线垂直
