1、 工工 程程 热热 力力 学学 Engineering ThermodynamicsEngineering Thermodynamics 绪绪 论论工程热力学工程热力学是非常重要的技术基础课，随着能源、力学、宇航、机械、车辆等学科的发展，越来越重要工程热力学 是一门研究热能/能源有效利用及 热能/能源和其它形式能量转换规律 的科学1、宏观方法、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结态，其基本规律是无数经验的总结 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 宏观热力学，平衡热力学2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角、
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度研究热现象及规律 特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 统计热力学工程热力学研究方法工程热力学研究方法工程热力学与新能源工程热力学与新能源工程热力学工程热力学是研究是研究热能热能/新能源新能源有效利用及有效利用及热能热能/新能新能源源和其它形式和其它形式能量能量转换规律的科学转换规律的科学建立节能和发展新能源的理建立节能和发展新能源的理论基础论基础内燃机内燃机装置装置空气、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)内燃机内燃机（钝缸技术）（钝
3、缸技术）内燃机内燃机（钝缸技术）（钝缸技术）可通过关闭个别气缸的方法，使到3.5L V6引擎可在3、4、6缸之间变化，使得引擎排量也能在1.75-3.5L之间变化，从而大大节省燃油能源。既有驾驶平顺感，加速线性，又能在不必要的时候减少发动机排放。相比涡轮增压、机械增压技术复杂，但是带来的节能环保是以上两种方式不能达到的。工程热力学的研究内容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、新能源热力学引论思 考 题？2、为何要有两个热源，能否不要低温热源,不放热，做功与热量W=Q是否可以进行？3、发电厂效率高的只有40%左右，可否 有途径提
4、高，最高效率是否有极 限？极限为多少？1、永动机是否可能实现？请分析。4、热能和机械能通过什么介质转换？工程热力学 研究能量转换、特别是热能转化成机械能的规律和方法，以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的经济性。第一章 基本概念基本要求：掌握工程热力学中的基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等；掌握状态参数的特征，基本状态参数的定义和单位等；掌握热量和功量过程量的特征，会计算可逆过程功和热量，并能够在坐标图上表示。热力系统热力系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界（环境）：热力系以外的与系统发生质能交换的物体。边界：热力系与外界的分界面（系统与外界的作用都通
5、过边界）真实的、固定的、封闭的假想的、运动的、开口的边界特点热交换功交换质量交换QWqm热力系与外界的相互作用热力系开口系闭口系绝对系孤立系简单可压缩系工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态：热力系在某一瞬时所呈现的宏观物理状况。状态参数：描述系统状态的宏观物理量。（1）状态 状态参数：单值对应（2）状态参数是点函数（状态函数）（3）状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。常用状态参数（6个）：p、v、T、u、h、s基本状态参数（3个）：p、v、T。压力：绝对压力p、表压力pg、真空度pv、环境压力pb的关系温度：摄氏温度和绝对温度的关系与区别注意平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态：在
6、不受外界影响（重力场除外）的条件下，系统宏观性质不随时间改变（状态保持不变）的状态。实现平衡的条件：内外一切势差趋于零。势差消失是平衡的条件，也是平衡的本质。水蒸气水平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的稳定未必平衡；但平衡一定稳定工质的状态变化过程热力过程：系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。准平衡过程（准静态过程）：过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动恢复平衡所需的时间，即弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态。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）可逆过程：系统（工质）在完成某一过程后，如能使过程逆行而使系
7、统及外界回复到原始状态，不留下任何变化，则此过程称为可逆过程。实现条件：可逆过程=准平衡过程+无耗散效应过程功和热量功：系统与外界间在力差的推动下，通过宏观有序（有规则）运动方式传递的能量，用W表示。过程量，大小不仅与初、终状态有关，而且与过程进行的性质、路径等有关。热力学中规定，系统对外做功取正值，外界对系统做功取负值。可逆过程的膨胀功（体积变化功）tWVdp=-redWp V=pV.12.可逆过程的技术功示功图正功负功正功负功热量：系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子无序运动的方式与外界交换的能量，用Q表示。过程量，大小不仅与初、终状态有关，而且与过程进行的性质、路径等有关。热力学上
8、统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。可逆过程的热量redqT s=revqdsT热力循环功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。分类蒸汽动力循环 燃气轮机装置循环内燃机循环 正循环（热机）逆循环 （机热）制冷循环热泵循环得到的收益工作系数花费的代价第二章第二章 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用基本要求：1、深入理解热力学第一定律的实质；2、掌握内部储存能（热力学能）、外部储存能和总能的概念；3、熟练掌握热力学第一定律表达式，特别是闭口系及稳定流动开口系能量方程；4、灵活应用热力学第一定律表达式对具
9、体问题进行分析计算；5、掌握体积变化功热力学第一定律能量方程分析的步骤画简图，取定热力系分析与外界的相互作用写出对应的能量方程式按具体情况简化求解热力学第一定律的实质实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。表述进入系统的能量离开系统的能量 =系统能量的增量 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。或：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。一般关系式第三章第三章 理想气体的性质理想气体的性质基本要求：1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式；2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容
10、计算理想气体热力学能、焓、熵及过程热量；3、掌握有关理想气体的术语及其意义；4、掌握理想气体发生过程；5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得理想气体的相关状态参数。理想气体状态方程式理想气体的分子模型的假设：1）分子是弹性的不占体积的质点；2）分子相互之间没有作用力理想气体：在常温、常压下O2、N2、CO、H2、空气、燃气、烟气等离液态较远，可作理想气体处理。实际气体：水蒸气、制冷剂蒸汽等。m1 mol:pVR T mol:npVnRT1 kg :gpvR T kg :gmpVmR T状态方程R摩尔（通用）气体常数与气体种类、状态均无关J8.3145 mol KR gRg气体
11、常数 kJ/kg.KgRRM与气体种类有关，与状态无关理想气体的比热容 J/KddQQCTt热容：工质温度升高1度所吸收的热量，称为热容，过程量，用C表示：J/(kg K)Ccm比热容：热容除以质量称为比热容，用c表示：摩尔热容：热容除以物质的量称为比热容，用Cm表示：m J/(mol K)CmcCMcnn比定压热容：定压过程中，单位质量工质温度升高1度，所吸 收的热量，cp表示。比定容热容：定容过程中，单位质量工质温度升高1度，所吸 收的热量，cV表示。理想气体：理想气体的比热容理想气体的比热容vv()ucTpp()hcT()uf T()hf T理想气体热力学能、焓是温度的单值函数dduT理
12、想ddhT理想c是过程量实气cV，cp 是状参，f（T，V）理气cV，cp 是状参，且f（T）迈耶公式pv,gp mv mccRCCR理想气体的热力学能、焓和熵vdducTpddhcTgpgvRc dTRc dTdsdvdpTvTp适用于理想气体、任意过程。pvggc dTc dTdvdpdsRRTvTppvdvdpdsccvp适用于理想气体、任意过程。适用于理想气体、任意过程。第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程基本要求：1、能将各基本热力过程在p-v图上表示；2、熟练掌握4种基本热力过程及多变过程的初终态参数之间的相互关系（过程方程+状态方程）；3、熟练掌握4种基本热力过程与
13、外界交换热量和功的计算；4、正确应用p-v图判断过程特点：热力学能、及热量和功正负值热力过程分析的依据gpvR TgpVccRVucT phcT 2222gg1111lnlnlnlnpVTpTvscRcRTpTv dddddddVT sc Tquwup vcTp vrerei.g.dddddddtpT sc Tqhwhv pcTv prerei.g.4个基本过程的初终态状态参数间的关系1、定容过程121221 TTppvv2、定压过程、定压过程121221 TTvvpp3、定温过程221121 vpvpTT pv定值2112pvpv11212121TvpTvp4、定熵过程v1nn0n npd0
14、npvddppnvv p v，总 为 正，n ddpv，线越陡Ts0n 1nnpTc，定压过程VTc,定容过程ddnqcTT snnTTscnpTSvvSTp4个基本过程中的热量和功的计算1、定容过程2、定压过程3、定温过程210pdvw2112)(ppvvdpwt)(12TTcuqvv2112)(vvppdvw210vdpwt)(12TTchqpp2112lnvvTRpdvwg1221lnppTRvdpwgt)(12ssTwwqtT多变过程npvconst0n constp，等压过程1n constpv，定温过程nconstpv，定熵过程n 1constnp v，定容过程constnpv p
15、v1nn0n npTs0n 1nnnpTSvvSTp多变过程在坐标图上的表示多变过程在坐标图上的表示第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律基本要求：1、深刻理解热力学第二定律的实质及数学表达式；2、掌握卡诺卡诺循环和卡诺定理；3、掌握熵的意义、计算及应用；4、掌握孤立系统熵增原理。热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式isod0sdqsT0qT fgdsss不可逆过程的熵增（过程角度）克劳休斯积分不等式（循环角度）孤立系统角度非孤立系统角度熵、热力学第二定律的数学表达式1.熵的定义2.循环过程的熵3.可逆过程的熵变redd0,0d0,0d0,0qT ssqsqsq则可逆过程中
16、则则redqsT熵是可逆过程系统与外界交换热量的度量。热流通过边界时引起熵的变化，功不引起熵的变化。卡诺循环分析卡诺循环定义：工作在两个恒温热源间的理想可逆正循环 卡诺循环的组成：卡诺循环由两个定温和两个绝热可逆过程组成2211222t,C1111211111netTsswqqqTqqqT ssT 卡诺定理定理一：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，而与循环的种类无关，与所采用哪一种工质也无关。定理二：在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的不可逆循环，其热效率必小于可逆循环的热效率。在相同高低温热源温度间进行的可逆循环，一个采用理想工质，一个采用实
17、际工质，哪一个循环的热效率较高？r qdsT不可逆过程的熵变对于闭口系，gf,QgddddQSSSSTdSf,Q称为热熵流,它是由于系统与外界交换热量引起的;dSg称为熵产,它是由于不可逆因素引起的，是过程不可逆性大小的度量。dSf,Q可正可负，也可等于零；dSg恒大于或等于零。gQf,SSdSf,QgSSS数学表达式之一数学表达式之一绝热闭口系与外界没有热量交换，故没有热量引起的熵流，则adgad0 dd0gSSSS或isoisod00SS上式的含义为：孤立系内部发生不可逆变化时，孤立系的熵增大,dSiso0;极限情况（发生可逆变化）熵保持不变,dSiso=0;使孤立系熵减小的过程不可能出现
18、。简言之，孤立系统的熵只能增加，不能减少，极限情况（可逆过程）保持不变。这一结论即孤立系统熵增原理，简称熵增原理。注意：熵增原理只适用于孤立系统。至于非孤立系，或者孤立系中某个物体，它们在过程中可以吸热也可以放热，所以它们的熵既可能增大、可能不变，也可能减小。熵增原理的实质熵增原理的实质熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso0。熵增原理指出了热过程进行的限度，即dSiso0。熵增原理揭示了热过程进行的条件（孤立系的热力过程中 有部分物体熵减小，必有部分物体的熵增大相伴随）。熵增原理全面、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。由于热力学第二定律的各种说法都可
19、以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归入一个孤立系统，所以可以认为式：是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。isod0 S1234mQW1 开口系取孤立系统的方法取孤立系统的方法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iso,1nsub jjSS熵变的计算方法理想气体、任何过程2221v11lngvdTscRTv2221p11lngpdTscRTp2221pv11dvdpsccvp固体和液体：reQcmdTdSTT11QST热源的熵变0S功源的熵变0S循环工质的熵变第六章第六章 水蒸气和蒸气动力循环水蒸气和蒸气动力循环水蒸气
20、空气中含量小，特殊情况可当理想气体一般情况下，为实际气体，要使用图表18世纪，蒸气机的发明，蒸气是工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前蒸气仍是火力发电、供暖、化工的工质优点:便宜，易得，无毒，膨胀性好，传热性好蒸气是其它实际气体的代表之一水蒸气的饱和状态和相图水蒸气的饱和状态和相图相：系统中物理性质和化学组成完全均匀的部分，相与相之间有明显的界面。水和水蒸气组成的系统酒精和水蒸气的蒸汽混合物相变：物质不同相之间的相互转化。一般物质都有三种相态，即固、液、汽，任意两种相态之间均可相互转化。固液汽溶解凝固汽化凝结升华凝华相及相变两相单相水和水蒸气状态参数 水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的
21、独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算。在工程应用中水蒸气不能利用理想气体性质计算 计算过程相当复杂，由专门的工作人员完成，绘制成图或表，例如水和水蒸气的热力性质图表。学会用图表。水定压加热汽化过程一点临界点Critical pointcrcr3cr22.064MPa373.99 C0.003106m/kgptvo两线上界限线下界限线三区过冷水区湿蒸汽区过热蒸汽区五态未饱和水态饱和水态湿蒸汽态饱和蒸汽态过热蒸汽态基本方程222111 twpdvwvdpqTds 2121 tvpquwqhwquuqhh 22110 =()twpdvwvdpv p quhpv 可逆过程水蒸气基本热力
22、过程1、定容过程2、定压过程21 =0 twpdvp vwqh 3、定温过程2212110 =()()tqTdswuuwhh 4、定熵过程2211()tqTdsT sswquwqh 第七章 实际空气性质和过程sv()vsttppp t或空气中的水蒸气sv()vsttppp t或过热未饱和空气，具有吸湿能力饱和饱和空气，不具有吸湿能力空气达到饱和的途径 t 不变，pv 上升，pv=ps(t）pv 不变，t 下降，t=ts(pv)实际空气的状态参数实际空气的状态参数实际空气中水蒸气分压力pv所对应的饱和温度，td=ts(pv)，是pv的单值函数。p=pa+pv露点温度Td压力相对湿度绝对湿度：每立
23、方米实际空气中水蒸气的质量，即实际空气中水蒸气的密度v，单位kg/m3vv,maxpp1）vvvgvvvgv1pp vR TvR Tvv1v理想气体2）spvsv,max相对湿度（饱和度）绝对湿度与同温度下可能达到最大绝对湿度之比。实际空气中水蒸气分压力与同温下最大可能的水蒸气分压力之比。vsvspp01 =0 干空气0 1 未饱和空气 =1 饱和空气吸湿能力下降vsppvvvgv1pvR Tsssgs1pvR T相对湿度反映了实际空气的干燥程度（吸湿能力）。取决于水蒸气的分压力和实际空气温度。分压力一定，温度越高，相对湿度越低；温度一定，分压力越高，相对湿度越高。实际空气的含湿量实际空气的含
24、湿量va kg()/kg()mdm水蒸气干空气vg,vvvvvaag,aaaa()18.060.622()28.97vap VR TmMpppdmp VR TMppp若实际空气中的干空气质量为 ma，水蒸气的质量为mv，则含湿量的定义为vsvs0.6220.622ppdpppp当p一定时，vdp第八章第八章 锂电池热力学引论锂电池热力学引论第九章第九章 燃料电池热力学引论燃料电池热力学引论第十章第十章 太阳能电池热力学引太阳能电池热力学引论论第十一章第十一章 固态电池热力学引论固态电池热力学引论思考题1、雾霾的起因、发展与防止。2、构思简易太阳能汽车，太阳能电池该如何布置。3、设计太空太阳能发
25、电站的工作基本原理。4、试分析汽车和手机无线充电的电能从何而来？5、压电材料可否做高速公路材料为汽车充电，试论述。6、快速充电对汽车和手机会有如何影响？试分析。附录附录 A 摩尔概念摩尔概念摩尔：摩尔：物质的量的基本单位，物质的量的基本单位，mol1mol 0.012kg C(12)的原子数目，的原子数目，6.02251023摩尔质量:1mol物质的质量，用M表示，单位g/mol，数值上等于物质的相对分子量。310mnM物质的质量物质的量 摩尔质量摩尔体积:1mol气体的体积310mVMv阿伏伽德罗假说阿伏伽德罗假说 Avogadros hypothesis:相同相同 p 和和 T 下各种气体
26、的摩尔体积下各种气体的摩尔体积Vm相同相同在标准状况下500(1.01325 10273.15)pPaTK33022.4141 10mmVmolmpVRTm8.3 1 4 5/()p VR Jm o lKT g常数m8.3145/()pVRJ m ol KT 常 数m8.3 1 4 5/()p VRJ m o lKT g常数摩尔气体常数摩尔气体常数R摩尔（通用）气体常数J8.3145 mol KR gRg气体常数 kJ/kg.KgRRM8.3145kJ0.287kg K28.97RRM空气空气与气体种类无关，与状态无关与气体种类有关，与状态无关理想气体状态方程可有以下四种形式理想气体状态方程可
27、有以下四种形式：gmg1 kg 1 mol pvR TpVRTmpVmR TnpVnRT气体气体质量为的气体物质的量为的气体1.,()p v VT,是同一状态下的值。agpK,J/(kg K)J/(mol K)p-T-R-R-，注意：2.压力：绝对压力3.温度：单位 K4.统一单位（最好均用国际单位）v1nn0n npTs0n 1nnnpTSvvSTp附录附录B B 理想气体热力过程综合分析理想气体热力过程综合分析附录附录C 理想气体可逆过程计算公式表理想气体可逆过程计算公式表附录附录D D 卡诺定理小结卡诺定理小结多热源间工作的一切可逆热机的热效率小于同温限间工作卡诺机的热效率不可逆热机IR 同热源间工作可逆热机R IR R=c 在给定的温度界限间工作的一切热机，C最高 热机极限 2RC11TT 在两个不同在两个不同 T 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切可逆可逆热机热机,cR多
