1、一、基本概念一、基本概念1、工程热力学研究对象、工程热力学研究对象2、热能转变为机械能的共同途径、热能转变为机械能的共同途径 由媒介物通过吸热由媒介物通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 3、系统、系统 人为分割出来，作为热力学研究对象的有人为分割出来，作为热力学研究对象的有 限物质系统。限物质系统。闭口系（控制质量闭口系（控制质量CMCM）没有质量越过边界没有质量越过边界。开口系（控制体积开口系（控制体积CV）通过边界与外界有通过边界与外界有 质量交换质量交换 绝热系绝热系与外界无热量交换与外界无热量交换;孤立系孤立系与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。简单可压缩系简单可压缩
2、系由可压缩物质组成，无化学反应、由可压缩物质组成，无化学反应、与外界只有交换容积变化功的有限物质系统与外界只有交换容积变化功的有限物质系统。4、热力学状态热力学状态系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数状态参数描述物系所处状态的宏观物描述物系所处状态的宏观物 理量理量 a)状态参数是宏观量，只有平衡态才有状参。状态参数是宏观量，只有平衡态才有状参。b)状态参数的特性状态参数的特性状态的单值函数状态的单值函数 物理上与过程无关；与过程无关；数学上其微量是全微分其微量是全微分c)状态参数分类状态参数分类 广延量；强度量广延量；强度量d)系统两个状态相同的充要条件：所有状参一一对应相
3、等系统两个状态相同的充要条件：所有状参一一对应相等 简单可压缩系：两个独立的状态参数对应相等简单可压缩系：两个独立的状态参数对应相等5、平衡状态：、平衡状态：若无外界影响系统保持状态参数值不随时间改变若无外界影响系统保持状态参数值不随时间改变的状态的状态。热力平衡的充要条件热力平衡的充要条件系统同时达到热平衡和力平衡。系统同时达到热平衡和力平衡。6、可逆过程、可逆过程 准静态过程准静态过程：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。进行条件：进行条件：破坏平衡的势无穷小破坏平衡的势无穷小可逆过程：可逆过程：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留
4、下系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下 任何变化的过程。任何变化的过程。可逆可逆=准静态准静态+没有耗散效应没有耗散效应一切实际过程不可逆一切实际过程不可逆内部可逆过程内部可逆过程7、功功 热力学定义热力学定义：通过边界传递的量其全部效果可通过边界传递的量其全部效果可 表现为举起重物表现为举起重物。可逆过程功计算：可逆过程功计算：212211ddWWpA xp V有用功有用功pluWWWW8、热量、热量 定义定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量仅仅由于温差而通过边界传递的能量。21d(dQT SQT S可逆过程）9、热力循环、热力循环定义：封闭的热力过程定义：封闭的热力过程特性：一切状态
5、参数恢复原值特性：一切状态参数恢复原值net11twq2net1qorw1net1qw内可逆循环：内可逆循环：二、气体的性质二、气体的性质1、理想气体、理想气体状态方程状态方程gpVmR T比热容比热容0limdTqQcTT ddvTuuvcpTvTddddVVucu c TTddddpphchcTTgpVccR迈耶公式和比热容比迈耶公式和比热容比Vpccgg111pVcRcR利用比热容计算热量利用比热容计算热量理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数理想气体的熵理想气体的熵dJ/(kg K)J/(mol K)qsorT可逆22g11dlnVvTcRTv22g1
6、1dlnppTcRTp2211ddpVvpccvp21dss 理想气体变比热熵差计算理想气体变比热熵差计算00221g1lnpsssRp 2、水蒸气、水蒸气饱和状态饱和状态sspT 使未饱和液达饱和状态的途径：使未饱和液达饱和状态的途径：pt,tpptts不变，保持 pttpps不变，保持干度干度湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用x表示。表示。液汽汽mmmx水定压加热汽化过程水定压加热汽化过程一点：临界点临界点322.12MPa374.15 C0.00317m/kgcccptv两线上界限线上界限线下界限线下界限线三区液液汽液共存汽液共存汽汽五态未饱和水未饱和水饱和
7、水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽水和水蒸气状态参数水和水蒸气状态参数规定：三相点液态水热力学能及熵为零规定：三相点液态水热力学能及熵为零湿饱和蒸汽：湿饱和蒸汽：由由ts（或（或ps）与）与x共同确定共同确定未饱和水和过热水蒸气未饱和水和过热水蒸气饱和水合干饱和蒸汽饱和水合干饱和蒸汽较大时xxvvvxvvxxvvx 1 1 hxxhhxxsxxvphuxh 1 sxxssx ssxssTxs 三、热力学第一定律和热力学第二定律三、热力学第一定律和热力学第二定律1、热力学第一定律、热力学第一定律第一定律的实质：第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换
8、定律在热现象中的应用。总（储存）能和热力学能总（储存）能和热力学能pkpKeeueEEUE焓焓推动功和流动功推动功和流动功 推动功：系统引进或排除工质传递的功量。推动功：系统引进或排除工质传递的功量。流动功流动功：系统维持流动所花费的代价系统维持流动所花费的代价)(1122pvvpvp焓焓引进或排出工质而输入或排出系统的总能量引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。技术功技术功2f12tswwcg z 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和-热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和 =热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量00diitotQ
9、EememW 2100totiiQEe me mW 00totddmimiEe qeqP:dddtwp vpvv p 对可逆过程对于可逆过程ddQUp V对于循环netnetdQUWQW闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程式ddQUWQUWquwquw 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2221f 2f12112sqhhccg zzwdttqhwqhw 21dddqhv pqhv p 可逆2、热力学第二定律、热力学第二定律自发过程的方向性自发过程的方向性 自发过程的反方向过程并非不可进行，要有自发过程的反方向过程并非不可进行，要有 附加条件；附加条件；并非所有不违反第一定律的过程均可进行。并非
10、所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的能量转换方向性的实质是能质有差异实质是能质有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能热能0TT 不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能 能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。补偿过程，其总效果是总体能质降低。第二定律的两种典型表述第二定律的两种典型表述克劳修斯克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地 从低温物体传向高温物体。开尔文开尔文普朗克普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在
11、外界留下任何影响。3、卡诺循环和卡诺定理、卡诺循环和卡诺定理卡诺循环及其热效率卡诺循环及其热效率1LtChTT,tChLhLf T TTT0,1LhtCTT,0LhtCTT若第二类永动机不可能制成；1LtChTT tCnet1Lwqq即循环必需有放热卡诺定理卡诺定理定理定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一 切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无 关，与采用哪种工质也无关。关，与采用哪种工质也无关。定理定理2：在同为温度：在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的
12、冷源间工作的一的冷源间工作的一 切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。理论意义：理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低，降低T2 2）提高热机效率的极限）提高热机效率的极限。逆向卡诺循环概括性卡诺循环逆向卡诺循环概括性卡诺循环net0ccccqTwTT1net0RcRqTwTT1c1cct多热源可逆循环多热源可逆循环平均吸（放）热温度平均吸（放）热温度2121dmT sTss1）Tm仅在可逆过程中有意义仅在可逆过程中有意义2)221TTTm多热源可逆循环多热源可逆循环21111mLLtmhhTqT
13、qTT 循环热效率归纳：循环热效率归纳：net2111twqqq 1mmTT 放吸1LhTT 适用一切循环，任意工质多热源可逆循环，任意工质卡诺循环，概括性卡诺循环，任意工质4、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克劳修斯积分克劳修斯积分可逆可逆“=”不可逆不可逆“”孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变一切过程均可逆时系统熵保持不变。一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判 别过程进行的方向；别过程进行的方向；孤立系统中一
14、切过程均不改变其总内部储能，即孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即 任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可 造成机械能损失，而任何不可逆过程均造成机械能损失，而任何不可逆过程均Siso0，所以熵可反映某种物质的共同属性。所以熵可反映某种物质的共同属性。孤立系熵增意味机械能损失。孤立系熵增意味机械能损失。6、系统的作功能力（、系统的作功能力（）及熵产与作功能力损失）及熵产与作功能力损失热源热量的可用能热源热量的可用能011ahTqqT1012unaqqqTs1201sTqqa 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高是环境条件下热源传出热
15、量中可转化为功的最高 分额，称为热量分额，称为热量，qa与热源放热过程特征有关；与热源放热过程特征有关；2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是 热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除 减少称为热量减少称为热量；3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，而）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，而 环境介质中的内热能全部是废热。环境介质中的内热能全部是废热。定质量物系的作功能力定质量物系的作功能力00000maxvvpssTuuwu 相对于相对于p0，T0，wu,max是状态参数，称
16、之为热力是状态参数，称之为热力 学能学能，用，用Ex,U（ex,U）表示。）表示。从状态从状态1状态状态2，闭口系的最大有用功。，闭口系的最大有用功。12,max,1 2,U,U12012012uxxweeuuTsspvv3）真空系统作功能力）真空系统作功能力稳流工质的作功能力稳流工质的作功能力,max10012uwhhTss 对于对于 p0、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓仅取决于状态，称之为焓 ，Ex,H（ex,H）。）。12,max,1 2,H,H12021uxxweehhTss若考虑动能，则称之为物流若考虑动能，则称之为物流2,max10010f112uxwehhTssc熵产与
17、系统作功能力（熵产与系统作功能力（）损失）损失0iso0 gITsT s四、气体的热力过程和循环四、气体的热力过程和循环1、理想气体的基本热力过程理想气体的基本热力过程constnpv 0n 定压过程2121vvTT1n 定温过程1 122p vp v(n定熵 可逆绝热）过程n 定容过程1212ppTT1 122p vp v111 122TvT v111122T pT p过程方程过程方程在在p-v图及图及T-s图上表示图上表示vpnvpnnncTsT多变过程多变过程constnpv 1 122nnp vp v111 122nnTvT v111122nnnnT pT p比热容比热容1nVnccn
18、,uhs和 212121212121TVTTpTucTTu Tu ThcTTh Th T 22g11lnlnpTpscRTp 22g11lnlnVTvcRTv1212lnlnvvcppcpVw，wt和和q2g121d1Rwp vTTn21dtwv pnw uqwhqwt2211dnqT scTT多变指数多变指数2112ln/ln/ppnvv1npnVnVccnccnncc参数在状态参数图上的变化及参数在状态参数图上的变化及h在在T-s图上表示图上表示2、压气机的热力过程压气机的热力过程压气机耗功压气机耗功2C1 1221dWpVp Vp V21dtV pW 压气机生产量通常用单位时间里生产气体
19、的标准压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准 立方米表示，不同于进气或排气状态。立方米表示，不同于进气或排气状态。1C,1 111nnnnwpvn余隙容积的影响余隙容积的影响容积效率容积效率11111111343133141nnhchcsvVVVVVVVVVVVVV余隙容积对理论耗功的影响余隙容积对理论耗功的影响1CC1111nnWnwv pmn生产量余隙存在使余隙存在使 1）生产量下降）生产量下降 2）实际耗功增大）实际耗功增大多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却212CC,min1mmpwwp时1C,g 111nniinwR Tn定温效率定温效率C,C,CTTww绝热内效率绝热内效率C
20、21CSC21sswhhwhh3、水蒸气的基本过程、水蒸气的基本过程 过程中状态参数确定过程中状态参数确定图表或专用程序计算。图表或专用程序计算。功、热量的计算式：功、热量的计算式：2121222111dddtvptquwqhwquuqhhwp vwv pqT s 定压过程定压过程热量热量初末hhqp汽化潜热汽化潜热定熵过程定熵过程 2221112121vphvphuuwhhwt水蒸气水蒸气常数pvvpcc122111vTvT定体积过程定体积过程pvhuqV4、活塞式内燃机的理想循环、活塞式内燃机的理想循环空气标准假设空气标准假设气体动力循环中工作流体气体动力循环中工作流体理想气体理想气体空气
21、空气定比热定比热燃烧和排气过程燃烧和排气过程吸热和放热过程吸热和放热过程燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计混合加热理想循环混合加热理想循环12vv32pp43vv特性参数特性参数循环热效率循环热效率3423151211TTTTTTqqt11111t )a)c)bttt定压加热理想循环定压加热理想循环23141TTTTt1111t net)tawnet)tbw定容加热理想循环定容加热理想循环41321tTTTT 111t ta)net);tbw不变，但活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较压缩比相同，吸热量压
22、缩比相同，吸热量 相同时的比较相同时的比较tvtmtp循环循环pmax，Tmax相同相同 时的比较时的比较tptmtv5、简单蒸汽动力装置循环简单蒸汽动力装置循环郎肯循环郎肯循环朗肯循环的热效率朗肯循环的热效率 1243net211141thhhhwqqqhh 忽略水泵功忽略水泵功 21213121hhhhhhhht理想耗汽率理想耗汽率 装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量0121dhh耗汽量耗汽量0000WDd PP功率,初参数对朗肯循环热效率的影响初参数对朗肯循环热效率的影响有摩阻的实际朗肯循环有摩阻的实际朗肯循环不可逆性衡量不可逆性衡量 汽轮机内部相对效率汽轮机内部相对效率T（简称汽机效率）（简称汽机效率）2121,hhhhwwactTtTacttT装置内部热效率（忽略水泵功）装置内部热效率（忽略水泵功）net,12112actactiTtwhhqhh 实际内部耗汽率实际内部耗汽率di和耗汽量和耗汽量Di01212121211iactactTiiiidhhdhhhhhhDd PP实际内部功率谢谢
