工程熱力學課件-培訓ppt全套

1、工程熱力學培訓課件,,制 作：,0、緒論1、基本概念2、熱力學第一定律3、熱力學第二定律4、理想氣體5、水蒸氣和濕空氣6、噴管內的氣體流動7、壓氣機的熱力過程8、燃氣動力循環(huán)簡介9、蒸汽動力循環(huán)10、制冷循環(huán)簡介,目錄,課件目錄,緒論,0-1 熱能及其利用0-2 工程熱力學發(fā)展簡史0-3 工程熱力學的主要內容,能源是人類社會不可缺少的物質基礎之一，人類的歷史與其開發(fā)利用能源的廣度和深度密切相連。

2、 兩種基本形式：直接利用和間接利用。,§0-1 熱能及其利用,熱力工程的發(fā)展歷程簡介：大氣機、蒸氣機及其改進（瓦特）、內燃機、燃氣輪機等。 熱力學的發(fā)展歷史： 熱素說和熱動說之爭(牛頓、本杰明. 湯姆遜、戴維)； 熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)（卡諾、邁耶能量轉換、焦耳實驗、朗肯熱功等當、亥姆霍茲之綜述等）； 熱力學第二定律的提出（卡諾、克勞修斯、開爾文等）；克勞修斯的貢獻及其熱寂說的提出； 能斯特及熱

3、力學第三定律；凱南的有效能提出等。 幾個重要的科學家（卡諾、焦耳、瓦特、開爾文等）。,§0-2 工程熱力學發(fā)展簡史,工程熱力學的研究對象主要是能量轉換，特別是熱能轉化成機械能的規(guī)律和方法，以及提高轉化效率的途徑，以提高能源利用的經(jīng)濟性。主要內容包括： 1、基本概念與基本定律； 2、過程和循環(huán)的分析研究及計算方法； 3、常用工質的性質； 4、化學熱力學方面的有關內

4、容。研究方法：宏觀（經(jīng)典）和微觀（統(tǒng)計）,§0-3 主要內容,熱力學第零定律： 假如兩物體的溫度都等于另外第三個物體，那么這三個物體擁有相同的溫度。熱力學第一定律： 熱是能的一種，機械能變成熱能，或熱能變成機械能的時候他們間的比值是一定的。熱力學第二定律： （1）克勞修斯說法：熱不能自發(fā)的、不付代價的從低溫物體傳至高溫物體。 （2）開爾文說法：不可能制造出從單一熱源吸熱

5、、使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。熱力學第三定律： 絕對零度不可達。,熱力學四定律,1 基本概念,1-1 本課涉及的幾種熱能轉換(移)過程1-2 熱力系統(tǒng)1-3 工質的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖1-5 工質的狀態(tài)變化過程1-6 過程功和熱量1-7 熱力循環(huán),課件目錄,,熱能動力裝置：從燃料燃燒中獲得熱能，并利用熱能得到動力的整套

6、設備。分為蒸汽動力及燃氣動力兩類裝置。工作過程可概括成右圖。制冷裝置：利用動力實現(xiàn)熱能逆向傳遞的整套裝置。工作過程也可簡化成右圖，但箭頭反向。,§1-1 幾種熱能轉換(移)方式簡介,,熱能動力裝置工作示意圖,（1）圖1-2 內燃機裝置 示意簡圖,（2）蒸汽動力裝置簡圖,引入：系統(tǒng)、工質、熱源、循環(huán)。,（3）燃氣輪機裝置簡圖,燃氣輪機裝置,實物圖片：,（4）壓縮蒸汽制冷裝置簡圖,熱力系統(tǒng)：分割出來作為熱力學分析對象

7、的有限物質系統(tǒng)。外 界：系統(tǒng)周圍物質的統(tǒng)稱（熱源、物質源）。,§1-2 熱力系統(tǒng),系統(tǒng)和邊界,閉口系統(tǒng): 與外界有能量交換而無物質交換，又稱控制質量。開口系統(tǒng): 與外界既有能量又有物質的交換，又稱控制體積。絕熱系統(tǒng): 與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng): 與外界無能量交換又無物質交換，一切作用發(fā)生在 系統(tǒng)內部。,熱力系統(tǒng)的分類,常用的狀態(tài)參數(shù)有：壓力p ，溫度T

8、 ，體積V ，熱力學能(內能)U ，焓H ，熵 S 等 。這里主要講解壓力 p，溫度 T，體積V（比容v 和密度ρ）等。一、溫度 一般國際上常用到的溫度計量標準有四種：,,攝氏(Celsius)溫標；華氏(Faharenheit)溫標；開爾文（Kelvin）溫標（熱力學（絕對）溫標）；朗肯(Rankine)溫標。,§1-3 工質的熱力學狀態(tài) 及其基本狀態(tài)參數(shù),“哥倫比亞”號航天飛機的

9、機身左側溫度在5分鐘內上升了60華氏度（約15.6攝氏度？）。（羊城晚報2003.2.3）,攝氏溫標和熱力學（開爾文）溫標間的關系： 華氏溫標與攝氏溫標的轉化關系： 朗肯溫標是英制的熱力學（絕對）溫標，它和開爾文溫標之間有如下關系：,,（1-1）,（1-2）,（1-3）,二、壓力 壓力的宏觀定義及其微觀解釋（略）。 壓力計量一般有三種標準： 絕對壓力（p） ：以絕對真空為起點

10、的壓力值。 表壓力（pe）：指絕對壓力大于大氣壓力時二者的差值。 真空度（pv）：指大氣壓力大于絕對壓力時二者的差值。,（a）,（b）,（1-4）,（1-5）,三、比體積及密度 比體積（又稱比容，v）：單位質量物質的體積。 密度（ρ）：單位體積物質的質量。 即： 顯然二者互為倒數(shù)。 注意：區(qū)分強度量和廣延量。,一、平衡狀態(tài) 不受外界影響時，參數(shù)始終保持不變的

11、系統(tǒng)狀態(tài)。 穩(wěn)定狀態(tài)：強調時間上穩(wěn)定不變。 平衡狀態(tài)：屬于穩(wěn)定狀態(tài)，但要求“內外平衡”。 均勻狀態(tài)：強調空間各點的參數(shù)值相同。注意： （1）本課一般把處于平衡狀態(tài)的單相物系當作是均勻的， 即此時系統(tǒng)同時處于平衡狀態(tài)和均勻狀態(tài)。 （2）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)是本課主要研究的熱力系統(tǒng)，對于

12、 這類系統(tǒng)而言，兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)可確定一個狀態(tài)， 其他狀態(tài)參數(shù)都只是這兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。 （3）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)的兩個狀態(tài)之間，如果有兩個獨立 的狀態(tài)參數(shù)對應相等，則可斷定這兩個狀態(tài)相同。,§1- 4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖,二、狀態(tài)方程式    指簡單可壓縮熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，各部分具有相同的

13、參數(shù)，并服從一定關系的關系式。即或,,（1-6）,（1-7）,三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖 指由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標圖。 熱力系每一平衡狀態(tài)總可在由任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標圖上的一點來表示。 常用的有壓容圖和溫熵圖等。如下圖1-8：,一、準平衡過程（準靜態(tài)過程） 要點：1、弛豫時間（系統(tǒng)從平衡破壞到恢復的 時間）相對很短； 2、

14、平衡的破壞程度要相對很??； 3、外界對系統(tǒng)的熱和力的刺激趨近于零 （ △p →0；△T →0）。,§1-5 工質的狀態(tài)變化過程,二、可逆過程與不可逆過程 可逆過程：系統(tǒng)可能沿相同路徑回復原狀，相互作用 所涉及到的外界也回復原狀，不留下任何 改變。 不可逆過程：不滿足以上要點的任何一項過程。三、

15、有關準平衡過程和可逆過程的爭論 都是實際過程的理想化，二者是否異同存在不同看法： 1、可逆過程是條件要求更為苛刻的理想化過程，是沒有能量耗散的準平衡過程，是一切實際過程的理想極限。準平衡過程只是可逆過程成立的前提條件?？赡孢^程一定是準平衡過程，反之未必成立。,,2、可逆過程和準平衡過程是相同的，表述方式不同，本質一樣！有能量耗散時，準平衡過程也不可能成立。當熱力過程滿足準平衡過程的條件時，它必然沒有能量耗散，此時可

16、逆過程的成立條件也已經(jīng)滿足。3、可逆過程可以在熱力學狀態(tài)參數(shù)坐標圖用一條實線表示，這是基本公認的。但準平衡過程是否也可以在熱力學狀態(tài)參數(shù)坐標圖用一條實線表示，這是有所爭議的。,一、功的熱力學定義 功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。   約定：系統(tǒng)對外界作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負。二、可逆過程的功 功的數(shù)值不僅決定于工質的初態(tài)和終態(tài)，而且還和過程的中間的途

17、徑有關，是過程量。對于可逆過程有： 可逆過程可用功：,?,§1-6 過程功和熱量,（1-8）,（1-9）,功w 如何在p-v 圖上表示?,三、過程熱量    系統(tǒng)和外界之間僅由于溫度不同而傳遞的能量。體系吸熱，熱量為正；反之，為負。    系統(tǒng)在可逆過程中與外界的換熱量可用下式計算：,（1-11）,（1-10）,注意：區(qū)分狀態(tài)參數(shù)和過程量。,一、循環(huán)概說&

18、#160;         經(jīng)濟性指標 = 得到的收獲 / 花費的代價。在參數(shù)坐標圖上表現(xiàn)為一閉合的曲線。二、正向循環(huán)          即熱動力循環(huán)，總的效果表現(xiàn)為熱能轉化為機械能，向外界提供動力。在參數(shù)坐標圖上循環(huán)沿曲線順時針方向進行

19、的。評價指標是循環(huán)的熱效率，即：,§1-7 熱力循環(huán),（1-12）,三、逆向循環(huán)    主要應用于制冷循環(huán)裝置和熱泵，分別稱為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，相應的評價指標分別為制冷系數(shù)和熱泵系數(shù)（也稱供熱系數(shù)）。 總的效果表現(xiàn)為：耗費機械能（轉化為熱能），使熱能由低溫熱源傳向高溫熱源。在參數(shù)坐標圖上循環(huán)沿曲線逆時針方向進行的。 制冷系數(shù)： 熱泵

20、系數(shù)：,（1-14）,（1-13）,2-1 第一定律的實質 熱力學能和總能2-2 能量的傳遞和轉化2-4 焓2-5 熱力學第一定律的基本能量方程式2-6 開口系統(tǒng)能量方程式2-7 能量方程式的應用,2、熱力學第一定律,課件目錄,,實質：能量守衡定律在熱力學的表述。 熱工當量的發(fā)現(xiàn)具有重要歷史意義，但由于其值現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)?，所以它很少用到了。,§2-1 第一定律的實質 熱力

21、學能和總能,一、熱力學能 熱力學能包括：內動能、內位能，甚或包括化學能、核能和電磁能等。 本課所講的熱力學能主要包括內動能和內位能，用U (u)表示，單位是焦耳J (J/kg)。 熱力學能是個狀態(tài)參數(shù)，即：,（2-1）,二、總能 系統(tǒng)內部儲存能和外部儲存能的總和，即 熱力學能與宏觀運動能及位能的總和，稱作總儲存能，簡稱總能?？偰?E (e)、動能Ek (

22、ek)、位能 Ep (ep) 。它們間的關系為：,,（2-2）,（2-2a）,一、作功和傳熱 能量從一個物體傳遞到另一個物體的兩種方式。做功總和物體的宏觀位移有關。傳熱就不需要有物體的宏觀移動。二、推動功和流動功 因工質在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功，叫推動功（pv）。推動功只有在工質流動時才起作用。,§2-2 能量的傳遞和轉化,流動功：系統(tǒng)為維持工質流動所需要的功 ，可定義為進出口的推

23、動功之差。如圖：技術功 ：開口系統(tǒng)技術上可資利用的機械能之和，是膨脹功與流動功之差。,推動功,（2-3）,（2-4）,對于可逆過程有：,可逆過程的技術功,（2-4a）,根據(jù)上式可在p-v圖上表示可逆過程的技術功，如右圖中的曲邊梯形面積 f-1-2-g-f 所示。,§2-4 焓,焓: 比焓 ： 焓是一個狀態(tài)參數(shù)，它可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即,（2-5）,（2-6）,（2-7）,&#

24、167;2-5 熱力學的基本能量方程式,1.進入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)中儲存能量 的增加：     或            　2.第一定律的第一解析式的微元形式是:　     

25、;對于1kg工質,則有: ，　3.式中熱量 ，熱力學能變量 和功 都是代數(shù)值， 可正可負。,（2-8）,若流動過程中開口系統(tǒng)內部及其邊界上各點參數(shù)都不隨時間而變，稱之為穩(wěn)定流動過程。根據(jù)能量守恒可導得穩(wěn)定流動的能量方程為： 此即第一定律的第二解析式。其中技術功：,§2-6 開口系統(tǒng)能量方程式,開口系統(tǒng)能量平衡,（2-9）,§2-7 能量方程式的

26、應用,一、動力機,動力機能量平衡,熱力學第一定律的能量方程式在工程上應用很廣，而工程中的熱力設備工作時多為開口系統(tǒng)，因此這里主要介紹第二解析式的應用。,,h1,壓氣機能量平衡,二、壓氣機,三、換熱器,四、管道,五、節(jié)流,節(jié)流現(xiàn)象,已知新蒸汽流入汽輪機時的焓h1=3232 kJ/kg，流速 cf1=50 m/s；乏汽流出汽輪機時的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120 m/s。散熱損失和位能差可略去不計。試求： （1）每千

27、克蒸汽流經(jīng)汽輪機時對外界所作的功。 （2）若蒸汽流量是10t/h，求汽輪機的功率。,舉例應用,解: 由式（2-16） 　根據(jù)題意，q = 0 , z2－z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功為　　 其中汽輪機進出口的動能變化只有-5.95 kJ/kg?？梢姡杭词构べ|流速在百米每秒的數(shù)量級，動能的影響仍不大?！　」べ|每小時作功　　 Wi = qmwi = 9

28、.24 ×106 kJ/h故汽輪機功率為,3 熱力學第二定律,序言3-1 熱力學第二定律3-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率3-3 卡諾定理3-4 熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù)3-5 熵增原理3-6 熵流和熵產(chǎn)3-7 和 效率,課件目錄,,,本章將討論熱力學第二定律的實質及表述，建立第二定律各種形式的數(shù)學表達式，給出過程能否實現(xiàn)的數(shù)學判據(jù)，重點剖析作為過程不可逆程度的度量－－

29、孤立系的熵增、不可逆過程的熵產(chǎn)、 損失、熵增的內在聯(lián)系。,兩者關系：相互獨立、都是各種現(xiàn)象歸納后的結論 、 共同構成了熱力學的理論基礎。,序言,§3-1 熱力學第二定律,一、自然過程的方向性 功熱轉化    功轉熱是不可逆過程,其反向過程則不能單獨地、自動地進行,熱不可能全部無條件地轉化為功。,圖5-1 摩擦耗散,如果要把熱量從低溫的A傳給高溫

30、的B需要付出代價(W)，且不能實現(xiàn)期間的熱量等值反傳。,有限溫差下的傳熱（B→A）是不可逆過程，其中的熱量傳遞是等值的（QB＝QA）。,有限溫差傳熱,圖5-2 不等溫傳熱, 自由膨脹   在膨脹過程中未遇阻力、不對外作功的過程就是自由膨脹，也叫無阻膨脹，它是一種典型的不可逆過程。氣體不會自動壓縮、返回到原來狀態(tài)。 混合過程  所有混合過程都是不

31、可逆過程，使混合物中各組分分離要花代價：耗功或耗熱。     自然界的自發(fā)過程都是有方向的，熱力系進行一個自發(fā)過程后，雖然可以通過反向人為的非自發(fā)過程使系統(tǒng)復原，但后者會給外界留下影響（無法使外界回復原狀），因而不可逆是自發(fā)過程的重要特性和屬性。,熱力學第二定律有多種表述形式，這里只介紹其中的兩種說法： 克勞修斯說法：     

32、  熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。（從熱量傳遞的方向性的角度） 開爾文說法:       不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的循環(huán)工作的熱力發(fā)動機。（從熱能轉化為機械能的角度）,二、熱力學第二定律的表述,一、卡諾循環(huán),圖5-3 卡諾循環(huán),§3-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率,分析此公式，可得出如下幾點重

33、要結論： ηc只決定于T1、T2。 T1↑、T2↓， ηc↑。 ηc只能小于1,因T1= ∞或T2=0 都不能實現(xiàn)。 當 T1=T2 時,ηc=0。它表明:“凡有溫差處皆有動力”。,卡諾循環(huán)的熱效率：,（3-1）,即雙熱源間的極限回熱循環(huán)，其熱效率與卡諾循環(huán)相同。多變指數(shù)n可以為任何自然數(shù)，因而在T1和T2之間工作的可逆循環(huán)有無數(shù)個。這種利用工質排出部分熱量來加熱工質本身的,方法稱為回熱?；責崾翘岣邿嵝实囊环N行之有效的方法，被

34、廣泛采用。,圖5-4 概括性卡諾循環(huán),二、概括性卡諾循環(huán),三、逆向卡諾循環(huán) 逆向卡諾循環(huán)按工作溫度范圍也可分為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，其中各過程中功和熱量的計算式與正向卡諾循環(huán)相同，只是傳遞方向相反。它們各自的經(jīng)濟性能評價指標為： 制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為        熱泵循環(huán)的供暖系數(shù)為,這兩種循環(huán)的工作溫度范圍有所不同。,（3-2）,（3-3

35、）,四、多熱源可逆循環(huán),熱源多于兩個的可逆循環(huán)如右圖所示。此循環(huán)的平均吸熱溫度 和平均放熱溫度 分別定義為：,圖5-5 多熱源可逆循環(huán),為什么？,此循環(huán)的熱效率可用 和 表示，其值小于工作在同溫限間的卡諾循環(huán)的熱效率，即：,結論：工作于兩個熱源間的一切可逆循環(huán)（包括卡諾 循環(huán)）的熱效率高于相同溫限間多熱源的可逆循環(huán)。,（3-4）,定理一：      

36、  在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關，與采用哪種工質也無關。定理二：        在溫度同為T1的熱源和同為T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)。,§3-3 卡諾定理,卡諾定理有著廣泛和重要的意義，任何一種將熱能轉化為機械能、電

37、能、或其他能量的轉化裝置（包括熱力循環(huán)機、溫差電池等）都受到熱力學第二定律的制約，都必須有熱源和冷源，其熱效率均不可能超過相應的卡諾循環(huán)。,設工質在TH=1 000 K的恒溫熱源和TL＝300 K的恒溫冷源間按熱力循環(huán)工作( 見下圖 )，已知吸熱量為100 kJ ，求熱效率和循環(huán)凈功。,（1）理想情況，無任何 不可逆損失；（2）吸熱時有200 K溫差，放熱時有100 K溫差。,例 5-1,圖5-6 例5-1附圖,（1）在兩個熱源間

38、工作的可逆循環(huán)的熱效率同卡諾循環(huán)：,又因,所以Wnet = 70 kJ，也是最大循環(huán)凈功Wnet,max 。,解：,（2）設想熱（冷）源和工質間插入中間熱源，而將不可逆循環(huán)問題轉化為溫度分別為800 K和400 K的兩個中間熱源間的可逆循環(huán)，則熱效率和凈功分別為：,綜合以上兩節(jié)，可得出以下有關熱效率的重要結論： 在兩個熱源間工作的一切可逆循環(huán)，它們的 相 同，與工質的性質無關，只決定于熱源和冷源的

39、 溫度，且都等于卡諾循環(huán)的熱效率 ； 溫度界限相同，但具有多于兩個熱源的可逆循環(huán) 的 低于卡諾循環(huán)的 ； 不可逆循環(huán)的 比同樣條件下可逆循環(huán)的小。,熱效率方面的重要結論,什么是“永動機”？,“永動機”即永遠能“動”的機器，分為如下三類，前兩種屬于“天上掉餡餅”，第三類與絕對零度或摩擦有關。 違背熱力學第一定律(熱效率大于100％)。20世紀90年代山東棗莊有人聲稱

40、“發(fā)明”了一個“耗電12kW，可發(fā)電36kW”的發(fā)電機，但再無音訊。美國專利局已有數(shù)以千計的類似專利申請，也尚無成功報道。 違背熱力學第二定律(熱效率等于100％)。如果此類機器能夠制造成功，由于太陽能、地熱能和海洋熱能等都是“無限”多的，那能源危機也就不存在了。 能吸盡一個物體熱量，而將其冷卻到絕對零度。另外一種說法：無摩擦，利用物體慣性使物體永動。隨著科技進步，絕對零度正越來越趨近，但尚未有已經(jīng)達到的事實見諸于

41、世。,永動機發(fā)明成功了？（南方都市報2004/11/23－ A45版）,一位自稱是梁星人博士的人宣布：永動機在中國成功了。只要在啟動時用外力推一下，汽車就會利用地球引力的加速度，不停向前，根本不用任何燃油或電能。自創(chuàng)“反重力原理及其實用技術” — 將永恒使地球永動的加速引力，通過電腦，扭曲其引力線束，用在任意粒子上，使之自動作圓周式循環(huán)加速永動，此即永動機的永動原理。1985年以來我國已經(jīng)有23件“永動機”專利申請，但無一

42、獲得授權。,從永動機角度對熱力學三定律的詮釋,1912年9月，能斯特在《熱力學新發(fā)展》一文中，利用永動機的概念對熱力學三定律進行了新的詮釋：制造一臺可由“無”產(chǎn)生持續(xù)熱量或外功的機器，是不可能的；設計一臺能將周圍的熱量轉變成外功的機器，是不可能的；設想出一臺能完全吸盡一個物體的熱量的機器，也就是能將其冷卻到絕對零度，是不可能的。,一、狀態(tài)參數(shù)熵的導出 熵是與熱力學第二定律緊密相關的狀態(tài)參數(shù)。它在

43、 判別過程的方向、可逆程度和能否實現(xiàn)等方面有重要的作用，也是熱力學第二定律量化的參數(shù)之一。 克勞修斯積分等式：　 定義：,圖5-7 熵參數(shù)導出用圖,§3-4 熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù),（3-5）,（3-6）,二、熱力學第二定律的數(shù)學表達式（1）克勞修斯積分不等式（2）熱力學第二定律的數(shù)學表達式,,r,T,（3-7）,（3-8）,（3-9）

44、,（3-10）,可逆絕熱過程（1－2S）即為定熵過程；不可逆絕熱過程（1－2）中，能量耗散的存在（如耗散熱）會導致熵增量的產(chǎn)生，這種熵增量叫做熵產(chǎn)（Sg）。即： 能量耗散是熵產(chǎn)的唯一原因。熵產(chǎn)不可能小于零，最低（可逆過程）為零。熵產(chǎn)是過程不可逆程度的量度，過程的不可逆損失會隨它的增加而增大。,三、不可逆絕熱過程分析（閉口系統(tǒng)）,圖5-8 絕熱膨脹過程,（3-11）,一、孤立系熵增原理 孤立系和絕熱

45、封閉系統(tǒng)的熵變 孤立系和絕熱封閉系統(tǒng)內部發(fā)生不可逆變化時，其熵只能增大；極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變， 使其熵減小的過程不可能出現(xiàn)。 孤立系熵增與作功能力損失的關系為： 下面為一孤立系熵增原理舉例。,§3-5 熵增原理,（3-12）,（3-13）,孤立系中有物體A和B，溫度各為TA和TB，這時孤立系的熵增 若為有限溫差傳熱，TA

46、>TB，則有 若為無限小溫差傳熱，TA＝TB，有,A,B,,Q,單純的傳熱過程,二、熵增原理的實質  實際過程都不可逆，所以實際的熱力過程總是朝著使 系統(tǒng)總熵增大的方向 進行。熵增原理闡明 了過程進行的方向。孤立系統(tǒng)內部存在不平衡勢差是過程自動進行的推動 力，也是總熵增大的原因。當自動過程停止進行時， 孤立系統(tǒng)的總熵達到最大值，系統(tǒng)

47、達到相應的平衡狀 態(tài)，這時 ，即為平衡判據(jù)。因而，熵增原 理指出了熱過程進行的限度。,熵增原理還指出： 導致孤立系統(tǒng)熵減的過程不可能單獨進行，除非 有補償過程（使孤立系統(tǒng)熵增的過程）伴隨發(fā)生，以 使孤立系統(tǒng)總熵增大至少保持不變。從而熵增原理揭 示了熱過程進行的條件。       熵增原理全面地、透徹地揭示了熱

48、過程進行的方 向、限度和條件，這些正是熱力學第二定律的實質。,閉口系（控制質量）熵方程        它表示：控制質量的熵變等于熵流和熵產(chǎn)之和。其中熵流和熵產(chǎn)分別為：,§3-6 熵流和熵產(chǎn),（3-14）,（3-15）,（3-16）,一、能量的可轉換性、 和  不同形式能量間的相互轉換是受熱力學第二定律制約

49、的。機械能和電能可以全部轉化為熱能，而熱能卻不能全部轉化為機械能或電能。機械能和電能等這類可無限可轉換的能量成為 ，習慣上 指“有用功”。而把能量中不可能轉化為有用功的部分稱為 （或“廢熱”）。各種系統(tǒng)和能量都有不同的對外界做有用功的能力，不同溫度下的熱量轉化成有用功的能力也不同。能量可轉化為有用功的能力稱為能量的品質，能量是其“質”和“量”（多少）的統(tǒng)一。,§3-7 和 效率,與環(huán)境處于熱力不平衡

50、的閉口系或一定量的流動工質，當它們只與環(huán)境發(fā)生作用（流動工質需要通過穩(wěn)流熱力系）、可逆地變化到與環(huán)境平衡時，可分別作出最大的有用功，分別稱之為閉口系工質的熱力學能 和穩(wěn)流工質的焓 。在環(huán)境條件下，能量中可轉化為有用功的最高分額稱為該能量的 ?；蛘邿崃ο抵慌c環(huán)境相互作用，從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境相平衡狀態(tài)時，作出的最大有用功稱為該熱力系的 。平衡法為熱系統(tǒng)經(jīng)濟分析提供了熱力學基礎。,熱力學中關于 有各種定義：, 熱量

51、         溫度為T0 的環(huán)境條件下,系統(tǒng)（T >T0 )所提供 的熱量中可轉化為有用功的最大值是熱量 ，用Ex,Q 表示。,二、熱量 和冷量,（3-17）,（3-18）, 冷量,溫度低于環(huán)境溫度T0 的系統(tǒng)（T <T0），吸入熱量Q0時作出的最大有用功稱為冷量 ，用Ex,Q0表示。,（3-19）,（3-20）

52、,三、孤立系中熵增與 損失，能量貶值原理    孤立系熵增等于熵產(chǎn) 表明：環(huán)境溫度T0一定時，孤立系統(tǒng) 損失與其熵增成正比。上式同樣適用與開口或閉口系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)中進行熱力過程時 只會減小不會增大，極限情況下（可逆過程） 保持不變，這就是能量貶值原理，即,（3-21）,（3-22）,由于實際過程總有某種不可逆因素，能量中的一部分 不可避免地將退化為 ，而

53、且一旦退化為 就再也無法轉變?yōu)?，即能量貶值。因而盡可能地減少 損失是合理用能和節(jié)能的方向。,四、 效率    熱力過程越接近可逆，該過程造成的 損越小，能量中可用部分的利用程度越高。 效率可定義為：過程進行中實現(xiàn)的 的有效轉換或轉移與該過程進行導致的 減少量的比值。 與熱效率相比， 效率更能從本質上準確地反映熱力過程的能量轉移或轉換的程度。,4 理想氣體,4

54、-1 理想氣體的概念和狀態(tài)描述4-2 理想氣體的比熱容4-3 理想氣體的熱力學能、焓和熵4-4 理想氣體的典型熱力過程4-5 理想氣體的多變過程,課件目錄,,§4-1 理想氣體的概念和狀態(tài)描述,理想氣體是一種假想氣體。在宏觀上，它遵守理想氣體的三個定律(?)；在微觀上，其分子是些彈性的、不具體積的質點，分子間相互沒有作用力。 理想氣體可看作是實際氣體在 時的極

55、限狀態(tài)，此時分子本身體積遠小于其活動空間，內位能可以忽略。 工程中常用的氧氣、氮氣、空氣、燃氣等工質，在通常使用的溫度、壓力下都可作為理想氣體處理。,一、理想氣體的概念,1、理想氣體狀態(tài)方程式(Claypeyron方程)的推導,二、理想氣體的狀態(tài)方程式,顯然，上式中的Rg只與氣體種類有關，而與氣體所處狀態(tài)無關，故稱之為某種氣體的氣體常數(shù)。,根據(jù)三大實驗定律可知，對單位質量的任一種理想氣體而言，均有：,（4-1）,注：式（4-1）

56、可反證之,摩爾（mol）是表示物質的量的基本單位。 摩爾質量(? ) ：1mol物質的質量，單位是g/mol或kg/kmol，數(shù)值上等于物質的相對分子質量?r（過去稱分子量）。物質的量n與物質的質量m有以下關系：          1mol氣體的體積以Vm 表示，顯然,2、摩爾質量和摩爾體積,（4-2）,（4-3）,阿伏加德羅定

57、律指出：同溫同壓下，各種理想氣體的摩爾體積都相同。 根據(jù)克拉貝龍方程可知： ，即 與氣體狀態(tài)無關；由阿伏加德羅定律可知： 也與氣體種類無關。令 ，則R是與理想氣體的狀態(tài)和種類都無關的普適恒量，稱為摩爾氣體常數(shù)（或通用氣體常數(shù)）。因而有：,3、氣體常數(shù),（4-4）,理想氣體的狀態(tài)方程式的各種形式,針對不同物量，理想氣體狀態(tài)方程的形式也所不同，分別為： 1kg氣體

58、 1mol氣體 m千克的氣體 或 n摩爾的氣體,某臺壓縮機每小時輸出3200 m3、表壓力pe=0.22 MPa、溫度t=156 ℃的壓縮空氣。設當?shù)卮髿鈮毫b=765mmHg，求壓縮空氣的質量流量qm以及標準狀態(tài)下的體積流量qv0。,例 3-1,§3-2 理想氣體的比熱容,一、比熱容的定義 物體溫度升高1K所需的熱量稱為熱容（C ，

59、J/K）。 1kg物質溫度升高 1K 所需的熱量稱為質量熱容，又稱為比熱容『c ，J/(kg·K)）』，其定義式為：      或 1mol物質的熱容稱為摩爾熱容『Cm, J/（mol· K）』。 標態(tài)下1m3 物質的熱容為體積熱容『C ’, J/(mN3 · K)』。

60、 上述三種比熱容之間的關系為：,（4-9）,熱力設備中，工質往往是在接近壓力不變或體積不變的條件下吸熱或放熱的，因此定壓過程和定容過程的比熱容最常用，它們分別稱為比定壓熱容和比定容熱容，分別以 和 表示。,（4-10）,（4-11）,邁耶公式： 比值 稱為比熱容比，或質量熱容比，它在熱力學理論研究和熱工計算方面是一重要

61、參數(shù)，以 表示。,二、定壓熱容與定容熱容的關系,（4-12）,（4-13）,（4-14）,,單原子氣體 i＝3 ，γ＝1.67雙原子氣體 i＝5 ， γ＝1.40多原子氣體 i＝7 ， γ＝1.29（ i為分子的自由度，多原子氣體 “i=7 ”？） 考慮到振動動能，實際值比理論值高且隨著T ↑和分子的原子數(shù)↑ ，偏差↑。,三、理想氣體的定值比熱,§3-3

62、 理想氣體的熱力學能、焓和熵,一、熱力學能和焓   二、狀態(tài)參數(shù)熵 （見1－6節(jié)） 三、理想氣體的熵變計算,（4-15）,（4-16）,（4-17）,（4-18）,（4-19）,目的：揭示過程中工質狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量轉化情況，進而找出影響轉化的主要因素。,§4-4 理想氣體的典型熱力過程,即比體積保持不變的過程，過程方程式為:  

63、0;                              V = Constant 顯然，此過程中壓力與熱力學溫度成正比。 由于體積不

64、變，所以定容過程的容積功為零，即：,一、定容過程,（4 - 20）,（4 - 21）,圖4-1 定容過程的 p-v 圖及 T-s 圖,二、定壓過程,定壓過程是工質壓力保持不變的熱力學過程。其過程方程式為：  顯然，此過程中氣體的比體積與絕熱溫度成正比。 定壓過程的技術功為零，即 定壓過程的p－v圖及T－s圖（略）,（4-22）,（4-23）,三、定溫過程,定溫過程是工質溫度保持不變的

65、熱力學過程（T=定值）。過程方程式為:     定溫過程過程功、過程熱量、技術功相同，均為： 定溫過程也是定熱力學能過程、定焓過程： 定溫過程的 p－v 圖及 T－s 圖（略）。,（4-24）,（4-25）,四、絕熱過

66、程,絕熱過程是任一微元過程中系統(tǒng)與外界都無熱交換的過程，即 可逆絕熱過程又稱為定熵過程，其過程方程式為：            其中k為定熵指數(shù)，對于理想氣體： （？)。 定熵過程的p－v圖及T－s圖（略）。,（4-26）,(一) 多變過程及過程方程式   &

67、#160;  多變過程是工質的 p和 v 成指數(shù)關系的過程,用數(shù)學式描述即：            多變過程更為一般化，但并非任意的過程，它仍然依據(jù)一定的規(guī)律變化。 整個過程服從上面的過程方程，其中 n 為定值，稱為多變指數(shù)。,§ 4-5 理想氣體的多變過程,（4-27）,理

68、想氣體的多變過程中，初、終態(tài)參數(shù)間關系可根據(jù)過程方程及狀態(tài)方程得出：,（二） 初、終態(tài)參數(shù)的關系,（4-28）,（4-29）,（4-30）,多變過程的技術功是過程功的n 倍過程熱量：可見多變過程的比熱容為：,（三） 過程功、技術功及過程熱量,（4-31）,（4-32）,（4-33）,（四） 多變過程的特性及在 p-v 圖，T-s 圖上 的表示:,圖4-2 多變過程的p-v圖及T-s圖,定容、定壓、

69、定溫、定熵四個基本熱力過程可看作多變過程的特例。根據(jù)多變過程的過程方程不難得知： 當 n = 0 時，即定壓過程；     當 n = 1 時，即定溫過程；     當 n = k 時，即定熵過程；     當 n =±∞  時，即定容過程；

70、 許多公式可以通過改變n值，就能得到各種特殊過程的相應形式。,（五） 過程綜合分析,四種基本熱力過程如圖所示?？梢姡琻 值按順時針方向逐漸增大，由 －∞→0 →1 → K→ ＋ ∞ 。,1、過程線的分布規(guī)律,圖4-3 各種過程的p-v圖和T-s圖,,,,,,,,,,,,,,,,,n=k,n=k,n=1,n=1,n=0,n=0,定溫,定容,定壓,絕熱,定壓,定容,絕熱,n=k,n=1,1,1,,,過程功的正負以定容線為界，右側或右

71、下區(qū)域過程功大于零；反之過程功小于零。 過程熱量的正負以定熵線為分界，右側或右上區(qū)域為加熱過程；反之為放熱過程。 理想氣體熱力學能（或焓）的增減以定溫線為分界，上側或右上區(qū)域，熱力學能（或焓）是增大的；反之熱力學能（或焓）減小。,3、理想氣體可逆過程計算公式列表（略）,2、坐標圖上過程特性的判定,5 水蒸氣,序言5-1 純物質的熱力學面及相圖5-2 水的定壓加熱汽化過程5-3 水和水

72、蒸氣的狀態(tài)參數(shù)5-4 水蒸氣的基本過程5-5 濕空氣性質簡介,,水蒸氣一直熱力系統(tǒng)中應用最廣泛的主要工質。在熱力系統(tǒng)中用作工質的水蒸氣距液態(tài)不遠，工作過程中常有集態(tài)的變化，故不宜作理想氣體處理。   本章主要介紹水蒸氣產(chǎn)生的一般原理、水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)的確定、水蒸氣圖表的結構和應用以及水蒸氣熱力過程中功和熱量的計算。,序言,大家知道一般物質的三態(tài)和水的三態(tài)。熱力學面即是以p, v, T表示的物質各種狀態(tài)

73、及其轉變的曲面（見下圖）。,§ 5-1 純物質的熱力學面及相圖,水的熱力學面【z=f(x,y) 是面函數(shù)】,,飽和線、三相線和臨界點,四個線：三個飽和線、一個三相線；一個點：臨界點,純物質的p-T相圖,汽相和液相,因固相不流動，我們更關心汽液兩相！,冰蓄冷,Gibbs相律(P204),處于飽和狀態(tài)(?)的蒸汽和液態(tài)水分別稱為飽和蒸汽和飽和水。此時，汽、液的溫度和壓力均相同，分別稱為飽和溫度Ts( )和飽和壓力( )。

74、,三相點是其相圖上三條相平衡曲線的交點。根據(jù)吉布斯相律可知，三相點的獨立強度量數(shù)為零。此時水三相點的壓力和溫度是確定的（比體積呢？），分別是:,水的汽相和液相,工程上所用的水蒸氣通常是水定壓沸騰汽化而產(chǎn)生的。水在定壓加熱下的狀態(tài)變化為：（1）最初 ，處于過冷水(或未飽和水)狀態(tài)；（2）t升至ts ，尚無水汽化，達到飽和水狀態(tài)；（3） , 部分水汽化，進入濕飽和蒸汽狀態(tài)；（4） ,水全部汽化，達到(干)飽