《工程热力学》电子讲稿-all - 图文

第0章 绪论

一、相关知识

1.能源与能量的利用

能量 一切物质都具有能量。 能源：提供各种有效能量的物质资源。

暖气-热能；风-风能；太阳-太阳能；原子-原子能，汽、柴油-化学能。

趋于零。

2.能量转换过程和循环的分析研究及计算方法

（方法）

热能??机械能 提高热效率

大气中的热能能否利用？ 抽掉中间挡板是否做功？

能量的利用过程 实质是能量的传递和转换过程，参看课本图0-1。

大多数的能量以热能的形式被利用。 热能的直接应用——供热、采暖 热能的动力应用——转化为机械能或电能 2.热力学

热力学：一门研究物质的能量、能量传递和转换

以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。 工程热力学：研究热能与其他形式能量（主要为．．．

机械能）之间的转换规律及其工程应用，是．．．

热力学的工程分支。 3.常见的能量转换装置

(1) 蒸汽动力装置 锅炉 (2) 内燃机 汽油机 / 柴油机 (3) 燃气轮机 航空发动机、机车 (4) 蒸汽压缩制冷装置 冷库、空调

3.能量转换过程常用工质的热力性质 （工具） 水、氧气、空气、氨（制冷剂）

4.化学热力学（第十三章，自学） （补充） 燃料的燃烧

基础+方法+工具+（补充）

三、研究方法

热力学按研究方法分 1.宏观热力学（经典）

宏观热力学：以热力学第一第二定律为基础，简化模

型，推导公式得出结论，结果可靠。

不足：未考虑分析原子结构，无法说明热现象本质及其内在原因。 2.微观热力学（统计）

微观热力学：从物质分子运动角度，利用统计学和概

率论来找出规律，得出结论，可解释热现象本质。

四种装置都是热能与机械能的相互转换。

不足：分析复杂，结论不够精确。

本课：宏观热力学为主+少数微观热力学的方法

二、课程内容

1.基本概念及定律

（基础）

热力系统、状态参数、平衡态、热力学第一定律、第二定律等等。

U（热力学能）、H（焓）、S（熵Entropy）、Ex（Exergy）、An（Anergy）

热力学第0定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。

热力学第1定律：热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。 热力学第2定律：一切自发实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。

热力学第3定律：当趋于绝对零度时，各种物质的熵都

四、学习方法

本课程较为抽象，不易理解。

1.课前预习，难点标出； 2.上课认真听讲，做好笔记；

3.下课复习，结合实例来理解概念，独立完成作业。

五、教材

使用教材：工程热力学(4版)童钧耕.高教。

参考教材：①工程热力学(第3版)沈维道、蒋智敏、童钧耕.高教；

②工程热力学（第3版）华自强、张忠进. 高教； ③工程热力学(第3版)曾丹苓等.高教。

答疑 考勤：作业：实验= 4：4：2 平时：期末= 3：7 1/44

第一章 基本概念及定义

1-1 热能和机械能相互转换的过程

热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得

到动力的整套设备（包括辅助设备）。

分为蒸汽动力装置及燃气动力装置，主要介绍内燃机、燃气轮机、蒸汽机。

一、内燃机

水—锅炉加热?蒸汽—过热器?过热蒸汽—汽轮机?机械功发电—水?蒸汽（乏气）—冷凝器?水—给水泵加压?锅炉

瓦特 1784年改进蒸汽机，第一次工业革命。

应用：蒸汽机车、蒸汽船——? 蒸汽动力发电

（电厂、热电厂）

实质：（煤、油）燃料化学能?热能?机械能（?

燃料在内部燃烧，分汽油机/柴油机。汪克尔转子发动机 进气?压缩?作功?排气 （四冲程柴油机）

电能）

核电蒸汽动力装置只不过用核反应堆取代蒸汽锅炉，其余一致。

应用：汽车、柴油机车、船舶、备用发电机、割草机、弥雾机

实质：（油、气）燃料化学能?热能?机械能

四、制冷和热泵装置

简单介绍蒸汽压缩制冷装置：

二、燃气轮机

与内燃机同属燃气动力装置

（致冷剂）高压常温液体—节流阀降压?低温液体—冷库吸热?低压蒸汽—压气机?高压蒸汽—冷凝器?高

压缩空气+燃料—燃烧?高温燃气—燃气轮机?作机械功?废气

压液体

应用：冷库、空调

实质：消耗机械功（或其他能量）使热量从低温物体流向高温物体。

应用：航空器、船舶、机车、电厂发电 实质：（煤、油、核反应）燃料化学能/核能?热能?机械能

总结：

四种装置都是用某种媒介物质从某个能源获取热能，从而具备做功能力并对机器做功，最后又把余下的热能排向环境介质，即吸热—膨胀做功

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三、蒸汽动力装置

第一章 基本概念及定义

—排热，也即热能与机械能的相互转换。 工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 热源：工质从中吸取热能的物系。 冷源：接受工质排除热能的物系。

热源和冷源可以恒温也可以变温。

3. 绝热系统 能量交换 和外界间没有热量交换。 ．．

例如：密闭容器内放一蜡烛；不加热的爆米花机。

4. 孤立系统 能量交换

和外界既无能量交换又无物质交换。

孤立系统：宇宙？ 把研究对象和与之发生质能交换

1-2 热力系统

一、热力系统

1.(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，简称系统或体系。

2.外界：与系统发生质能交换的物体。 3.边界：系统和外界之间的分界面。

边界可实可虚，可定可动。

系统：教室内； 外界：教室外； 边界：墙、门、窗。 思考 可实可虚：教室开关门；可定可动：膨胀的气球

的物系放在一起就是孤立系。 判断 1.闭口系统内质量恒定，系统内质量恒定则一定是闭口系统。 3 qin=qout

2.开口系统中与外界有物质交换，物质与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系统。

3

三、系统的选取

取决于分析问题需要及分析方法的方便，同一物体在不同问题下会选为不同的系统。

内燃机 整个内燃机(开口系统) ；热功转化 (闭口系统)

二、系统的分类

根据系统和外界之间物质、能量的交换情况分： 1. 闭口系统（控制质量）

物质交换

四、简单可压缩系

工质为可压缩流体，且系统与外界可逆的功．．．．．

交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形．．．．．．．式，该系统称为简单可压缩系。

常见热力系由可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等）构成；不可压缩流体：水等液体。

和外界只有能量交换没有物质交换。

1-3 工质的热力学状态及

基本状态参数

一、热力学状态：

2. 开口系统（控制容积、控制体） 物质交换 和外界既有能量交换又有物质交换。

此变化是在某一固定空间范围内。

1. 定义：

工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观物理状况，称为热力学状态，简称状态。 2. 状态参数：

描述工质所处热力学状态的宏观物理量。 状态参数反映了工质大量分子运动的宏观平均效果。

基本状态参数p、V、T可用仪器直接测量得到。 常用状态参数：p、V、T、U、H、S

3/44 第一章 基本概念及定义

状态参数是热力系统的状态的单值函数，其值取决于给定状态，与到达此状态的途径无关，所以状态参数的全微分积分为0，即?dx?0。

p、T与系统质量无关，为强度量。

V、U、H、S与系统质量成正比，为广延量，具有可加性。广延参数用大写字母，其比参数用小写字母。

工程大气压 1 at = 98066.5 Pa； 10米水柱的压力 毫米汞柱 1 mmHg =133.3224 Pa； 毫米水柱 1 mmH2O=9.80665 Pa。

当绝对压力很大时，可视大气压力为常数。 3. 比体积及密度 v = V/m =1/ρ

v、ρ不互相独立。

m3/kg

例 P32 1-1

1-1华氏温标规定，在标准大气压（101325Pa）

二、基本状态参数

1. 温度 T

K

物体冷热程度的标志。标志物质分子热运动的激烈程度。

定义基础——热力学第0定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。 经验温标：由选定的任意一种测量物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标。

下纯水的冰点是32℉，汽点是212℉（℉为华氏温电温度单位的符号）。试推导华式温度与摄氏温度的换算关系。

解：（通常温度级的感应原件的某种物理量是温度的线性函数。） {t}℉ = a{t}℃ + b

代入（0，32）和（100，212） 解得a=1.8，b=32 {t}℉ =1.8{t}℃ + 32

热力学温标：

把水的三相点的温度，即水的固相、液相、气相平衡共存的温度作为单一基准点，规定为273.16K。

摄氏温度 t=T-273.15≈T-273 ℃

摄氏温度 t与热力学温度T只是零点取值与单位不同。

例 类似 P33 1-7 使用原理

测量锅炉烟道中真空度时常用斜管压力计。如图所示，若角为30°，液柱长度l＝200 mm，且压力计中所用液体为煤油，其密度为800 kg/m3，试求烟道中烟气的真空度为多少mmH2O(4℃)。

2. 压力 p Pa、MPa

（压强）单位面积上的垂直作用力。

表压力pe，真空度pv，环境压力pb。

解 ：真空度可以表示为pv??g?h，即有

p= pb + pe = pb - pv

压力用压力计（真空计）来测量，真实压力（绝对压力）与环境介质压力（pb）的差。

大气压力会随纬度、高度、气候、天气变化而变，即使绝对压力不变，表压力或真空度也会变。 常用单位： 巴

1 bar =100000 Pa；

得：

pv??油g?h油??水g?h水

?h水??油? 800?h油?油l?sin??200?sin30??水?水1000 =80 mm H2O (4℃)

例 某烟囱高30 m，其中烟气的平均密度为

0.735 kg/m3。若地面大气压力为0.1MPa，温度为20℃，现假设空气密度在烟囱高度范围内为常数，试求烟囱底部的真空度。

解：设地面大气压力为pb，烟囱底部的烟气压力为p，则在烟囱顶部处有 4/44

标准大气压 1 atm =101325 Pa；

第一章 基本概念及定义

p??烟gh?pb??空gh

烟囱内底部真空度

思考 当热力学系统内的温度和压力等状态参数均匀一致时，称为系统处于均匀状态，试分析均匀状态和平衡状态是否相同？

? 气液并存的平衡

水和水蒸气组成的系统，不受外界的影响，系统的宏观性质不随时间变化，处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。所以系统平衡不一定均匀。

?p?pv?pb?p???空??烟?gh??b??烟?gh?RT? ?g??100000????0.735?9.81?30?133.5Pa?287.1?293? 否

作业：

1-2，1-9课后自做，下节讲解

1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图

一、平衡状态

1. 平衡状态

一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。

热力平衡 热的平衡：没有热量的传递；力的平衡：各部分之间没有相对位移；化学平衡。

★平衡必稳定，稳定未必平衡；平衡不一定均匀，均匀一定平衡。

简单可压缩系只要有两个独立的状态参数即可确定一个状态。两个系统状态若相同，则其所有状态参数都一一对应。

二、状态方程式

1. 状态方程式

对于简单可压缩热力系统，当其处于热平衡状态时，各部分具有系统的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定关系式，这样的关系式叫做状态方程式。

F（p,v,T）=0 或T=T（p,v），p=p（v,T），v=v（p,T）

（热能?机械能，通过工质膨胀做功实现，工质应具有显著的涨缩能力，即其体积随着温度、压力有较大变化。）

2. 平衡状态的特点：

（1）在不受外界影响下，平衡不会自发的破坏； （2）处于不平衡的系统，在不受外界影响时，会自发的趋于平衡；

（3）单相工质处于平衡状态时，在忽略重力的影响下，其内部性质均匀一致。

★对于气液两相并存的热力平衡系统，气相和液相密度不同，所以整个系统不是均匀的。 ★均匀非平衡状态之必要条件。

思考 当热力学系统的状态不随时间而改变时，称为系统处于稳定状态，试分析稳定状态和平衡状态是否相同？ 否

稳定状态状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。

2. 理想气体状态方程式（克拉贝龙方程式） pV=nRT，pv=RgT，pV=mRgT。

单位：摩尔气体常数R J/(mol2K) 8.3145

气体常数 Rg J/(kg2K) Rg,空=287

气体常数R?nR?R，M为摩尔质量（kg/mol） gmM阿伏加德罗定律：同温同压下各种气体的摩尔体积相同。

三、状态参数坐标图

任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意一点都相应于系统某一确定的平衡状态。

稳定导热：热量通过金属杆传递，对于金属杆组成的系统，经过一定时间后金属杆任意一点的温度将是定值，可认为达到稳定状态，但金属杆不处于平衡状态。

p-v(压容)图；T-s(温熵)图；h-s(焓熵)图

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