《工程热力学》电子讲稿-all - 图文(2)

第一章 基本概念及定义

1?2?3 过程是不平衡的，只能用点表示。 准平衡过程认为：

1?2过程中活塞位移δx（微量）无限小，气体恢复平衡状态时间非常短，随时都不致显著离开平衡状态，我们可认为气体始终处于平衡状态，整个过程为准平衡过程。

压差作用下实现准平衡过程的前提条件：

★只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示，非平衡状态其系统各部分的物理量一般不相同，无法在坐标图上表示。

温差无限小 ?T?0，T?Text?0 准平衡过程一定是温差和压差无限小。 压差无限小 ?p?0，p?(pext?F)?0 A温差作用下实现准平衡过程的前提条件：

1-5 工质的状态变化过程

一、（热力）过程

定义：热力学系统从一个状态出发经过一系列中

间状态而变化到另一状态所经历的全部状态的综合。 平衡 ? 热平衡/力平衡

处于平衡状态的热力学系统发生状态变化都是平衡遭受破坏的结果。

一切热力过程经历的都是不平衡状态。

2. 准平衡过程在坐标图上的表示

由于为平衡状态，所以准平衡过程可在图上用实线表示，非准平衡过程在图上只能用虚线表示。

三、可逆过程

1. 可逆过程

完成某一过程后，有可能使工质沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原来状态而不留下任何改变，这一过程称为可逆过程。 2. 可逆过程与准静态过程的关系

可逆过程一定是准静态过程，反之不一定。 不存在任何耗散效应的准静态过程是可逆过程。

耗散效应：比如因摩擦产生功变热。

★ 不平衡状态的状态参数难以用简单的数值表示，不能用状态方程式表示其关系。

二、准平衡过程

为便于分析，引入一种理想的热力过程。

1. 定义：

过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓驰豫时间又很短，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，那么这样的过程就叫做准平衡过程，又称为准静态过程。

实际过程都是不可逆的。

1-6 过程功和热量

一、功的热力学定义

力学上功的定义：W?F??x 重力势能 没有边界

热力学定义：热力学系统通过边界传递的能量，

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且其全部效果可表现为举起重物。

第一章 基本概念及定义

功的正负：热力学中约定对外做功为正。 单位：焦耳 1J=1N2m 比功 w?W m二、可逆过程的功

p1=4MPa，V1=500310-6m3，V2=1000310-6m3 （1）W（2）W1?2??pdV?p(V2?V1)?2000J

121?2

功?W?F?dx?p?A?dx?p?dV 过程功 W1?2?pdV，比功w1?2?pdv

??12??pdV??1221Vp1V1dV?p1V1ln2?136JVV1

★说明：气体初终态相同，途径不同，功也不同。

2例1-3 利用体积为2m3的储气罐中的压缩空气给气球充气，开始时气球内完全没有气体，可忽略其体积，气球弹力忽

略不计，充气过程中气体温度不变，大气压力0.93105Pa。为使气球充到2m3，问罐内气体最初压力及气体所作的功为多少？（假设空气满足pV=mRgT）

1★功为过程量，路线不同时，所作的功也不一样。

（可逆过程中，p变化甚小，近似为不变）

注意下标，过程量用“1-2”表示。在p-v图上看，阴影面积就为容积变化功。

★W1?2??2解：气球V1=0 m3，V2=2 m3，T= T2；

结束后：罐内压力=结束后气球内压力=大气压力 （1）质量守恒：

1pdV只适用于可逆过程，当过程中

有耗散效应时（不可逆过程）则不适用。 通过工质体积的变化而与外界交换的功称为容积变化功，包括膨胀功、压缩功。 外界为大气环境时，膨胀功

pminV罐RgT?p2(V罐?V2)，得出RgT2pmin?2p2?1.8?105Pa

（2）储气罐向气球充气过程不可逆，所以不可用W1?2??pdV计算功。

12W1?2??(p?p0)dV??pdV?p0(V2?V1)

1122例设气缸中气体的压力为4MPa，容积由500cm3膨胀至1000 cm3。气体膨胀时：（1）压力保持不变；（2）压力和容积的函数关系式保持pV?p1V1。试求这两种过程中气体所作的功，

考虑气罐体积不变，气球膨胀排斥大气做功，将气球与气罐看作一个系统，系统对大气做功

W?p0[(V2?V罐)?V罐]?1.8?105Pa

真空做功：P31思考题 1-12

并利用p-v图上过程曲线下的面积进行比较。

解：

三、过程热量Q q(单位质量传递热量，非比热)

定义：热力学系统和外界间仅仅由于温度不同而

通过边界传递的能量。 过程量

分子运动快慢?分子碰撞?分子动能?热量 7/44

第一章 基本概念及定义

单位：焦耳 J kJ 非法定:卡路里cal

1cal=4.1868J（定义为1atm下，1kg水温度升高1℃（14.5℃-15.5℃）所需要的热量）

一、循环

定义：系统由初始状态出发，经过一系列中间状态后，重新回到初始状态所完成的一个封闭的热力过程称为热力循环，简称循环。

?w?p?dv （可认为是压差）?推导出热量的公式 ?Q?T?dS，?q?T?ds

Q1?2??TdS，q1?2??Tds

1221

★准静态过程的循环可在p-v，T-s图上表示。

图中面积为循环所做的功及与外界传递的热量。

图中面积表示为可逆过程单位质量的热量。不同路线，热量不同。

(★q为何不叫比热？初中化学，比热容c，1kg物质温度升高1K所需要的热量，J/(kg2K)) 熵S，单位J/K 比熵s，单位J/(kg2K) 熵的正负 吸热为正；放热为负。 ?吸热熵增，放热熵减。

经济性指标?得到的收获

花费的代价二、循环分类 (结合图理解)

1. 正向循环：（热动力循环）

顺时针，热能转变为机械能，使外界得到功。 ?t??netq1?循环净功

工质吸热量2. 逆向循环：（制冷/热泵循环）

逆时针，将热量从低温热源传给高温热源，消耗功，可得到热。

制冷系数??q2?工质吸热量

wnet循环净功只有准静态过程方可在T-s图上表示 s2 > s1，吸热；s2 < s1，放热。 ★热量与功的区别：

热量：紊乱的分子运动，传热过程没有能量转化。 功：有规则的微观/宏观运动，伴随能量形态的变化。

★功转变为热量是无条件的（全部效果表现为举起重物）；热量转变为功则是有条件的（由于有温差）。

★热量与热能的区别：

热量是过程量，只存在于过程中；热能是分子热运动所具有的能量，可存在于物体中。

热泵系数?'?q1?工质放热量

wnet循环净功

作业：1-13，1-21，1-23

1-7 热力循环

（内燃机必须连续不断的作功，为此，工质经过一系列变化后，排到大气中又被吸入，为便于分析，将燃烧过程看作一个热力过程。排气?冷却?吸气?作功?排气）

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第二章 热力学第一定律

2-1 热力学第一定律的实质

一、能量守恒与转换定律

自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。

热力学第一定律就是能量守恒及转换定律在热现象中的应用。

二、总能 E e (比总能)

总能量E包含内部储存能（即热力学能）和外部储存能（即系统宏观动能Ek及位能Ep）。

E＝U＋Ek＋Ep e=u+ek+ep

2-3能量的传递和转化

一、做功和传热

能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式：作功、热传递。

作功?宏观位移（气球）

热传递?不需要宏观位移，本质为分子运动。

二、热力学第一定律的表述

1. 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机

械能的时候，他们之间的比值是一定的。 2. 热可以变为功，功也可以变为热。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。 3. 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。 4. 第一类永动机是不可能制成的。

第一类永动机：企图不消耗能量而获取机械动力的所谓

的永动机。

小鸟自动喝水，木牛流马。

第二类永动机：单一热源吸热并将之全部转化为功的所谓的永动机。 第五章介绍

对于热动装置来说，热能变成机械能的过程由两个过程组成：

（1） 能量转化的热力学过程； （2） 单纯的机械过程。

二、推动功和流动功

功：1.与界面移动有关的功（膨胀功、压缩功）；

2.工质在开口系中流动而传递（推动功）。

推动功：在进出口界面上，为推动工质进、出系

统所传递的功。

2-2 热力学能和总能

一、热力学能 U (内能) u (比热力学能)

热力学能：系统内部各种形式能量的总和。

对于气体分子，热力学能的组成：

1. 2. 3. 4. 5. 6.

平移运动；

多原子分子的旋转运动和振动； 分子的内位能； 分子化学能； 原子能； 电磁能。

★对于开口系统，入口出口均有推动功，推动功之差Δ(pv)=p2v2 - p1v1,为流动功，是系统为维持工质流动所需要的功。

工质流入A缸，推动活塞移动Δl，做功，推动功就为mpv，1kg工质的推p?A??l?pV?mpv动功为pv。

热力学能是一个状态参数，所以有：

u?f(p,T)；u?f(v,T)；u?f(p,v)

开口系统与外界交换的功为膨胀功与推动功之差，w?(p2v2?p1v1)。

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且du?0。

?第二章 热力学第一定律

2-4 焓

一、焓

热工计算中经常用到U?pV，在这里定义状态焓为

则有Q?W??U?U2?U1，即 Q??U?W， q??u?w 微元过程 ?Q?dU??W，?q?du??w

±号规定：系统吸热为正，放热为负；系统对外

H?U?pV h?u?pv dh?du?d(pv)

界作功为正，外界对系统作功为负。

★意义：闭口系统在热力过程中从外界接受的热量，一部分用于增加系统的热力学能，另一部分用于对外界作功。

★Q??U?W公式可用于可逆或不可逆过程的闭口系，气液均可。

★用于不可逆过程时，初始状态及终了状态务必是平衡状态，以便确定热力学能。

单位 J，由于焓满足状态参数的定语，所以焓是一个状态参数，可以表示为其余任意两个独立状态参数的函数，如：

h?f(p,T)，h?f(v,T)

同样的有dh?0

某一确定的平衡状态下焓是定值，与到达此状态的路径无关（状态参数的特征）。

?三、闭口可逆过程能量方程式

因为可逆过程?w?pdv

所以有 Q??U?pdV，q??u?pdv

??12二、焓的意义

焓是流动工质移动时随工质一起转移的能量，1kg工质通过一定界面进入热力系统时，将存储于它内部的热力学能u，以及从外部功源获得的推动功pv带入系统，其总能量为u?pv。 ★热力设备中，工质移动而转移的能量为焓h而不是热力学能u。 结合推动功理解。

焓不是工质储存的能量。

21微元过程 ?Q?dU?pdV，?q?du?pdv

四、热力循环中热力学第一定律表达式

经历一个热力循环时，工质状态不变，循环净热量=循环净功，即

??Q???W 或 Qnet?Wnet

单位：J、kJ 1W=1J/s=3.6kJ/h

例 一台10kW柴油机，耗油量2kg/小时，试求

2-5 热力学第一定律的 基本能量方程式

一、热一定律最基本公式

对于某一热力系统，热力学第一定律可写为：

进入系统的能量 — 离开系统的能量 = 系统中存储能量的增加。即 能量in — 能量out = 能量增 废气及冷却水每小时排出的热量？

解：柴油发热量为44000kJ/kg，根据Q1-Q2=W得

Q2?W?Q1?44000kJ/kg?2kg?10kW?3600s?52000kJ

例 人体在静止情况下，每小时向环境散发的热量为418.68 kJ。某会场可容纳500人，会场的空间为4 000 m3。已知空气的密度1.2kg/m3，空气的比热容为1.0 kJ/(kg2K)。若会场空气温度允许的最大温升为15 ℃，试求会场所用空调设备停机时间最多可允许多少分钟？ 解： 500人每小时向环境散发的热量为

Q?500?418.68?2.093?105kJ/h

二、闭口系统能量方程式

对于闭口系统（见图），有Q?W??E，闭口系统一般不作整体平移，Ek=Ep=0,

会场空气所允许获得的最大热量为

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