工程熱力學(xué)教案1(05版)

教案課程名稱(chēng)：工程熱力學(xué)所在單位：動(dòng)力與能源工程學(xué)院課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)根底課授課學(xué)時(shí)：64學(xué)時(shí)〔8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)〕授課專(zhuān)業(yè)：熱能與動(dòng)力工程，核工程與核技術(shù)，輪機(jī)工程授課學(xué)期：第3〔或4〕學(xué)期教學(xué)基本進(jìn)度教學(xué)學(xué)時(shí)主要教學(xué)內(nèi)容說(shuō)明1～2緒論，熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程，熱力系統(tǒng)，工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其根本狀態(tài)參數(shù)授課3～4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖，工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程，過(guò)程功和熱量，熱力循環(huán)授課5～6熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，熱力學(xué)能和總能，能量的傳遞和轉(zhuǎn)化授課7～8焓，熱力學(xué)第一定律的根本能量方程式授課9～10開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，能量方程式的應(yīng)用授課11～12理想氣體的概念，理想氣體的比熱容授課13～14理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵，水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖；授課15～16水的汽化過(guò)程和臨界點(diǎn)；水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)；水蒸氣表和圖授課17～18理想氣體的可逆多變過(guò)程；定容過(guò)程；定壓過(guò)程；定溫過(guò)程授課19～20絕熱過(guò)程；理想氣體熱力過(guò)程綜合分析；水蒸氣的根本過(guò)程授課21～22熱力學(xué)第二定律；卡諾循環(huán)和多熱源可逆循環(huán)分析；卡諾定理授課23～24熵、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式；熵方程授課25～26孤立系統(tǒng)熵增原理授課27～28火用參數(shù)的根本概念、熱量用；習(xí)題課授課29～30穩(wěn)定流動(dòng)的根本方程式；促使流速改變的條件；授課31～32噴管的計(jì)算；授課33～34有摩阻的絕熱流動(dòng)；絕熱節(jié)流，習(xí)題課授課35～36單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功量；余隙容積的影響授課37～38多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻。葉輪式壓氣機(jī)的工作原理。授課39～40分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法；活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化；活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)(1)授課41～42活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)(2)；活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比擬授課43～44燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)；燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱實(shí)際循環(huán)授課45～46簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)-——朗肯循環(huán)授課47～48蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)；回?zé)嵫h(huán)，習(xí)題課授課49～50概述；壓縮空氣制冷循環(huán)；壓縮蒸汽制冷循環(huán)；熱泵循環(huán)授課51～52理想氣體混合物；理想氣體混合物的比熱容、熱力學(xué)能、焓和熵授課53～54濕空氣；濕空氣的狀態(tài)參數(shù)；濕球溫度和絕熱飽和溫度；濕空氣焓-濕圖；濕空氣過(guò)程及其應(yīng)用授課55～56總結(jié)，機(jī)動(dòng)授課57～58工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)59～60工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)61～62工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)63～64工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教材：沈維道，蔣志敏，童鈞耕合編.工程熱力學(xué)〔第四版〕北京：高等教育出版社，2001嚴(yán)家騄，余曉福著.水和水蒸汽熱力性質(zhì)圖表.北京：高等教育出版社，1995主要參考資料：曾丹苓，敖越，朱克雄等編.工程熱力學(xué)〔第二版〕北京：高等教育出版社，1986朱明善，林兆莊，劉穎等.工程熱力學(xué).北京：.清華大學(xué)出版社.1995嚴(yán)家騄編著.工程熱力學(xué)〔第二版〕.北京：高等教育出版社，1989朱明善，陳宏芳.熱力學(xué)分析.北京：高等教育出版社，1992趙冠春，錢(qián)立侖.分析及其應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1984緒論〔課時(shí)1〕為什么學(xué)習(xí)“工程熱力學(xué)〞熱力學(xué)與專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的聯(lián)系，說(shuō)明學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)對(duì)本學(xué)科的重要性。二、能量能量的形式：由能量的形式，人類(lèi)面臨的能源形式說(shuō)明工程熱力學(xué)對(duì)于動(dòng)力工程的重要性。三、工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容熱力學(xué)根本概念；熱力學(xué)第一定律；氣體和蒸汽的性質(zhì)和根本熱力過(guò)程；熱力學(xué)第二定律；實(shí)際氣體性質(zhì)簡(jiǎn)介；氣體和蒸汽的流動(dòng)；壓氣機(jī)的熱力過(guò)程；氣體動(dòng)力循環(huán)；蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)；制冷循環(huán)；理想氣體混合物及濕空氣；化學(xué)熱力學(xué)根底。四、熱力學(xué)的研究方法1.宏觀的研究方法〔宏觀熱力學(xué)；經(jīng)典熱力學(xué)〕2.微觀的研究方法〔微觀熱力學(xué)；統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)〕工程熱力學(xué)主要應(yīng)用宏觀的研究方法，但有時(shí)也引用氣體分子運(yùn)動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的根本觀點(diǎn)及研究成果。五、怎樣學(xué)好工程熱力學(xué)強(qiáng)調(diào)到課率和作業(yè)的重要性。要求作業(yè)及時(shí)完成，不等不拖，說(shuō)明考核方式。第1章根本概念及定義〔課時(shí)2〕一、根本要求掌握工程熱力學(xué)中的一些根本概念〔熱力系，平衡態(tài)，準(zhǔn)平衡過(guò)程，可逆過(guò)程〕；掌握狀態(tài)參數(shù)的特征，根本狀態(tài)參數(shù)的定義和單位；掌握熱量和功量過(guò)程量的特征，正確理解并運(yùn)用可逆過(guò)程的熱量、功量的計(jì)算。二、本章重點(diǎn)和難點(diǎn)必須正確理解一些重要的概念：平衡狀態(tài)，準(zhǔn)平衡過(guò)程，可逆過(guò)程；區(qū)分狀態(tài)量和過(guò)程量的特征。1.1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的過(guò)程熱能動(dòng)力裝置引出幾個(gè)定義：工質(zhì)——實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)〔workingsubstance〕；高溫?zé)嵩础べ|(zhì)從中吸取熱能的物質(zhì)；低溫?zé)嵩础邮芄べ|(zhì)排出熱源的物質(zhì)；能能源做功媒介物質(zhì)排入大氣或冷卻水能量轉(zhuǎn)移余能1.2熱力系統(tǒng)一、熱力系統(tǒng)熱力系的定義和圖例：熱力學(xué)中把分析的對(duì)象從周?chē)矬w中分割出來(lái)，研究它與周?chē)矬w之間的能量和物質(zhì)的傳遞，這種被人為分割出來(lái)作為熱力學(xué)分析對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)叫做熱力系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)邊界熱力系統(tǒng)邊界外界邊界熱力系統(tǒng)鍋爐汽輪機(jī)冷凝器泵過(guò)熱器Q1Q2W熱力系的分類(lèi)〔1〕結(jié)合思考題1：閉口系與外界物物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎〔開(kāi)口系中的質(zhì)量是否就一定是變化的〕？注意區(qū)分開(kāi)口系與閉口系的主要因素為：區(qū)分是閉口系統(tǒng)還是開(kāi)口系統(tǒng)的依據(jù)是有沒(méi)有質(zhì)量跨越系統(tǒng)的邊界，而不是系統(tǒng)中質(zhì)量的數(shù)量是否變化?！?〕“絕熱〞的概念：由于溫差而傳遞的能量〔3〕孤立系的取法與意圖，在此處說(shuō)明孤立系是一個(gè)理想化的概念。是為了研究問(wèn)題的方便，用一個(gè)假想的邊界，把進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一切有關(guān)物體都包括進(jìn)來(lái)構(gòu)成一個(gè)孤立系統(tǒng)?！矎?qiáng)調(diào)〕孤立系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間可以有各種相互作用，而孤立系統(tǒng)與外界之間那么無(wú)任何相互作用?！惨岳诘?章孤立系熵增的理解〕。3.熱力系的選取二、邊界〔Boundary/Controlsurface〕系統(tǒng)與外界的分界面說(shuō)明：a.邊界可以是實(shí)際的，也可以是假定的；b.邊界可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。三、外界〔Surrounding〕冷流體熱流體冷流體熱流體四、熱力系統(tǒng)模型實(shí)例以換熱器和高壓鍋中的熱力傳遞為例，說(shuō)明如何選好熱力系。1.3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其根本狀態(tài)參數(shù)12121.熱力學(xué)狀態(tài)熱力學(xué)狀態(tài)的定義2.狀態(tài)參數(shù)及其性質(zhì)eq\o\ac(○,1)狀態(tài)參數(shù)eq\o\ac(○,2)狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，它的值取決于給定的狀態(tài)，而與如何到達(dá)這一狀態(tài)的途徑無(wú)關(guān)。狀態(tài)參數(shù)的這一特性表現(xiàn)在數(shù)學(xué)上是點(diǎn)函數(shù)，其微分差是全微分，而全微分沿閉合路線(xiàn)的積分等于0。即eq\o\ac(○,3)狀態(tài)參數(shù)的分類(lèi)強(qiáng)度量——壓力和溫度這兩個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)質(zhì)量的多少無(wú)關(guān)，稱(chēng)為強(qiáng)度量；廣延量——體積V、熱力學(xué)能U、焓H、熵S等與系統(tǒng)質(zhì)量成正比，具有可加性，稱(chēng)作廣延量。物體A熱物體B冷物體A熱平衡物體B熱平衡物體A物體B物體C物體A熱物體B冷物體A熱平衡物體B熱平衡物體A物體B物體C物體A熱平衡物體B熱平衡物體C熱平衡二、溫度物理意義eq\o\ac(○,1)宏觀：溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志。在此處插入熱力學(xué)第零定律，使熱力學(xué)體系更加完善。eq\o\ac(○,2)微觀溫度是物質(zhì)微粒熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志。eq\o\ac(○,3)測(cè)量溫度是利用溫度計(jì)來(lái)測(cè)量的。結(jié)合思考題，說(shuō)明溫度計(jì)的測(cè)溫原理：〔思考題5〕eq\o\ac(○,4)溫標(biāo)溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法。不同溫標(biāo)之間的關(guān)系：可推出兩種溫標(biāo)之間的關(guān)系。幾種類(lèi)型的溫度計(jì)及其測(cè)量屬性溫度計(jì)測(cè)溫屬性氣體溫度計(jì)液體溫度計(jì)電阻溫度計(jì)熱電偶磁溫度計(jì)光學(xué)溫度計(jì)壓力或體積體積電阻熱電動(dòng)勢(shì)磁化率輻射強(qiáng)度例1－1：鉑金絲的電阻在冰點(diǎn)時(shí)為10.000Ω，在水的冰點(diǎn)時(shí)為14.247Ω，在硫的沸點(diǎn)〔446℃〕時(shí)為27.887Ω，試求出溫度t/℃和電阻R/Ω的關(guān)系式中的常數(shù)A、B、R0的數(shù)值。結(jié)合〔思考題6〕說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)，引出熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)。攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的關(guān)系三、壓力1.壓力的定義ppbpppbpeppbpv00pbpvpppv3.壓力單位：Pa1Pa＝1N/m21MPa＝106Pa1atm＝101325Pa,1at＝98066.5Pa，1mmHg＝133.3224Pa，1mmH2O＝9.80665Pa例1－2：測(cè)得容器內(nèi)氣體的表壓力為0.25MPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?55mmHg，求容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，并分別用MPa，bar，atm，at表示。四、比體積和密度比體積、密度注意：，因此它們不是相互獨(dú)立的參數(shù)，可以任意選用其中之一，工程熱力學(xué)中通常用作為獨(dú)立參數(shù)。1.4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖〔課時(shí)3、4〕一、平衡狀態(tài)通過(guò)狀態(tài)的分類(lèi)引出熱力學(xué)的三個(gè)研究層次，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)雖然是一門(mén)有上百年的歷史的學(xué)科，但其依然充滿(mǎn)活力，增加研究興趣1平衡狀態(tài)的定義說(shuō)明：1不受外界影響是指與外界既沒(méi)有能量交換，也沒(méi)有物質(zhì)交換，但重力場(chǎng)的影響除外；2始終保持不變，是指系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間變化；平衡包括3熱平衡，組成熱力系統(tǒng)的各局部之間沒(méi)有熱量的傳遞；4力平衡，各局部之間沒(méi)有相對(duì)位移，系統(tǒng)就處于力的平衡。5化學(xué)平衡，沒(méi)有化學(xué)反響6相平衡：沒(méi)有相的遷移。實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)的充要條件：THTTHTL銅棒氣相液相T,p,u’,h’,s’T,p,u,h,s2穩(wěn)定狀態(tài)。內(nèi)燃機(jī)、壓氣機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，工質(zhì)狀態(tài)的周期性規(guī)律不隨時(shí)間而變。說(shuō)明在對(duì)此類(lèi)熱力設(shè)備進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)視之為穩(wěn)定系統(tǒng)換熱器在設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)各點(diǎn)狀態(tài)也不隨時(shí)間而變。說(shuō)明：1.穩(wěn)定狀態(tài)的特征，各狀態(tài)點(diǎn)或各點(diǎn)狀態(tài)的周期性變化規(guī)律不隨時(shí)間而變；2.各點(diǎn)狀態(tài)可能不同，即系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)可能并不均勻。穩(wěn)定狀態(tài)與平衡狀態(tài)是不同的概念區(qū)別：穩(wěn)定狀態(tài)僅僅強(qiáng)調(diào)不隨時(shí)間而變，并不強(qiáng)調(diào)這種不隨時(shí)間而變的條件。平衡狀態(tài)既強(qiáng)調(diào)不隨時(shí)間而變，也強(qiáng)調(diào)不隨時(shí)間而變的條件，即在不受外界影響的條件下。3均勻狀態(tài)。〔平衡是相對(duì)于時(shí)間而言的，均勻是相對(duì)于空間而言的?！骋岳诱f(shuō)明如何區(qū)分平衡與穩(wěn)定，平衡與均勻兩種概念。例1.3銅棒的一端與高溫?zé)嵩唇佑|，另一端與低溫?zé)嵩唇佑|，其外表與外界絕緣，如圖。經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間后，銅棒內(nèi)各截面的溫度不再隨時(shí)間變化，試問(wèn)銅棒是否處于平衡狀態(tài)？說(shuō)明：由此例可見(jiàn)要注意區(qū)分穩(wěn)定與平衡兩種不同的概念。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)狀態(tài)參數(shù)雖不隨時(shí)間變化，但它是靠外界影響來(lái)維持的。平衡狀態(tài)是不受外界影響時(shí)參數(shù)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，兩者有所區(qū)別，但又有聯(lián)系——平衡必穩(wěn)定，穩(wěn)定未必平衡。例1.4一剛性絕熱容器內(nèi)充有水和水蒸氣混合物，他們的溫度和壓力分別相等，不隨時(shí)間而變化，試問(wèn)汽水混合物是否已處于平衡狀態(tài)。說(shuō)明：本例說(shuō)明，處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)部各種參數(shù)未必都是均勻的，即均勻必平衡，平衡未必均勻。當(dāng)然對(duì)于單相物質(zhì)組成的系統(tǒng)，均勻必平衡，平衡也必均勻。判斷題：均勻必平衡，平衡也必均勻。有前提條件：對(duì)于單相物系，均勻必平衡，平衡也必均勻；對(duì)于復(fù)相系統(tǒng)，均勻必平衡，平衡未必均勻。注：本書(shū)未加特別注明之處，一律把平衡狀態(tài)下單相物系當(dāng)成是均勻的，物系中各處的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)相等。例1.5試說(shuō)明平衡狀態(tài)的特征及其實(shí)現(xiàn)的條件？二、狀態(tài)方程式三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖壓容圖和溫熵圖。強(qiáng)調(diào)：只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)參數(shù)圖上的一點(diǎn)表示，不平衡狀態(tài)因系統(tǒng)各局部的物理量一般不相同，在坐標(biāo)圖上無(wú)法表示。1.5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程一、系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)變化的原因熱力過(guò)程。二、準(zhǔn)平衡〔靜態(tài)〕過(guò)程1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。即氣體工質(zhì)在壓力差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的條件是：氣體工質(zhì)和外界之間的壓力差為無(wú)限小，即：或氣體工質(zhì)和外界溫差為無(wú)限小，即或?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)平衡過(guò)程條件p1,v1p1,v1,T1p2,v2,T2p3,v3,T3pv2.工程實(shí)際說(shuō)明二、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程1.可逆過(guò)程特征。2.可逆過(guò)程必須滿(mǎn)足以下條件：〔使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的條件是什么〕①可逆過(guò)程必須是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，即必須在勢(shì)差足夠小、變化足夠慢的條件下進(jìn)行。這樣，每個(gè)中間狀態(tài)都可看作是平衡狀態(tài)，而且，一旦改變勢(shì)差的方向，即可改變過(guò)程的方向；②可逆過(guò)程中不存在任何耗散效應(yīng)，如摩擦、擾動(dòng)、電阻、永久變形等等，耗散效應(yīng)必定導(dǎo)致無(wú)法消除的影響。因此，可逆過(guò)程也可定義為：可逆過(guò)程是無(wú)耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。3.不滿(mǎn)足可逆過(guò)程的定義或條件的過(guò)程，稱(chēng)為不可逆過(guò)程。4.典型的不可逆過(guò)程。例如：溫差傳熱；自由膨脹；混合過(guò)程；節(jié)流過(guò)程；摩擦生熱；粘性流體；阻尼振動(dòng)；電阻熱效應(yīng)；燃燒過(guò)程；非彈性變形；磁滯損耗等等。但。5.實(shí)際過(guò)程的說(shuō)明。注意：對(duì)可逆過(guò)程定義的說(shuō)明重申熱力學(xué)的研究方法。課后思考題1.判斷以下過(guò)程中那些是可逆的、不可逆的，可以是可逆的，并扼要說(shuō)明不可逆的原因?！?〕對(duì)剛性容器內(nèi)的水加熱使其在恒溫下蒸發(fā)?！?〕對(duì)剛性容器內(nèi)的水做功使其在恒溫下蒸發(fā)?！?〕對(duì)剛性容器中的空氣緩慢加熱使其從50℃升溫到100〔4〕定質(zhì)量的空氣在無(wú)摩擦、不導(dǎo)熱的氣缸和活塞中被慢慢壓縮?！?〕100℃的蒸汽流與251.6過(guò)程功和熱量一、過(guò)程功1.功的定義和單位普通物理中功的定義：在力F的作用下物體發(fā)生微小的位移dx，那么力F所作的微功為式中：——微小功量〔并非全微分〕。假設(shè)物體在力F的作用下由空間某點(diǎn)1位移到點(diǎn)2，那么力F所作的功為功的單位：J，焦耳1J的功相當(dāng)于物體在1N的力的作用下產(chǎn)生1m的位移時(shí)產(chǎn)生的功量，即1J＝1N·m單位質(zhì)量的物質(zhì)所做的功稱(chēng)為比功，單位為J/kg。假設(shè)質(zhì)量為m的物質(zhì)完成的功為W，那么比功為pvJ/kgpv單位時(shí)間內(nèi)完成的功稱(chēng)為功率，單位為W，即1W=1J/s工程上還用kW做單位1kW=1kJ/s2.可逆過(guò)程的功按照功的力學(xué)定義，工質(zhì)推動(dòng)活塞移動(dòng)距離dx時(shí)，對(duì)抗斥力所做的膨脹功為式中：——活塞面積；——工質(zhì)體積微元變化量。工質(zhì)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，所作的膨脹功為：說(shuō)明：eq\o\ac(○,1)如可逆的膨脹過(guò)程1－2的方程式，即可由積分求得膨脹過(guò)程功的數(shù)值；eq\o\ac(○,2)膨脹功在圖上可用過(guò)程線(xiàn)下方的面積表示，因此圖也叫示功圖。如果工質(zhì)是1kg，那么所做的功為過(guò)程依相反方向2－1進(jìn)行時(shí)，同樣可得應(yīng)用功量公式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.功量正負(fù)號(hào)規(guī)定〔一定重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)〕。由公式可知，時(shí)，，無(wú)功量交換；，系統(tǒng)對(duì)外做功，功為正；，外界對(duì)系統(tǒng)做功，功為負(fù)。簡(jiǎn)言之，系統(tǒng)對(duì)外做功，功為正；外界對(duì)系統(tǒng)做功，功為負(fù)。2.功量的大小可以用圖上過(guò)程線(xiàn)下方的面積表示；3.功量是個(gè)過(guò)程量，不是全微分。當(dāng)初終狀態(tài)一定，而過(guò)程經(jīng)歷的途徑不同時(shí)，功量的大小也各不相同。4.容積變化功的公式只適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程，對(duì)于非此類(lèi)過(guò)程，不僅不能用上述公式來(lái)計(jì)算，而且不能用圖來(lái)表示該過(guò)程，對(duì)于不可逆過(guò)程的功量必須用其它方法來(lái)計(jì)算。5.此公式適用于任何工質(zhì)。流開(kāi)工質(zhì)在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中所做的膨脹功也可用此式計(jì)算。6.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的膨脹功和壓縮功，可用系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)描述，無(wú)須考慮外界的情況，但必須知道內(nèi)部參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。的函數(shù)關(guān)系可根據(jù)研究的具體過(guò)程方程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。7.閉口系工質(zhì)在膨脹過(guò)程中所作的功并不全部用來(lái)輸出作有用功，它一局部因摩擦而耗散，一局部用以排斥大氣做功，余下的才是可被利用的功，稱(chēng)作有用功。3.廣義功〔簡(jiǎn)介〕二、過(guò)程熱量1.定義：熱力學(xué)中把熱量定義為熱力系和外界之間僅僅由于溫度的不同而通過(guò)邊界傳遞的能量?！材芰康囊环N，是由溫差引起的〕熱量的單位：J，焦耳結(jié)合思考題2：有人認(rèn)為，開(kāi)口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開(kāi)口系不可能是絕熱系。對(duì)不對(duì)，為什么？*〔此處重點(diǎn)闡述過(guò)程量的特點(diǎn)〕從對(duì)功和熱量的定義可以看出，熱量和功都是能量傳遞的度量，它們是過(guò)程量。只有在能量傳遞過(guò)程中才有所謂的功和熱量，沒(méi)有能量的傳遞過(guò)程就沒(méi)有功和熱量。說(shuō)物系在某一狀態(tài)下有多少功或多少熱量，顯然是毫無(wú)意義的、錯(cuò)誤的，因?yàn)楣蜔崃慷疾皇菭顟B(tài)參數(shù)。只有當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，才可能有功和熱量的傳遞，所以功和熱量的大小不僅與過(guò)程的初、終狀態(tài)有關(guān)，而且與過(guò)程的性質(zhì)有關(guān)，它們是過(guò)程量。功和熱量的不同之處。便于對(duì)第5章熱過(guò)程方向性的理解。2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中熱量的計(jì)算公式Tsv微元過(guò)程：Tsv有限過(guò)程：?jiǎn)挝毁|(zhì)量：說(shuō)明：1.熱量正負(fù)號(hào)規(guī)定。體系吸熱，熱量為正；體系放熱，熱量為負(fù)。2.熱量的大小可以用圖上過(guò)程線(xiàn)下方的面積表示；3.熱量是個(gè)過(guò)程量，不是全微分。當(dāng)初終狀態(tài)一定，而過(guò)程經(jīng)歷的途徑不同時(shí)，熱量的大小也各不相同。4.公式只適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程，假設(shè)非此類(lèi)過(guò)程，不僅不能用上述公式來(lái)計(jì)算，而且不能用圖來(lái)表示該過(guò)程，對(duì)于不可逆過(guò)程得熱量必須用其它方法來(lái)計(jì)算。1.7熱力循環(huán)一、熱力循環(huán)及其分類(lèi)11a2bmnef43cdwnetq1-q2t=wnetpvTs循環(huán)。循環(huán)分類(lèi)。二、正向循環(huán)正向循環(huán)也叫熱動(dòng)力循環(huán)。設(shè)圖為一正向循環(huán)的和圖。循環(huán)凈功：循環(huán)凈熱量：正向循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性用熱效率來(lái)衡量。愈大，即吸入同樣的熱量時(shí)得到的循環(huán)功愈多，它說(shuō)明循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性愈好。三、逆向循環(huán)1a21a2bmnef43cdwnetq1-q2t=wnetpvTs熱泵系數(shù)〔供熱系數(shù)〕與熱效率一樣，制冷系數(shù)和熱泵系數(shù)愈大，說(shuō)明循環(huán)經(jīng)濟(jì)性愈好。本章小結(jié)根本術(shù)語(yǔ)和根本概念：熱力系、平衡態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的條件?？赡孢^(guò)程實(shí)現(xiàn)的條件。狀態(tài)參數(shù)及其性質(zhì)、定義、單位；熱量和功量的特征以及可逆過(guò)程的熱量和功量的計(jì)算?？赡孢^(guò)程的功和熱量：微元過(guò)程注意問(wèn)題eq\o\ac(○,1)正負(fù)號(hào)約定eq\o\ac(○,2)面積有限過(guò)程eq\o\ac(○,3)過(guò)程量eq\o\ac(○,4)適用范圍熱力循環(huán)的分類(lèi)及評(píng)價(jià)指標(biāo)第2章熱力學(xué)第一定律一、根本要求：①正確識(shí)別各種不同形式能量的能力；②根據(jù)實(shí)際問(wèn)題建立具體能量方程的能力；eq\o\ac(○,3)應(yīng)用根本概念及能量方程進(jìn)行分析計(jì)算的能力；eq\o\ac(○,4)注意焓的引出及其定義式。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)焓的定義、物理意義、性質(zhì)；不同形式的功，穩(wěn)定流動(dòng)中幾種功的關(guān)系；能量方程的應(yīng)用。2.1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)〔課時(shí)5、6〕功的單位及其相互關(guān)系：在國(guó)際單位制中，熱和功的單位皆為焦耳〔J〕；在工程單位制中，熱，kcal；功，kgf·m。由于1kcal=4.1868kJ=426.935kgf·m功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所做的功，用P表示，單位〔SI〕W，kW。工程制：馬力1W=1J/s；1kW=1kJ/s=102.kgf.m/s；1kW=1.36馬力；1馬力=0.735kW。1千瓦在小時(shí)內(nèi)所做的功為—千瓦.小時(shí)1kW.h=3600kJ=860kcal；1馬力在小時(shí)內(nèi)所做的功為——馬力.小時(shí)1馬力.小時(shí)=2646kJ=632kcal。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。指出：熱能和機(jī)械能之間可以互相轉(zhuǎn)化，但總量保持不變。2.2熱力學(xué)能和總能一、熱力學(xué)能熱力學(xué)能，J，kJ；單位質(zhì)量的熱力學(xué)能稱(chēng)為比熱力學(xué)能〔比內(nèi)能〕，J/kg，kJ/kg。工質(zhì)的內(nèi)能包括：1〕工質(zhì)的內(nèi)動(dòng)能，當(dāng)工質(zhì)的分子可視做質(zhì)點(diǎn)時(shí)，只有平動(dòng)動(dòng)能，而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)動(dòng)能。2〕分子內(nèi)部的作用力〔內(nèi)部勢(shì)能，內(nèi)位能〕所以?xún)?nèi)能是溫度與比容的函數(shù)而對(duì)于單位質(zhì)量的工質(zhì)的內(nèi)能為又因?yàn)闅怏w的是由狀態(tài)方程式聯(lián)系起來(lái)的，所以又有和。二、外部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能。宏觀運(yùn)動(dòng)的整體動(dòng)能：kJ；宏觀的整體動(dòng)能：kJ；三、總能系統(tǒng)中的總儲(chǔ)存能為：kJ；單位質(zhì)量的能量為：kJ/kg；四、熱力學(xué)能的性質(zhì)1.熱力學(xué)能是系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)并具有狀態(tài)參數(shù)的所有通性。熱力學(xué)能是個(gè)廣延參數(shù)，具有可加性，而比熱力學(xué)能是強(qiáng)度參數(shù)，具有點(diǎn)函數(shù)的性質(zhì)。也就是說(shuō)，假設(shè)工質(zhì)從初態(tài)1變化到終態(tài)2，其熱力學(xué)能的變化只與初終狀態(tài)有關(guān)，而與過(guò)程路徑無(wú)關(guān)。2.熱力學(xué)能是一個(gè)不可測(cè)的狀態(tài)參數(shù)，其絕對(duì)值是無(wú)法確定的。3.系統(tǒng)的熱力學(xué)能變化是可以計(jì)算的。2.3能量的傳遞和轉(zhuǎn)化1、做功和傳熱WECMWWECMWECMQWECM熱能機(jī)械能p1,p1,v1p2,v21122〔J〕。式中，m——進(jìn)入汽缸的工質(zhì)質(zhì)量。1千克工質(zhì)的推動(dòng)功等于〔J/kg〕?！?〕流動(dòng)功。推動(dòng)功差2.4焓(課時(shí)7、8)1、焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，定義表達(dá)式為：，不管是控制質(zhì)量還是流動(dòng)質(zhì)量，當(dāng)狀態(tài)一定時(shí)，及都有確定的數(shù)值。焓的數(shù)值也就完全確定了。熱力學(xué)能及加項(xiàng)都是狀態(tài)量，具有狀態(tài)參數(shù)所有的通性，對(duì)于這一點(diǎn)是毫無(wú)爭(zhēng)議的。例：氣瓶中氣體表壓力為MPa，體積為Vm3，內(nèi)能為kJ，那么氣瓶中氣體的焓為：注意eq\o\ac(○,1)壓力應(yīng)為絕對(duì)壓力；eq\o\ac(○,2)單位統(tǒng)一。2、焓中有兩項(xiàng)：熱力學(xué)能——儲(chǔ)藏在工質(zhì)內(nèi)部的儲(chǔ)存能，不管是控制質(zhì)量還是流動(dòng)質(zhì)量，工質(zhì)內(nèi)部所擁有的能量就是熱力學(xué)能，是一個(gè)狀態(tài)量；2.5熱力學(xué)第一定律根本表達(dá)式根本方程寫(xiě)法：進(jìn)入系統(tǒng)的能量—離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能的變化一、閉口系能量方程QWQWU假設(shè)工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和位能的變化可忽略不計(jì)或熱力學(xué)第一定律的第一解析式。式中：，為系統(tǒng)在狀態(tài)2和狀態(tài)1下的熱力學(xué)能。對(duì)于閉口系統(tǒng)，功只能為容積功。注意：eq\o\ac(○,1)上式不可以寫(xiě)成，因?yàn)闊崃亢凸Χ际悄芰總鬟f的度量。只有在能量傳遞的過(guò)程中才有所謂功和熱量，沒(méi)有能量傳遞的過(guò)程也就根本沒(méi)有什么功和熱量。假設(shè)說(shuō)物體在某一狀態(tài)下有多少功或多少熱量，這顯然是毫無(wú)意義的、錯(cuò)誤的。功和熱量都不是狀態(tài)參數(shù)。一個(gè)過(guò)程只有一個(gè)熱量，一個(gè)過(guò)程也只有一個(gè)功。對(duì)于單位質(zhì)量的工質(zhì)：eq\o\ac(○,2)此式直接從能量守恒和轉(zhuǎn)化的普遍原理得出，沒(méi)有做任何假定，因此它對(duì)閉口系統(tǒng)是普遍適用的，毫無(wú)例外?？蛇m用于可逆過(guò)程，也可適用于不可逆過(guò)程。對(duì)工質(zhì)的性質(zhì)也沒(méi)有限制，無(wú)論是理想氣體，還是實(shí)際氣體，甚至液體都可適用。為了確定工質(zhì)初態(tài)和終態(tài)內(nèi)能的值，要求工質(zhì)初態(tài)和終態(tài)是平衡狀態(tài)。結(jié)論：對(duì)靜止閉系，有限過(guò)程中就lkg工質(zhì)而言，可寫(xiě)成：或以上四式的應(yīng)用適合靜止閉系的一切過(guò)程，包括可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程：那么對(duì)于簡(jiǎn)單可壓系可逆過(guò)程寫(xiě)成：非可逆過(guò)程不可以這樣寫(xiě)。例一個(gè)裝有2kg工質(zhì)的閉口系統(tǒng)經(jīng)歷了如下過(guò)程：過(guò)程中系統(tǒng)散熱25kJ，外界對(duì)系統(tǒng)做功100kJ，比熱力學(xué)能減少了15kJ/kg，并且整個(gè)系統(tǒng)被舉高1000m，試確定過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的變化。注意：eq\o\ac(○,1)能量方程中的是代數(shù)值，在代入數(shù)值時(shí)要按約定正負(fù)號(hào)含義代入，表示增量，假設(shè)過(guò)程中它們減少應(yīng)代入負(fù)值；eq\o\ac(○,2)量綱一致。2.6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程(課時(shí)9、10)1、穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)是指開(kāi)口系統(tǒng)的控制容積中每一空間點(diǎn)其參數(shù)不隨時(shí)間而變化。222211p1p2δQδWidV1,cf1dV2,cf2基準(zhǔn)面z2z1整個(gè)系統(tǒng)單位時(shí)間與外界交換的熱、功不變；進(jìn)口參數(shù)和出口參數(shù)不變；系統(tǒng)的邊界無(wú)脹縮；單位時(shí)間流入的質(zhì)量等于流出的質(zhì)量。2、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程圖示系統(tǒng)流入能量及流出能量：流入系統(tǒng)的能量：其中流出系統(tǒng)的能量：，其中那么根據(jù)熱力學(xué)第一定律的根本能量方程可得：進(jìn)入能量—流出能量=變化量〔對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，變化量=0〕那么流入能量=流出能量即〔1〕那么對(duì)〔1〕式加以整理，得出系統(tǒng)的吸熱量為：〔2〕焓為流開(kāi)工質(zhì)所攜帶的能，工質(zhì)要流動(dòng)，那么必?cái)y帶內(nèi)能u和流動(dòng)功pv，所有的動(dòng)力設(shè)備為了連續(xù)工作，需流動(dòng)的工質(zhì)，故焓的應(yīng)用比內(nèi)能廣泛?！?〕式變?yōu)椋骸?〕〔3〕式叫做穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式。有限過(guò)程的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：1kg工質(zhì)流過(guò)開(kāi)口系經(jīng)過(guò)有限或微元過(guò)程時(shí)，那么而膨脹功由四個(gè)局部組成的：1〕進(jìn)出口推動(dòng)功之差，是維持流動(dòng)所需要的功2〕進(jìn)出口動(dòng)能之差；3〕進(jìn)出口位能之差4〕是工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功。工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中所作的膨脹功表現(xiàn)為一局部消耗于維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的流動(dòng)功，一局部用于增加工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和重力位能，其余局部才作為熱力設(shè)備輸出的功，所以說(shuō)膨脹功是簡(jiǎn)單可壓縮系熱變功的源泉。定義；技術(shù)功利用〔4〕式，那么，即技術(shù)功還可表示為膨脹功減去進(jìn)出系統(tǒng)的推動(dòng)功之差。說(shuō)明：在各種方式的能量傳遞過(guò)程中，只有在工質(zhì)膨脹作功時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)熱能〔無(wú)序能〕變機(jī)械能〔有序能〕的轉(zhuǎn)化，而產(chǎn)生的機(jī)械能就等于膨脹功。機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程雖那么還可由摩擦、碰撞等來(lái)完成，但只有通過(guò)對(duì)工質(zhì)壓縮作功的轉(zhuǎn)化過(guò)程才會(huì)是可逆的。所以熱能和機(jī)械能的可逆轉(zhuǎn)化總是和工質(zhì)的膨脹和壓縮聯(lián)系在一起的。而穩(wěn)定流動(dòng)能量方程〔3〕式變?yōu)椋骸?〕此為，是用焓表示的第一定律解析式，也叫做熱力學(xué)第一定律的第二解析式。閉口系統(tǒng)能量方程〔6〕，是熱力學(xué)第一定律的第一解析式，它說(shuō)明加給工質(zhì)的熱量一局部用于增加工質(zhì)的內(nèi)能，仍以熱能的形式存在與工質(zhì)內(nèi)部，余下的局部以作功的方式傳遞給了外界，轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。在狀態(tài)變化過(guò)程中轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的局部為。穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式〔3〕和第一定律的第二解析式。都是從能量方程式直接推出，因此能普遍適用于可逆和不可逆過(guò)程，也普遍適用于各種工質(zhì)。可逆過(guò)程的技術(shù)功的具體表達(dá)式：設(shè)工質(zhì)由進(jìn)口態(tài)變?yōu)槌隹趹B(tài)，其膨脹功為因?yàn)?2ab0c12ab0cd3而為面積c2b0c，為面積d1a0d，那么為面積12cd1=也可這樣推導(dǎo)：==〔7〕由〔7〕式可見(jiàn)，假設(shè)為負(fù)，即過(guò)程中工質(zhì)的壓力是降低的，那么技術(shù)功為正，此時(shí)工質(zhì)對(duì)機(jī)器作功。反之，假設(shè)為正，即過(guò)程中工質(zhì)的壓力是升高的，那么技術(shù)功為負(fù)。此時(shí)機(jī)器對(duì)工質(zhì)作功。蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)屬于前一種情況，活塞式壓縮機(jī)和葉輪式壓氣機(jī)屬于后一種情況。技術(shù)功的微分形式第一定律第二解析式的微分形式為：第一解析式和第二解析式之間可相互推導(dǎo)。第一解析式：第二解析式：=2.6開(kāi)口系統(tǒng)的能量方程的一般表達(dá)式222211p1p2δQδWidV1,cf1dV2,cf2基準(zhǔn)面z2z1時(shí)間內(nèi)流入的能量：流出的能量據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)化定律：流入能量-流出能量=內(nèi)部能量的增量，設(shè)內(nèi)部能量的增量用表示〔controlvolume〕，那么上式可整理為：說(shuō)明：流入系統(tǒng)的能量，一局部變?yōu)橄到y(tǒng)儲(chǔ)存的能量，其它的變?yōu)殪什罴皠?dòng)勢(shì)能差以及輸出功。令，，那么上式變?yōu)椋簩?duì)于閉口系統(tǒng)，，＝0，，那么對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)：，，那么h0h0，p0，，v0條件：1〕主管道的氣體狀態(tài)恒定；2〕氣瓶是剛性的；3〕氣瓶不是真空〔開(kāi)始u1，m1〕分析：說(shuō)明：eq\o\ac(○,1)在氣源中氣體的比熱力學(xué)能是，但隨質(zhì)量交換而交換的能量是比焓，即質(zhì)量流的能容量是而不是。充氣過(guò)程中，系統(tǒng)增加的能量為，既不是；也不是。終態(tài)時(shí)系統(tǒng)的比焓為。eq\o\ac(○,2)在絕熱充氣過(guò)程中，焓轉(zhuǎn)變成熱力學(xué)能，，它是個(gè)不可逆過(guò)程。12例：汽缸的一端通過(guò)閥門(mén)與穩(wěn)定氣源相連，汽缸內(nèi)有一活塞重塊，以維持汽缸內(nèi)壓力，為常值。初態(tài)時(shí)，活塞在汽缸的1處，假定閥門(mén)調(diào)節(jié)到一定開(kāi)度，使活塞在等壓下緩慢地勻速上升，當(dāng)活塞上升到終態(tài)2時(shí)關(guān)閉閥門(mén)。分析：eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)多孔塞絕熱體多孔塞絕熱體12如下圖是焦耳和湯姆遜采用的多孔塞實(shí)驗(yàn)一個(gè)絕熱管子中用棉花之類(lèi)的物品作成一個(gè)多孔塞，使氣體不容易通過(guò)。這樣，塞子的一邊可以維持較高的壓力，另一邊那么維持較低的壓力，氣體不斷地從一邊經(jīng)過(guò)多孔塞節(jié)流到的一邊。實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)過(guò)程為絕熱節(jié)流過(guò)程。試說(shuō)明流體在多孔塞實(shí)驗(yàn)中從高壓到低壓的節(jié)流前后是一個(gè)總焓不變的過(guò)程，即。2.7能量方程式的應(yīng)用h1h1h2wih1h1h2wi1千克工質(zhì)對(duì)機(jī)器所作的功為：壓氣機(jī)1千克工質(zhì)需作功為：h2h2h1qc1，hc1，h1c2，h2四、管道1千克工質(zhì)動(dòng)能的增加為：h1h1h22211本章小結(jié)熱力學(xué)第一定律。能量熱力學(xué)能：1.分子熱運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)動(dòng)能；2.分子間的相互作用形成的內(nèi)位能；3.維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能，原子核內(nèi)部的原子能及電磁場(chǎng)作用下的電磁能等。一、功的種類(lèi)及計(jì)算1.體積變化功〔膨脹功〕：2.內(nèi)部功：工質(zhì)在機(jī)器內(nèi)部對(duì)機(jī)器所作的功3.推動(dòng)功和流動(dòng)功：開(kāi)口系因工質(zhì)流動(dòng)而傳遞的功稱(chēng)為推動(dòng)功。4.技術(shù)功：技術(shù)上可資利用的功。5.有用功和無(wú)用功二、能量方程1.閉口系能量方程：或循環(huán)的熱力學(xué)第一定律：，任意一循環(huán)的凈吸熱量與凈功量相等。2.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程.3.一般開(kāi)口系能量方程.注意問(wèn)題：應(yīng)用能量方程時(shí)要注意都有正負(fù)號(hào)的問(wèn)題，要按規(guī)定使用，即系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量取正值，放熱時(shí)取負(fù)值。另外，要注意公式中每一項(xiàng)量綱的統(tǒng)一。三、引入的兩個(gè)新的狀態(tài)參數(shù)：熱力學(xué)能和焓熱力學(xué)能，kJ，J；比熱力學(xué)能，kJ/kg，J/kg焓：四、能量方程的應(yīng)用：eq\o\ac(○,1)要注意選好熱力系。eq\o\ac(○,2)對(duì)于閉口系寫(xiě)出閉口系能量方程。對(duì)于開(kāi)口系，一般的熱力設(shè)備除了啟動(dòng)、停止或加減負(fù)荷外，常處于穩(wěn)定工況下，所以可以作穩(wěn)定流動(dòng)處理，即能量方程寫(xiě)成穩(wěn)定流動(dòng)能量方程。對(duì)于工程上的充、放氣、容器泄漏以及上述熱力設(shè)備的非穩(wěn)定工況，能量方程需寫(xiě)成一般開(kāi)口系的能量方程。eq\o\ac(○,3)在針對(duì)具體問(wèn)題，分析系統(tǒng)與外界的相互作用時(shí)，對(duì)于葉輪式機(jī)械，如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、葉輪式壓氣機(jī)等，以及噴管和節(jié)流閥等由于葉輪機(jī)械的外外表通常被很好地絕熱，進(jìn)行有效熱傳遞的外外表面積很小，工質(zhì)流過(guò)控制容積非常迅速，系統(tǒng)與外界來(lái)不及交換大量的熱量，因此通常作為絕熱處理，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程中的熱量項(xiàng)取為零。除去噴管和擴(kuò)壓管這類(lèi)使氣流速度改變比擬劇烈的設(shè)備外，在一般設(shè)備中，起來(lái)進(jìn)出的動(dòng)能、位能變化很小，可以忽略。穩(wěn)定流動(dòng)中的動(dòng)、位能差項(xiàng)均取為零。對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系，設(shè)備中假設(shè)無(wú)活塞。轉(zhuǎn)軸這類(lèi)做功部件，閉口系能量方程中的功項(xiàng)，或開(kāi)口系能量方程中的內(nèi)部功項(xiàng)均取為零。如各種換熱設(shè)備，其內(nèi)部功均為零。習(xí)題課〔隨課時(shí)安排〕簡(jiǎn)答題1.絕熱真空剛性容器充入理想氣體后，容器內(nèi)的氣體溫度比充氣前氣體溫度是高了、低了還是相等。2.解釋開(kāi)著冰箱門(mén)降溫的錯(cuò)誤所在。1.氣體在某一過(guò)程中吸收了50J的熱量，同時(shí)內(nèi)能增加了84J，問(wèn)此過(guò)程是膨脹過(guò)程還是壓縮過(guò)程？與外界交換的功為多少？2.氧氣瓶的容積為.4m33.氣缸內(nèi)儲(chǔ)有完全不可壓縮的流體，氣缸的一端被封閉，另一端是活塞。氣缸是靜止的，且與外界無(wú)熱交換。試問(wèn)：活塞能否對(duì)流體做功？流體的壓力會(huì)改變嗎？假設(shè)使用某種方法把流體的壓力從0.2MPa提高到4MPa，內(nèi)能有無(wú)變化？焓有無(wú)變化？12341234pv葉輪1葉輪12334燃燒室壓氣機(jī)噴管在截面1處：kJ/kg；在截面2處：kJ/kg在燃燒室工質(zhì)吸入熱量kJ/kg；燃燒后的燃?xì)膺M(jìn)入噴管膨脹到狀態(tài)，kJ/kg，流速增大，進(jìn)入動(dòng)葉片，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)做功。假設(shè)燃?xì)庠趧?dòng)葉片中的熱力狀態(tài)不變，最后離開(kāi)燃?xì)廨啓C(jī)的速度m/s求：〔1〕假設(shè)空氣流量為100kg/s，壓氣機(jī)消耗的功率？〔2〕假設(shè)燃?xì)獾陌l(fā)熱值為kJ/kg，燃料的耗量為多少?〔3〕噴管出口的流速？〔4〕燃?xì)廨啓C(jī)的功率為多少？〔5〕燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率為多少？第3章氣體和蒸汽的性質(zhì)根本要求：熟練掌握并正確應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程式；正確理解理想氣體比熱容的概念；熟練掌握和正確應(yīng)用定值比熱容、平均比熱容來(lái)計(jì)算過(guò)程熱量，以及計(jì)算理想氣體熱力學(xué)能、焓和熵的變化；難點(diǎn)和重點(diǎn)：理想氣體的熱力性質(zhì)；比熱容.3.1理想氣體的概念〔課時(shí)11、12〕理想氣體在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)氣體壓力不太高，溫度不太低時(shí)，實(shí)際氣體由于分子距離較大，分子間作用力削弱，那么實(shí)際氣體可看作理想氣體。理想氣體是實(shí)際氣體在壓力趨近于0，比容趨近于無(wú)窮大時(shí)的極限狀態(tài)。所以，在工程中，一看種類(lèi)〔即其沸點(diǎn)上下，離液態(tài)遠(yuǎn)近〕；二看壓力。一、理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程由兩種方法得出：1〕由高中物理中介紹的理論分析推導(dǎo)得到；2〕另一種方法是由實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)方程，稱(chēng)為氣體常數(shù)，由于在同溫同壓下，同體積的各種氣體質(zhì)量各不相同，因而值隨氣體種類(lèi)而異，各種氣體都有一定的值。二、摩爾質(zhì)量和摩爾體積對(duì)于1kmol氣體，其比容我們稱(chēng)為千摩爾容積，各種氣體的千摩爾容積這時(shí)都是22.4m3m3/kmol〔下標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)〕那么==8314.3J/kmol?K=8.3143kJ/kmol?K中選用不同的單位時(shí)，有不同的值，例如當(dāng)kgf/m2時(shí)，==848kgf.m/〔kmol?K〕用——摩爾質(zhì)量，kg/kmol，，對(duì)于空氣，kg/kmol，在高中時(shí)，我們習(xí)慣用29，現(xiàn)在應(yīng)較采用精確值，此值為據(jù)空氣中各種成分的體積含量求出的。那么空氣的氣體常數(shù)為：0.287kJ/kg?K=287J/kg?K對(duì)于mkg氣體，式〔3-2〕兩邊都乘以m得，而在物理學(xué)中我們常用。例1：有一體積為0.3m3的汽缸，裝有MPa，K的壓縮空氣，用來(lái)啟動(dòng)柴油機(jī)，啟動(dòng)后瓶中壓力降為=4.6MPa，=K，問(wèn)用去了多少kg空氣？注意1、采用適宜的公式〔習(xí)慣于采用熱力學(xué)公式〕可減少計(jì)算步驟，建議采用進(jìn)行計(jì)算；2、在此題中，體積雖然沒(méi)變，但質(zhì)量已變，故不能認(rèn)為是定容或定溫過(guò)程。例2：將CO2壓入容積為3m3的儲(chǔ)氣罐中，初始罐中壓力表讀數(shù)為0.3bar，終態(tài)壓力表讀數(shù)為3bar，罐中的溫度在充氣過(guò)程中由15℃升為75℃注意：1、必須采用絕對(duì)壓力，而不能用表壓力；2、必須使用絕對(duì)溫度，而不能用攝氏溫度或華氏溫度；3、等物理量的單位必須與選定的摩爾氣體常數(shù)的單位協(xié)調(diào)一致。思考題：體積為1m3的容器中充滿(mǎn)N2，其溫度為201、1684kg2、11531.5kg3、2658kg4、2.658kg錯(cuò)誤之處：1、采用公式不當(dāng)，使計(jì)算復(fù)雜化，應(yīng)采用公式；2、式中單位與所選定的氣體常數(shù)的單位沒(méi)有協(xié)調(diào)一致，且壓力非絕對(duì)壓力，溫度非絕對(duì)溫度。本節(jié)的內(nèi)容理論知識(shí)已學(xué)過(guò)很多，關(guān)鍵在于在工程中的應(yīng)用。3.2理想氣體的比熱容一、比熱容定義比熱容的概念。1、質(zhì)量比熱：2、容積比熱：3、kmol比熱，符號(hào)，單位kJ/kmol?K。三者的關(guān)系：。二、定壓、定容比熱定容比熱：定壓比熱：推導(dǎo)：據(jù)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：據(jù)熱力學(xué)第二定律表達(dá)式：對(duì)于理想氣體邁耶公式：或此即為對(duì)理想氣體來(lái)說(shuō)定壓比熱與定容比熱之間的關(guān)系〔因?yàn)橹挥欣硐霘怏w，，而對(duì)于實(shí)際氣體，，〕。又因?yàn)椋核?8314.3J/kmol·K令，稱(chēng)為絕熱指數(shù)。對(duì)于理想氣體：，，而，可見(jiàn)值非一常數(shù)，它與的值有關(guān)。而對(duì)于某一氣體來(lái)說(shuō)永為一常數(shù)。三、理想氣體的定比熱理論，單原子氣體雙原子氣體多原子氣體單位kJ/kg·KkJ/kg·KkJ/kg·K修正。對(duì)于多原子氣體，工程上為了簡(jiǎn)化計(jì)算，比熱可近似地當(dāng)做定值，通常稱(chēng)為定值比熱。c=f〔t〕c=f〔t〕四、理想氣體的真實(shí)比熱據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，比熱也隨之升高，作出與的關(guān)系曲線(xiàn)，整理為的形式，即理想氣體隨溫度變化而變化。式中等是與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。所以在給出比熱的數(shù)值時(shí)，必須給出是那一個(gè)溫度下的比熱。五、利用比熱計(jì)算熱量1、定比熱計(jì)算：kJ/kgkJ/kg的來(lái)源，對(duì)于空氣：kJ/kg·KkJ/kg·K或kJ/kg·K對(duì)其它氣體也可按此計(jì)算。2、平均比熱附表4，500頁(yè)注意：非100℃下的定壓比熱值，單個(gè)溫度無(wú)平均可言，是指0～100℃間的平均定壓比熱值。而〔定容平均比熱的計(jì)算方法〕。據(jù)熱力學(xué)第一定律那么,這樣算焓，隱含了規(guī)定0℃時(shí)，即℃=0，同理，此式也隱含了規(guī)定0℃時(shí)，即℃=0。當(dāng)然對(duì)于理想氣體還可取0K時(shí)焓值為0，內(nèi)能為0。3、比熱的直線(xiàn)關(guān)系=附表7，P503列出了氣體的平均比熱〔直線(xiàn)關(guān)系式〕，應(yīng)注意，附表中的代表，其直接寫(xiě)出了的值。例如：空氣的平均定壓比熱的直線(xiàn)關(guān)系式為：，其中代表，而=0.000093，0.9956。本節(jié)總結(jié)〔理想氣體的比熱〕1、據(jù)微觀分子運(yùn)動(dòng)模型得出定比熱理論；2、氣體的真實(shí)比熱；3、平均比熱；4、平均比熱直線(xiàn)關(guān)系：例：把空氣從100℃定壓加熱到300℃和解：1、定比熱計(jì)算：2、平均比熱：3、按比熱直線(xiàn)關(guān)系：平均比熱表是考慮比熱隨著溫度而變化的曲線(xiàn)關(guān)系，據(jù)比熱的精確值編制的，用比熱表求得的是可靠的結(jié)果，以之做基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算其它兩種的誤差：溫度由100℃變化到1000計(jì)算誤差，；分析：由例子可得：如按定比熱計(jì)算，空氣的應(yīng)記做kJ/kg·K，kJ/kg·K；據(jù)計(jì)算，按定比熱計(jì)算隨著溫度的升高，引起的誤差較大，即精確計(jì)算時(shí)不能按定比熱計(jì)算，對(duì)工程來(lái)說(shuō)，定比熱在允許誤差范圍內(nèi)；溫度變化大或小〔0～1500℃〕，按比熱直線(xiàn)關(guān)系計(jì)算，誤差都較小。3.4理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵〔課時(shí)13、14〕一、熱力學(xué)能和焓abc1pabc1pv焓的變化為。的計(jì)算：243pv11、假設(shè)溫度不太高，那么按定值比熱計(jì)算，，圖中過(guò)程中熱力學(xué)能的變化相同，都等于定容過(guò)程熱，即243pv1對(duì)于焓變，，1-2，1-3，1-4三過(guò)程焓變相等，都等于定壓過(guò)程的過(guò)程熱，即任何一個(gè)過(guò)程焓值的變化量都和同樣溫度范圍的定壓過(guò)程焓值變化相同。2、需要精確計(jì)算時(shí)，按平均比熱計(jì)算：，此二式為普適式，對(duì)一切過(guò)程都適用。對(duì)于可逆過(guò)程，對(duì)于理想氣體此式適用于定比熱可逆過(guò)程?？佳袝r(shí)易給出式子，要求寫(xiě)明適用狀態(tài)的，例如：一切過(guò)程都適用適用于可逆過(guò)程適用定比熱理想氣體可逆過(guò)程。例：體積m3，壓力bar，溫度℃的空氣，經(jīng)過(guò)一熱力過(guò)程，終態(tài)參數(shù)為bar，℃，求該熱力過(guò)程空氣的熱力學(xué)能變化。例：當(dāng)用水力測(cè)功器測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗于攪動(dòng)測(cè)功器中的水，這時(shí)水的內(nèi)能增加，溫度升高，一般測(cè)功器允許水的溫度升高，設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為80kW，試求水力測(cè)功器所需水的流量。水的。例：有兩容器，容器1中有0.3kgO2，kJ/kg，溫度為20℃，容器2中有0.2kgCO，kJ/kg，其溫度為100℃，假設(shè)聯(lián)通兩容器，使兩種氣體相互混合，試求混合氣體的溫度。二、熵本節(jié)介紹一個(gè)新的狀態(tài)參數(shù)——熵。那么熵的定義為：可逆理想氣體的熵變計(jì)算可逆因?yàn)槠涠x在可逆過(guò)程中，故須用可逆過(guò)程的方程式。而那么可逆=〔〕可逆=〔〕此二式為微元過(guò)程的熵變。對(duì)于理想氣體，僅與溫度有關(guān)，僅與比容有關(guān)，所以對(duì)于一個(gè)有限過(guò)程：第一計(jì)算式第二計(jì)算式另一方面，據(jù)第三計(jì)算式TsTs圖下的面積可以直觀地表示過(guò)程熱。例：3kg空氣自初態(tài)經(jīng)一可逆過(guò)程變化到終態(tài)2，。計(jì)算工質(zhì)的熵差。熵差的精確計(jì)算：前面得出的三個(gè)熵變計(jì)算式皆視比熱為定值，假設(shè)要精確計(jì)算，將之關(guān)系式代入即可，但是工程上不愿意進(jìn)行積分計(jì)算。工程上，由式來(lái)尋求精確計(jì)算式，這是因?yàn)闇囟扰c壓力比擬好測(cè)定，而比容須用得出。令=，是T的函數(shù)，預(yù)先把0~任意溫度T的積分值算出，列成表格，那么附表中有空氣的熱力性質(zhì)表，列出了與絕對(duì)T之間的關(guān)系表格，附表8，P503。精確計(jì)算時(shí)，假設(shè)工質(zhì)的初終態(tài)壓力那么可查表進(jìn)行計(jì)算，反之，假設(shè)求出值，還可求出溫差。3.4水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)的壓力稱(chēng)為飽和壓力，溫度稱(chēng)為飽和溫度。飽和溫度Ts和飽和壓力PS之間必存在單值性關(guān)系：或在實(shí)際中的應(yīng)用及表達(dá)。臨界點(diǎn)。水的臨界參數(shù)值為：。ABABC固液氣A——?dú)夤滔嗥胶狻采A〕曲線(xiàn)；B——固液相平衡〔熔解〕曲線(xiàn)；C——?dú)庖合嗥胶狻财城€(xiàn)。三相點(diǎn)參數(shù)：=273.16K，=611.659Pa液相比體積為m3/kg。3.5水的汽化過(guò)程和臨界點(diǎn)〔課時(shí)15、16〕一、水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程pp重物活塞加熱p加熱p加熱p加熱p加熱1．未飽和水的定壓飽和階段末飽和水，具有飽和未飽和水在定壓飽和過(guò)程中所需的熱量，稱(chēng)為液體熱，。2．飽和水的定壓汽化階段飽和蒸汽的參數(shù)在相應(yīng)的字母上加“〞例如，濕飽和蒸汽，簡(jiǎn)稱(chēng)濕蒸汽。濕蒸汽的相應(yīng)參數(shù)加下標(biāo)“x〞例如，定壓汽化階段結(jié)束時(shí)的飽和蒸汽又稱(chēng)為干飽和蒸汽〔簡(jiǎn)稱(chēng)飽和蒸汽〕，比體積變?yōu)椤插仩t中氣鍋內(nèi)的吸熱過(guò)程〕。在定壓汽化過(guò)程中所需的熱量稱(chēng)為汽化潛熱，用表示。不同成分的濕蒸汽，通常用干度加以區(qū)分。干度的定義表達(dá)式為式中m——濕蒸汽的質(zhì)量；mv——濕蒸汽中飽和蒸汽的質(zhì)量。3．飽和蒸汽的定壓過(guò)熱階段過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱度：。過(guò)熱熱量：。水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程可分為三個(gè)階段，共經(jīng)歷了五種不同的狀態(tài)，即末飽和水(壓縮水或過(guò)冷水)、飽和水、濕蒸汽、干飽和蒸汽及過(guò)熱蒸汽。每干克水轉(zhuǎn)變成過(guò)熱蒸汽所需的熱量為過(guò)程中所作的功量為根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有二、水蒸汽的p－v圖及T－s圖(一)水蒸汽p—v圖及T一s圖的結(jié)構(gòu)水蒸汽p一v圖及T一s圖的結(jié)構(gòu)，可以概括為：一個(gè)點(diǎn)〔臨界點(diǎn)〕；兩條線(xiàn)(AC和BC)；三個(gè)區(qū)〔I、II及III〕。水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程可概括為：三個(gè)階段及五種狀態(tài)。(二)水的熱力性質(zhì)與圖的結(jié)構(gòu)3.6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)零點(diǎn)的規(guī)定，各種狀態(tài)下工質(zhì)參數(shù)的計(jì)算。3.7水蒸汽表和圖明確確定蒸汽狀態(tài)參數(shù)的獨(dú)立變量一、水蒸汽的熱力性質(zhì)表(一)飽和水及飽和蒸汽的熱力性質(zhì)表飽和水及飽和蒸汽表(按溫度排列)的結(jié)構(gòu)飽和水及飽和蒸汽表(按壓力排列)的結(jié)構(gòu)如果知道濕蒸汽的干度x，可按以下公式確定濕蒸汽的狀態(tài)參數(shù)：如果除了壓力(或者溫度)外，還知道濕蒸汽的任意一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，假設(shè)以為例，那么可根據(jù)以及已經(jīng)查得的飽和參數(shù)，先將濕蒸汽的干度求出來(lái)然后，再按上述公式求出濕蒸汽其余的狀態(tài)參數(shù)。(二)未飽和水及過(guò)熱蒸汽的熱力性質(zhì)表未飽和水及過(guò)熱蒸汽表的結(jié)構(gòu)對(duì)于表中為列出得參數(shù)，一個(gè)利用插值法確定，但利用插值法時(shí)應(yīng)注意，不能跨越界限線(xiàn)，假設(shè)遇到此種情況應(yīng)該選用更詳細(xì)的表。二、水蒸汽的焓熵圖焓熵圖。水蒸汽h一s圖的結(jié)構(gòu)。(一)定壓線(xiàn)群通過(guò)推導(dǎo)初的定壓線(xiàn)群的斜率：掌握定壓線(xiàn)群在濕蒸汽區(qū)和過(guò)熱區(qū)的特點(diǎn)。(二)定溫線(xiàn)群通過(guò)推導(dǎo)定溫線(xiàn)群的斜率，并與定壓線(xiàn)群的斜率比擬，說(shuō)明二者的聯(lián)系與區(qū)別。例1假設(shè)水蒸汽在150℃時(shí)，比熵為6.088kJ／(kg·例2試確定壓力為1MPa時(shí)，溫度分別為160℃及200提示①知道壓力或溫度，只能確定該壓力或溫度下的飽和狀態(tài)。eq\o\ac(○,2)假設(shè)知道壓力和溫度，可根據(jù)壓力查出相應(yīng)的飽和溫度，假設(shè)給定的溫度低于飽和溫度，那么為末飽和水；假設(shè)給定的溫度高于飽和溫度，那么為過(guò)熱蒸汽；假設(shè)給定的溫度等于飽和溫度，那么必需再給出一個(gè)獨(dú)立變量才能確定狀態(tài)。eq\o\ac(○,3)假設(shè)知道壓力或溫度，同時(shí)還給出一個(gè)獨(dú)立變量(v，h，s等)，可根據(jù)壓力或溫度查出同名變量的飽和參數(shù)值，假設(shè)給定值為s，且有s＞s〞，那么為過(guò)熱蒸汽；假設(shè)給定值s＜，那么為末飽和水；假設(shè)有，那么為濕蒸汽，可先算出干度x，然后再根據(jù)干度及飽和參數(shù)計(jì)算其它的狀態(tài)參數(shù)。例3試用h一s圖求以下?tīng)顟B(tài)的水蒸汽參數(shù)：①5MPa，干度x＝90%；②溫度為200℃的干飽和蒸汽；eq\o\ac(○,3)0.1MPa，300℃。并將上述三個(gè)狀態(tài)表示在h一s圖上。通過(guò)此題掌握用焓熵圖確定水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)。本章小結(jié)1、理想氣體的概念2、理想氣體狀態(tài)方程式3、理想氣體的比熱容4、定壓比熱與定容比熱5、四種比熱容：6、理想氣體過(guò)程熱量及熱力學(xué)能、焓和熵變的計(jì)算7、水的汽化過(guò)程、水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)、水蒸氣表和圖習(xí)題：1、判斷分析題理想氣體任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)確定后，氣體的狀態(tài)就確定了；理想氣體的定壓比熱CP和定容比熱CV的差值和比值在任何溫度下都是常數(shù)；等容過(guò)程加熱量計(jì)算式可適用于任何氣體。不管是理想氣體還是實(shí)際氣體,當(dāng)其對(duì)真空作絕熱膨脹時(shí),內(nèi)能的變化工質(zhì)吸熱溫度一定升高，放熱溫度一定降低2、比熱容為定值得某理想氣體進(jìn)行一可逆過(guò)程1－2，在圖上為水平線(xiàn)，過(guò)程3－1得焓變和過(guò)程3－2得熱力學(xué)能變化之比為多少？3、理想氣體的比定容比熱，其中為常數(shù)，試導(dǎo)出其熱力學(xué)能、焓和熵的計(jì)算式4、某雙原子理想氣體在定壓下從677℃放熱到37h0，p0，，vh0，p0，，v0AB6、剛性絕熱容器容積為1m3，內(nèi)有空氣壓力為，溫度為。將容器與高壓輸氣管〔其中空氣壓力維持，溫度維持〕相聯(lián)充氣，當(dāng)容器內(nèi)壓力到達(dá)時(shí)閉上閥門(mén)。假設(shè)管道及閥門(mén)均絕熱，求欲在充氣過(guò)程中保持容積中空氣溫度為，需向冷卻水放出的熱量。第4章氣體和蒸汽的根本熱力過(guò)程根本要求：熟練掌握理想氣體四種根本過(guò)程以及多變過(guò)程的初終態(tài)根本參數(shù)之間的關(guān)系；熟練掌握理想氣體四種根本過(guò)程以及多變過(guò)程的熱量、功量的計(jì)算能將各工程表示在和圖上，并能正確利用它們來(lái)判斷過(guò)程的特點(diǎn)。重點(diǎn)與難點(diǎn)熱力過(guò)程計(jì)算公式的掌握；應(yīng)用和圖分析多變過(guò)程的特點(diǎn)。4.1理想氣體的可逆多變過(guò)程〔課時(shí)17、18〕一、方法四個(gè)典型過(guò)程：1.定溫過(guò)程；2.定容過(guò)程；3.定壓過(guò)程；4.定熵過(guò)程。二、研究熱力過(guò)程的目的研究過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，重點(diǎn)討論過(guò)程中能量與機(jī)械能轉(zhuǎn)換這一核心問(wèn)題由的初態(tài)參數(shù)，計(jì)算終態(tài)參數(shù)。三、研究方法根據(jù)過(guò)程的特點(diǎn)，利用狀態(tài)方程式及第一定律解析式導(dǎo)出過(guò)程方程。在圖，圖上表示出來(lái)。因?yàn)閳D能夠清楚地表示出功量為正或負(fù)及直觀地表示出功量的大小。而圖能清楚地表示溫度的升高或降低和熱量的參加或放出及直觀地表示出熱量的大小。3、分析狀態(tài)參數(shù)在過(guò)程中的變化規(guī)律，借助于過(guò)程方程并結(jié)合狀態(tài)方程式找出不同狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系式。從而根據(jù)的初態(tài)參數(shù)求得終態(tài)參數(shù)，或者反之。4、計(jì)算；5、計(jì)算過(guò)程中的。四、研究前提本章主要討論理想氣體的可逆過(guò)程。可逆多變過(guò)程的過(guò)程方程：由，稱(chēng)為多變指數(shù)。上面方程稱(chēng)為多變方程，取不同值，代表不同的過(guò)程。說(shuō)明：1.參數(shù)關(guān)系可得出與絕熱過(guò)程完全一致的關(guān)系，只不過(guò)將換成。那么有：2.過(guò)程中的3.過(guò)程中的多變過(guò)程的比熱：假定多變過(guò)程有比熱，比熱為，那么如何求之呢？由熵的定義〔具體式子將在后面給出〕的計(jì)算：那么=TsⅠⅡⅡⅠ具體到每一過(guò)程，只要值一定，那么比熱TsⅠⅡⅡⅠppvⅠⅡⅡⅠ4.2定容過(guò)程2T102T10sv2p102、過(guò)程方程：3、在壓-容圖或溫-熵圖上表示為4、參數(shù)關(guān)系：〔查理定律〕；5、的計(jì)算：6、的計(jì)算：，那么；那么由第一定律第一解析式〔對(duì)于理想氣體、實(shí)際氣體都適用〕，即定容過(guò)程工質(zhì)不作出膨脹功，加給工質(zhì)的熱量未轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，而是全部用于增加工質(zhì)的內(nèi)能，故定容過(guò)程中內(nèi)能增量等于參加的熱量。對(duì)于理想氣體〔僅適用于理想氣體〕；4.3定壓過(guò)程v2pv2p101T20s2、過(guò)程方程：3、在圖及圖上的表示v2p101T2v2p101T20s對(duì)于定壓過(guò)程應(yīng)用：，而，而，T12s=；T12s那么當(dāng)時(shí)，定容曲線(xiàn)斜率大于定壓曲線(xiàn)斜率，那么有圖示。注意圖上等容線(xiàn)、定壓線(xiàn)的變化趨勢(shì)。4、參數(shù)關(guān)系：5、的計(jì)算6、的計(jì)算=；那么由第一定律第一解析式。s2T101s2T101p20v=04.4定溫過(guò)程1、過(guò)程特點(diǎn)：溫度不變2、過(guò)程方程：p12v3、在圖及p12v注意圖上的趨勢(shì)。4、參數(shù)關(guān)系：5、的計(jì)算：6、的計(jì)算：；；〔上面三式只適用于理想氣體，因?yàn)槎贾贿m用于理想氣體?！?.5絕熱過(guò)程(課時(shí)19、20)1、過(guò)程特點(diǎn)：過(guò)程的每一微元過(guò)程；2、過(guò)程方程：對(duì)于可逆的絕熱過(guò)程，引入熵的定義：，因?yàn)椤Ａ?，那么，將兩邊做不定積分得：此式僅適用于定比熱理想氣體的定熵〔可逆絕熱〕過(guò)程。稱(chēng)為絕熱指數(shù)。3、參數(shù)關(guān)系：過(guò)程方程為pvpvTs4、在圖及圖上的表示；注意絕熱過(guò)程線(xiàn)與等溫線(xiàn)二者陡峭程度。要看陡峭程度，就是看誰(shuí)的偏微分的絕對(duì)值大：定溫時(shí)，過(guò)程方程式為：，那么其全微分為：；pvTsT=consts=constpvTsT=consts=consts=constT=const因?yàn)樗?，所以絕熱過(guò)程線(xiàn)較等溫過(guò)程線(xiàn)更陡。5、過(guò)程中的，對(duì)于變比熱理想氣體絕熱計(jì)算可采用圖表法將編制成表，那么變比熱絕熱計(jì)算公式為，給出求時(shí)，可以由：，再據(jù)，再由計(jì)算功。例；空氣壓氣機(jī)進(jìn)口壓力1bar，27℃和100bar，壓縮過(guò)程為可逆絕熱，求產(chǎn)生1kg壓縮空氣所需要消耗的功〔包括進(jìn)氣、排氣〕4.6理想氣體熱力過(guò)程綜合分析TTs正確地畫(huà)出多變過(guò)程在圖上的相對(duì)位置，是對(duì)過(guò)程進(jìn)行熱力分析的根底和先決條件。例如：〔1〕對(duì)于的空氣，多變壓縮過(guò)程；〔2〕的吸熱過(guò)程。解：先畫(huà)出4個(gè)根本熱力過(guò)程?！?〕，介于定熵和定溫線(xiàn)之間〔確定大致位置〕；過(guò)程特征：壓縮確定方向。〔2〕0.92，，介于等壓、定溫線(xiàn)之間；過(guò)程特征：吸熱〔熵增〕5.過(guò)程根本性質(zhì)的判據(jù)6.值確實(shí)定假設(shè)對(duì)一多變過(guò)程，其初、終態(tài)參數(shù)，求及過(guò)程功，熱量等。解：12T12Tsp1p2其它工程計(jì)算如前。真空例：絕熱的活塞汽缸裝置，用銷(xiāo)釘把活塞固定，汽缸內(nèi)初始狀態(tài)為，，℃的空氣。外界環(huán)境壓力。今去掉銷(xiāo)釘，氣體絕熱膨脹，求空氣膨脹到時(shí)空氣終態(tài)溫度，膨脹功及熵差。真空例：一個(gè)絕熱容器被隔板分成相等的兩局部，左側(cè)有某一狀態(tài)的空氣，右側(cè)為真空，抽去隔板，空氣絕熱膨脹，求空氣的熵變。4.7水蒸氣的根本過(guò)程進(jìn)行熱力分析的目的。注意：1.在計(jì)算時(shí)，凡涉及到理想氣體的公式，如等在計(jì)算蒸汽過(guò)程時(shí)都不能使用。2.至于熱力學(xué)第一定律和第二定律的根本方程以及參數(shù)定義式，如，，，等對(duì)蒸汽均適用。分析蒸汽熱力過(guò)程的一般步驟為：實(shí)際應(yīng)用。例41kg水儲(chǔ)存于有負(fù)載的活塞—?dú)飧籽b置中，壓力為3MPa、溫度為240℃。定壓下對(duì)工質(zhì)慢慢加熱直到其溫度達(dá)320C〔1〕舉起負(fù)載活塞所作的功。〔2〕外界需參加的熱量。例50.1kg的水盛于—絕熱的剛性容器中，工質(zhì)的壓力為0.3MPa、干度為0.763。一攪拌輪置于容器中，由外面的馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直到水全變?yōu)轱柡驼羝?。求：?〕完成此過(guò)程所需的功；〔2〕水蒸氣最終的壓力和溫度。例6汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為＝3MPa、＝450℃，蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹到＝5kPa后排入冷凝器。求：〔1〕可逆絕熱膨脹時(shí)蒸汽的終參數(shù)及汽輪機(jī)所作的功?！?〕假設(shè)蒸汽在汽輪機(jī)中為不可逆絕熱膨脹，引起的墑產(chǎn)為0.2kJ／(kg·K)，問(wèn)汽輪機(jī)作的功為多少?p0p1p0p1如容器爆炸，剛性容器內(nèi)工質(zhì)就快速由1.0MPa可逆絕熱膨脹到0.1MPa，工過(guò)程中做功量為：比擬二者所作的膨脹功即可。習(xí)題課一、判斷分析題：絕熱過(guò)程中氣體與外界無(wú)熱量交換，不能對(duì)外做功，否那么違反熱力學(xué)第一定律。mkg理想氣體從壓力(bar),容積V1(m3)，以可逆定溫過(guò)程膨脹到V2(m3)，過(guò)程的容積功為：。不可逆過(guò)程無(wú)法在T－s圖上表示,也無(wú)法計(jì)算其熵的變化。定比熱理想氣體CO2(絕熱指數(shù)=1.29)進(jìn)行n=1.35的膨脹過(guò)程時(shí)，吸熱，熵增加?？諝膺M(jìn)行一多變過(guò)程，當(dāng)多變指數(shù)n=1.2時(shí),空氣的比熱為負(fù)值。一熱力系統(tǒng)不能經(jīng)歷一等溫、等容過(guò)程。=定值的過(guò)程不一定是等溫過(guò)程。氣體工質(zhì)的比熱可能是正值、負(fù)值、零或無(wú)窮大。氣體工質(zhì)吸熱一定膨脹。10、氣體工質(zhì)的定溫過(guò)程Q=W。二、將以下過(guò)程在圖上表示出來(lái)升壓、升溫、放熱膨脹、降溫、放熱膨脹、放熱膨脹、升壓壓縮、升溫、吸熱壓縮、降溫、降壓放熱、降溫、升壓＝＝＝＝k＝1＝0Ts第5章熱力學(xué)第二定律〔通過(guò)熱力學(xué)第一定律在熱工分析中的作用及其局限性，引出熱力學(xué)第二定律〕熱力學(xué)第一定律解決的問(wèn)題；熱力學(xué)第一定律的局限性；熱力學(xué)第二定律解決的問(wèn)題。一、根本要求深刻領(lǐng)會(huì)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，認(rèn)識(shí)能量不僅有“量〞的多少，而且還有“質(zhì)〞的上下。掌握卡諾定理。掌握熵的意義、計(jì)算和應(yīng)用。掌握孤立系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)熵增的概念及其計(jì)算，從而明確能量損耗的計(jì)算方法。了解用的概念及其計(jì)算。學(xué)會(huì)用熵分析法或用分析法對(duì)熱力過(guò)程進(jìn)行熱工分析，認(rèn)識(shí)提高能量利用經(jīng)濟(jì)性的途徑和方法。二、難點(diǎn)與重點(diǎn)重點(diǎn)：深刻領(lǐng)會(huì)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，認(rèn)識(shí)能量不僅有“量〞的多少，而且還有“質(zhì)〞的上下；并初步學(xué)會(huì)利用可用能來(lái)計(jì)算和衡量能量的質(zhì)；掌握卡諾定理的理論及對(duì)實(shí)際循環(huán)的指導(dǎo)意義；牢固掌握熵的意義、計(jì)算和應(yīng)用。難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)；熵參數(shù)及過(guò)程判據(jù)。5.1熱力學(xué)第二定律〔課時(shí)21、22〕第一定律——熱量和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換時(shí)在數(shù)量上的關(guān)系第二定律——過(guò)程進(jìn)行的方向、條件和深度一、自然過(guò)程的方向性自發(fā)地、無(wú)條件地進(jìn)行的過(guò)程：eq\o\ac(○,1)機(jī)械能和功，可以無(wú)條件地變?yōu)闊崮?；〔電攪拌器、壓氣機(jī)〕eq\o\ac(○,2)高溫物質(zhì)向低溫物質(zhì)的傳熱也是無(wú)條件地進(jìn)行的〔傳導(dǎo)、熱輻射〕；eq\o\ac(○,3)高壓氣體低壓膨脹也是無(wú)條件的〔高壓儲(chǔ)氣罐泄漏，有壓氣體向真空膨脹〕；eq\o\ac(○,4)擴(kuò)散、混合、燃燒、電阻發(fā)熱等都是無(wú)條件的〔不同狀態(tài)氣體的混合，電加熱器〕。高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釀?dòng)力裝置q1q2w0例如：eq\o\ac(○,1)熱機(jī)的正向循環(huán)：其經(jīng)濟(jì)性常用熱效率來(lái)衡量，即：〔可逆和不可逆皆適用〕?！病?。注意，此處我們用的是絕對(duì)值。愈大，即吸入同樣的熱量時(shí)得到的循環(huán)功愈多。它說(shuō)明循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性愈高。高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋岜?、制冷機(jī)q1q2高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋岜谩⒅评錂C(jī)q1q2Wnet低溫向高溫傳熱的非自發(fā)過(guò)程伴隨著一自發(fā)過(guò)程〔功轉(zhuǎn)換為熱〕作為補(bǔ)充條件。制冷機(jī)和熱泵：制冷機(jī)。制冷系數(shù)：熱泵。熱泵系數(shù)為：對(duì)于制冷機(jī)可大于1，也可小于1，而熱泵的熱泵系數(shù)必定大于1。而正循環(huán)的熱效率總小于1。熱過(guò)程具有方向性。二、熱力學(xué)第二定律的幾種說(shuō)法1、Clausius說(shuō)法：在這一表述中一定要注意限制條件，熱可以由低溫物體通過(guò)制冷或熱泵裝置傳遞到高溫物體，但這非自發(fā)的，在過(guò)程中是以消耗功或熱量為代價(jià)的。2、Kelvin說(shuō)法：高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2Q1Q2WnetQ2E高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2RQ1Q2Q2EW思考題：有人說(shuō)，理想氣體在定溫過(guò)程中，從熱源吸入的熱量可以全部轉(zhuǎn)化為功，是否矛盾。Clausius和Kelvin說(shuō)法等效性的論證。5.2卡諾循環(huán)和多熱源可逆循環(huán)分析δδq=0δq=0q1q2T2T1dabcpv一、卡諾循環(huán)eq\o\ac(○,1)在恒溫?zé)嵩粗g工作的可逆循環(huán)。eq\o\ac(○,2)兩個(gè)定溫過(guò)程，兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程在圖圖上可表示為：效率：=q1q2q1q2T2T1dabcTs結(jié)論?？ㄖZ循環(huán)及其熱效率公式的意義。實(shí)際過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的難度。二、概括性卡諾循環(huán)eq\o\ac(○,1)在恒溫?zé)嵩粗g工作的可逆循環(huán)。eq\o\ac(○,2)兩個(gè)可逆定溫過(guò)程，兩個(gè)同類(lèi)型的其他可逆過(guò)程〔理想氣體時(shí)，多變指數(shù)相同〕在圖上可表示為?；?zé)帷８爬ㄐ钥ㄖZ循環(huán)的熱效率：==3214逆卡諾循環(huán)563214逆卡諾循環(huán)56總的吸熱量為：，放熱量為，那么熱效率降低。所以回?zé)崾翘岣邿嵝实囊环N行之有效的方法〔習(xí)題2采用極限回?zé)岷筒徊捎没責(zé)釙r(shí)的熱效率〕。三、逆向卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)。T1bsT1bsaTl1T1snm2ABdelcCDgT2供暖系數(shù)：四、多熱源的可逆循環(huán)一般循環(huán)熱效率為：引入平均吸熱溫度和平均放熱溫度的概念，〔強(qiáng)調(diào)平均吸熱溫度、平均放熱溫度的定義式，必須掌握〕那么平均吸熱溫度、平均放熱溫度引入的意義5.3卡諾定理不可逆機(jī)Q2A不可逆機(jī)Q2AWA-WBQ1可逆機(jī)Q2BWBQ1WA高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2Q1Q2BWBQ2BAQ1Q2A高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2Q1Q2BWBQ2BAWA-WBQ1Q2A定理一：證明〔在這里要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用反證法證明根本熱力學(xué)定理〕。定理二〔利用卡諾循環(huán)和概括性卡諾循環(huán)的分析結(jié)論引出〕證明〔證明時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)可逆的概念〕卡諾定理的重要意義，熱效率方面的重要結(jié)論：1、在兩個(gè)熱源間工作的一切可逆循環(huán)，他們的熱效率都相同，與工質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)，只決定于熱源和冷源的外呢度，熱效率都可表示為：=2、溫度界限相同，但具有兩個(gè)以上熱源的可逆循環(huán)，其熱效率低于卡諾循環(huán)。3、不可逆循環(huán)的熱效率比小于同樣條件下的可逆循環(huán)的熱效率。4卡諾定理指出了熱效率的極限值，這一極限值僅與熱源及冷源的溫度有關(guān)。由于都不可能，因此熱機(jī)熱效率恒小于1。5提高熱效率的根本途徑在于提高熱源溫度，降低冷源溫度，以及盡可能減少不可逆因素。6由于不花代價(jià)的低溫?zé)嵩吹臏囟葹榇髿猸h(huán)境溫度，那么溫度為的熱源放出的熱量最多只能有可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。無(wú)論如何也不可能轉(zhuǎn)化為功。這就提示了熱變功的極限。5.4熵、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式〔課時(shí)23、24〕aabcdpvababcdTs利用可逆微卡諾循環(huán)的研究結(jié)果作得到1-代數(shù)式的回歸：有個(gè)卡諾循環(huán)，每一個(gè)都成立，積分，那么可：引出熵參數(shù)的性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。二、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)于可逆循環(huán)有克勞修斯積分等式，對(duì)于不可逆循環(huán)又入如何呢？ababcdTs利用卡諾定理二得出：1-那么積分克勞修斯不等式。那么綜合克勞修斯等式可得：。此為用于判斷循環(huán)過(guò)程是否可逆的熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。且abab21Ts〔由熵是狀態(tài)參數(shù)推出，熵的定義〕即可逆過(guò)程對(duì)不可逆過(guò)程又如何呢？利用熵為狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)推導(dǎo)與熵的定義式一起可歸并為：或此為判斷熱力過(guò)程是否可逆或能否實(shí)現(xiàn)的判據(jù)。凡討論和分析不可逆過(guò)程和循環(huán)的特性問(wèn)題，如過(guò)程進(jìn)行的方向，不可逆過(guò)程的判定等，應(yīng)由不等式出發(fā)，有關(guān)可逆過(guò)程和循環(huán)的問(wèn)題，應(yīng)由等式出發(fā)。例5.1有一制冷循環(huán)，從溫度為-20℃的恒溫冷源中吸熱180kJ，向溫度為20解法一：由制冷系數(shù)判斷，由于同溫限的逆向循環(huán)中，逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，所以，即：解法二：涉及到循環(huán)能否實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，故可嘗試用克勞修斯積分判據(jù)來(lái)判斷：3、相對(duì)熵和熵變量計(jì)算相對(duì)熵。理想氣體的基準(zhǔn)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即：理想氣體：0.101325MPa，273.15K時(shí)，；水和水蒸氣取三相點(diǎn)時(shí)液態(tài)水的熵為0，即：MPa，273.16K時(shí)，，。熵變結(jié)果計(jì)算。對(duì)于固體和液體的熵變或假設(shè)過(guò)程出現(xiàn)相變〔此處讓學(xué)生接受熱力參量的變化可根據(jù)過(guò)程特點(diǎn)分段計(jì)算〕，如工質(zhì)為水：過(guò)冷水—飽和水——飽和蒸汽——過(guò)熱蒸汽〔定壓過(guò)程〕2：=；3：；3—4：=那么：++。5.5熵方程按照一般方程式推導(dǎo)，重點(diǎn)引入孤立系統(tǒng)熵增原理應(yīng)用。1a2bTs1a2bTs一、閉口系統(tǒng)的熵方程分析?？烧韶?fù)，看的正負(fù)，吸熱，放熱。二、開(kāi)口系〔控制體積〕熵方程〔分清控制體熵變和進(jìn)出口熵變〕或+熱熵流質(zhì)熵流熵產(chǎn)可見(jiàn)：控制體積的熵變=熵產(chǎn)+熵流在有限時(shí)間內(nèi)：注意：1=，為過(guò)程量，所以為過(guò)程量；=，為過(guò)程量，所以為過(guò)程量。相同的初、終態(tài)不同的過(guò)程，，可以不同，但綜合效應(yīng)，卻相同。2對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)：，那么穩(wěn)定流動(dòng)熵方程為：有限時(shí)間內(nèi)：1kg工質(zhì)：；對(duì)于絕熱系：5.6孤立系統(tǒng)熵增原理〔課時(shí)25、26〕將過(guò)程判據(jù)應(yīng)用于絕熱系統(tǒng)，可逆絕熱過(guò)程，故稱(chēng)為定熵過(guò)程；p1pp1p2Ts2s2汽輪機(jī)p2p1Ts1壓氣機(jī)122s即不可逆的絕熱過(guò)程中，工質(zhì)的熵一定增大。一、孤立系熵增原理：應(yīng)用過(guò)程判據(jù)于孤立系：對(duì)于微元過(guò)程：說(shuō)明：孤立系內(nèi)部發(fā)生不可逆變化時(shí)，孤立系的熵增大，；發(fā)生可逆變化時(shí)，孤立系的熵不變，；使孤立系的熵減少的過(guò)程不可能實(shí)現(xiàn)。孤立系的熵是組成