《工程熱力學》 課件第0-2章 緒論、基本概念、熱力學第一定律

緒論一、熱能及其利用1、熱能能源：為人類生產(chǎn)與日常生活提供各種能量和動力的物質(zhì)資源。（自然界中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可資利用的能源？）熱能：組成物質(zhì)的大量分子作雜亂而不規(guī)則運動所具有的能量（無序能）。從自然界獲得的能源主要是熱能。如：燃料→煤、油、氣等太陽、地熱、原子裂變與聚變產(chǎn)生的能風力、水力產(chǎn)生的能→熱能→機械能。1一、熱能及其利用2、熱能利用的基本形式熱利用（直接利用）：如，冶金、化工、烘干、供暖等。動力利用（間接利用）：將熱能轉換成其它形式的能量加以利用

。如，電廠、飛機、船舶、火車等。3、國家能源政策介紹提高能源的有效利用率；減少對自然環(huán)境的破環(huán)和污染；開發(fā)新能源。2緒論二、熱力學發(fā)展簡史1、熱力學(Thermodynamaics)

熱力學是研究各種形式的能量、能量相互轉換及其與物質(zhì)性質(zhì)之間關系的科學。2、發(fā)展總模式實踐→理論→新實踐→新理論（產(chǎn)生→發(fā)展）3沒有學過大學物理的人不了解熱力學定律，因此第二類永動機不容易識破，比較有欺騙性。第一臺這樣的永動機是1881年約翰·嘎姆吉（JohnGamgee）為美國海軍設計的“零發(fā)動機”，設想讓汽缸內(nèi)的液氨從海水中吸收熱量汽化產(chǎn)生蒸氣推動活塞，氨蒸氣冷卻后又凝結成液氨，如此循環(huán)往復。這臺機器從未能完成一個循環(huán)（因為氨蒸氣不可能自動冷卻凝結成液體），但是嘎姆吉還是設法把它賣給了美國海軍，美國海軍部長還拿去展示給美國總統(tǒng)看。中國，王洪成，黃維也是永動機的熱心者。阿基米得螺旋永動機

馬爾基斯永動機第一類永動機4階段時期實際發(fā)明實際應用理論發(fā)展初始階段18世紀初期原始蒸汽機-抽水機（英國）水利灌溉19世紀初期蒸汽機機車和船舶1824年：卡諾定理與卡諾循環(huán)（熱能變機械能的條件）；1840-1851年：邁耶、焦爾等建立了熱力學第一定律；1850-1851年：克勞修斯和湯姆遜先后提出了熱力學第二定律?？焖侔l(fā)展階段19世紀末期汽輪機內(nèi)燃機電廠交通動力機蒸汽、氣體性質(zhì)及其低速流動。內(nèi)燃機熱力過程、熱力循環(huán)既提高熱效率20世紀中后期燃氣輪機噴氣發(fā)動機聯(lián)合發(fā)電飛機、火箭燃氣-正氣聯(lián)合循環(huán)噴管及氣體高速流動近代發(fā)展階段近20-30年燃料電池（化學能→電能）溫差電池（熱能→電能）磁流體發(fā)電(熱能→電能）新能源開發(fā)(太陽能、地熱)能量直接轉化技術節(jié)能裝置和設備化學熱力學新循環(huán)、新工質(zhì)5緒論三、工程熱力學的研究對象及主要內(nèi)容工程熱力學主要研究熱能與機械能之間相互轉換的規(guī)律。主要目的在于建立熱機理論。2.研究對象

在各種能量轉換裝置中，通過研究工質(zhì)的性質(zhì)以及工質(zhì)狀態(tài)的變化所實現(xiàn)的能量轉換規(guī)律，找出提高能量轉換效率的途徑。能量轉換裝置（工程對象）熱能動力裝置：實現(xiàn)將熱能轉換成機械能、為人類提供動力的裝置。制冷裝置：消耗熱能或機械能、將熱從低溫移向高溫的裝置。6物質(zhì)整體作規(guī)則運動所具有的能量，也稱有序能。

為了使熱能動力裝置更有效地實現(xiàn)熱能向機械能的轉換、使制冷裝置更有效地實現(xiàn)熱能從低溫向高溫的輸運，必須充分掌握有關能量及其相互轉換規(guī)律的知識——工程熱力學的知識。

7主要內(nèi)容：

1）基本概念與基本定律：熱能和機械能之間相互轉換的客觀規(guī)律。

2）工質(zhì)的熱力性質(zhì)。

3）各種能量轉換裝置的工作過程和工作循環(huán)分析。最終目的：找出提高能量轉換效率的途徑。

8緒論三、工程熱力學的研究對象及主要內(nèi)容3、課程主要內(nèi)容（四部分）基本概念：如熱力系、平衡狀態(tài)、過程、循環(huán)等?；径桑簾崃W第一、二定律，卡諾定理等。工質(zhì)性質(zhì)：工質(zhì)是實現(xiàn)能量轉換的媒介。理想氣體、水蒸汽、濕空氣等。工程應用：壓縮機、蒸汽動力循環(huán)、氣體動力循環(huán)、制冷循環(huán)等9緒論四、熱力學的研究方法

1、宏觀方法：視物質(zhì)為連續(xù)體，用宏觀物理量來描述它大量出現(xiàn)的現(xiàn)象中普遍、基本、系統(tǒng)的規(guī)律演繹、推論指導意義的結論高度的可靠性和普遍性10緒論四、熱力學的研究方法

2、微觀方法構成---把物質(zhì)看成是由大量粒子構成；依據(jù)---應用力學定律說明分子的運動，用統(tǒng)計方法得出分子的平均性質(zhì)；揭示---現(xiàn)象的本質(zhì)及內(nèi)在原因，稱為統(tǒng)計熱力學。特點---數(shù)學模型復雜；結果過不準，修正于實際工程；能透徹解釋現(xiàn)象的本質(zhì)。3、宏觀方法與微觀方法是有本質(zhì)的區(qū)別對于相同的研究對象時，應獲得一致的結論。如，壓力。工程熱力學主要以宏觀的方法為主導。11緒論五、學習工程熱力學的一般方法1、抓住課程主線熱能轉換成機械能的規(guī)律方法、提高熱效率以及熱能利用的經(jīng)濟性。理論與應用有機結合。2、宏觀方法中突出?；椒ㄑ芯烤唧w問題3、重視在作業(yè)和練習中計算能力及解決問題能力培養(yǎng)模型化方法定義：采用抽象、概括、理想化和簡化的方法建立起模型。舉例：空氣可以理想化為理想氣體---工質(zhì)模型化；汽輪機可以視為決熱膨脹作功---過程模型化（絕熱）、邊界模型化（入出口和殼體）。12第一章基本概念BasicConceptsandDefinition本章主要內(nèi)容：工質(zhì)、熱力系統(tǒng)；熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)；平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖；準平衡過程、可逆過程；功、熱量;熱力循環(huán)、正向循環(huán)、逆向循環(huán)。一、熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。2.分類內(nèi)燃機(internalcombustiongasengine)燃氣輪機動力裝置(gasturbinepowerplant)蒸汽動力裝置(steampowerplant)……噴氣動力裝置(jetpowerplant)1-1熱能和機械能相互轉換過程energyconversiontypicalexamples3.典型舉例(制冷裝置的特殊性)

吸熱、膨脹逆行內(nèi)燃機：送燃料（油+空氣）────→作功────→排氣蒸汽動力裝置:送燃料→燃燒(放熱)→過熱蒸汽(吸熱)→作功(汽體膨脹)↑←──送回鍋爐←──冷凝水←────↓能量轉換的媒介---工質(zhì)（燃氣、蒸汽）。膨脹性---作功。雙熱源---吸熱、放熱。4.動力裝置的普遍規(guī)律二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義在能量轉換裝置中，實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質(zhì)2.對工質(zhì)的要求1）膨脹性；2）流動性；3）熱容量；4）穩(wěn)定性，安全性；5）對環(huán)境友善；6）價廉，易大量獲取。物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。三、熱源(heatsource;heatreservoir)定義工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。2.分類高溫熱源（熱源—

heatsource

）---低溫熱源（冷源—heatsink）恒溫熱源(constantheatreservoir)---變溫熱源（variationalheatreservoir）1-2熱力系統(tǒng)(thermodynamicsystem)1、熱力系統(tǒng)的定義熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))---system：人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)；人為分離出來的研究對象。外界--surrounding

：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。邊界--boundary：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。邊界面特征：真假性---邊界面可以是真可以是假；動靜性---邊界面可以是運動的也可以是靜止的；多變性---邊界面尺寸和形狀可以變化。熱力系統(tǒng)選取的人為性：鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器只交換質(zhì)量只交換熱量既交換質(zhì)量也交換熱量2.熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關系劃分：

有無是否傳質(zhì)開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳熱、質(zhì)非孤立系孤立系1234mQW1

開口系非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系4.熱力系統(tǒng)示例圖剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側設有電熱絲。紅線內(nèi)——閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系藍線內(nèi)——孤立系1-3工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)(Stateandstateproperties)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)的描述1.熱力學狀態(tài)—stateofthermodynamicsystem—系統(tǒng)工質(zhì)在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況，稱為工質(zhì)的熱力學狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。2.狀態(tài)參數(shù)—stateproperties—用來描述系統(tǒng)所呈現(xiàn)的物理狀況的物理量。1）狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的平均效應，只有工質(zhì)處于平衡狀態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如2）狀態(tài)參數(shù)的特性

狀態(tài)參數(shù)—狀態(tài)的單值函數(shù)：狀態(tài)一定，狀態(tài)參數(shù)一定；反之狀態(tài)參數(shù)一定，所描述的狀態(tài)一定；

狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關：狀態(tài)參數(shù)的變化，僅與狀態(tài)變化過程的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關，與變化過程無關；其變化量等于起始狀態(tài)和終了狀態(tài)參數(shù)的差值；工質(zhì)完成一個循環(huán)（封閉過程）時，狀態(tài)參數(shù)變化量為零。狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。數(shù)學上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)pointfunction1

2ab例：溫度變化山高度變化←3）狀態(tài)參數(shù)分類：

強度參數(shù)(Intensiveproperties

)：與物質(zhì)的量無關的參數(shù)。如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)(Extensiveproperties

)：與物質(zhì)的量有關的參數(shù)

可加性。如質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S。比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度參數(shù)的性質(zhì)。強度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動能高度

位能

內(nèi)能溫度應力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol二、基本狀態(tài)參數(shù)(Basicstateproperties)壓力

p、溫度T、比容v（容易測量）1、壓力p(pressure)

物理中壓強，單位:Pa(Pascal),N/m21）常用單位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104

Pa2）壓力p測量絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值—相對壓力（表壓、真空度）注意：只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力當p

>pb表壓力pe當p

<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure溫度的熱力學定義？熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計2、溫度T(Temperature)傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量。溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系統(tǒng)，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量

溫度。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。Temperaturemeasurement溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度Scale溫標TemperaturescaleReferencestate3）溫標(Temperaturescale)

熱力學溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）

華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)

朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用溫標之間的關系絕對K攝氏℃

華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.67朗肯R溫標的換算3、比容v(specificvolume)[m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度，物理上常用密度density

[kg/m3]。重度與密度關系：1-4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖一、平衡狀態(tài)（Equilibriumstate）1.定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。2.平衡的類型(ManytypesofEquilibrium)熱平衡Thermalequilibrium:

力平衡Mechanicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium化學平衡Chemicalequilibrium

1）熱平衡若熱力系統(tǒng)內(nèi)部的溫度各部分均勻一致且等于外界的溫度，則此熱力系統(tǒng)處于熱平衡。

溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢Unbalancedpotentials2）力平衡若熱力系統(tǒng)內(nèi)部無不平衡的力且作用在邊界上的力和外力相平衡，則此熱力系統(tǒng)即處于力平衡。壓差

Pressuredifferential力不平衡勢Unbalancedpotentials3）化學平衡4）相平衡Phaseequilibrium:不平衡的動力：相不平衡勢Unbalancedpotentials平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢。Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials.3.平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定。二、狀態(tài)方程式（Equationofstate）平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)獨立狀態(tài)參數(shù)想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)方程式2）定義：基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關系。1）純物質(zhì)：各部分組成均勻、化學成分恒定不變的物質(zhì)稱為純物質(zhì)。狀態(tài)方程的具體形式：取決于工質(zhì)的性質(zhì)理想氣體的狀態(tài)方程(Ideal-GasEquationofState)三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖(diagramofstateproperties)簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上；說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)；常見p-v圖、T-s圖和h-s圖213）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示。1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1.定義系統(tǒng)從一個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)變化到另一狀態(tài)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)的綜合，稱為熱力過程。一、熱力過程2.應用熱力過程中，熱力系與外界常伴有功和熱的交換，要研究功和熱的總結果只需分析兩端狀態(tài)；要研究功和熱的過程（損失）變化，則需剖析不同的具體過程。二、準平衡（靜態(tài)）過程(quasi-static,orquasi-equilibrium)1.準平衡（靜態(tài)）過程引入平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學引入準平衡（靜態(tài)）過程恩格斯指出：“只有微分學才能使自然科學有可能用數(shù)學來不僅僅表明狀態(tài)，并且也表明過程：運動?！?）一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0p12..V2）準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有無限多層，每次只去掉無限薄一層，系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)。pv12...3）準靜態(tài)過程實際意義既是平衡，又是變化。既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉換。疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>Relaxationtime有足夠時間恢復新平衡

準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程的工程應用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉/分曲柄2沖程/轉，0.15米/沖程活塞運動速度=2000

2

0.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程。具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛?.準平衡過程定義由無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組成的過程稱為準平衡過程。3.準平衡與平衡態(tài)的區(qū)別平衡態(tài)△p=0,△T=0；準平衡△p→0,△T→0；4.準平衡過程特征

1）平衡態(tài)的破壞離平衡態(tài)非常近；

2）破壞平衡態(tài)的速度遠遠小于工質(zhì)內(nèi)部分子運動的速度。三、可逆過程和不可逆過程(ReversibleProcessandirreversibleProcess)1.可逆過程對于一個系統(tǒng)，當它發(fā)生一個過程，可以逆向運行，系統(tǒng)和外界與原來初態(tài)比較都不發(fā)生任何變化，稱此過程為可逆過程。系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。1）定義2）實例FPαf非準靜態(tài)過程—nonequilibriumprocess準靜態(tài)過程，不可逆。準靜態(tài)過程，可逆。3）可逆過程特點：工質(zhì)和外界恒處于平衡狀態(tài)，且無任何摩擦現(xiàn)象；過程進行無限緩慢；變化過程中，無任何能量的不可逆損失，或者無任何耗散效應。準靜態(tài)過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）耗散效應Dissipativeeffect2.不可逆過程1）定義除了可逆過程以外的熱力過程。在工程實際中的過程都是不可逆過程，只是有些我們可以近似簡化成可逆過程。

不平衡勢差

不可逆根源耗散效應

irreversibility2）不可逆根源Heattransfer3）常見的不可逆過程

Frequentlyencounteredirreversibilities不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2Throttler混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????其它不可逆過程：如摩擦、燃燒、爆炸、電流能量損失等。3.準靜態(tài)過程與可逆過程區(qū)別準靜態(tài)過程：工質(zhì)內(nèi)部平衡過程，外部可以不平衡。可逆過程：工質(zhì)內(nèi)部，工質(zhì)與外界處于平衡狀態(tài)，且無摩擦。可逆過程必然是準靜態(tài)過程，而準靜態(tài)過程卻不一定是可逆過程?；蛘哒f：可逆的一個條件是準靜態(tài)過程；另一個條件是“無耗散效應”。可逆過程的實質(zhì)：過程中能量耗損=0，理論上由熱變功應為最大（MAX），而在需功過程中，輸入功為最小（Min）。相反，不可逆總是降低工程的效率。準靜態(tài)及可逆過程均可以在坐標圖中表示和分析。1-6過程功和熱量(Work,HeatandEntropy)一、功1.功的定義熱力學定義1：當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結為取起重物，此即為熱力系對外作功。熱力學定義2：功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。力學定義：力

在力方向上的位移。2.容積功定義由于工質(zhì)容積的變化而與外界交換的功叫做容積功。它包括膨脹功和壓縮功，均可以表示為注意：1）只要有熱能與機械能間轉換，則一定存在膨脹功和壓縮功；2）容積功適用于封閉熱力系，也適用于開口熱力系。原因在于

3.可逆過程中功的導出取1kg工質(zhì)，過程1-2所做的功：

取mkg工質(zhì)，過程1-2所做的功：

容積變化功在p-v圖上的表示。4.有用功(usefulwork)概念其中

W—膨脹功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wp=排斥大氣功pbf5.不可逆過程功的計算?6.關于功的討論功不是狀態(tài)參數(shù)，而是過程函數(shù)。容積功是一種邊界效應，是通過邊界的一種能量交換。工質(zhì)膨脹對外界做功（膨脹功）為正，壓縮工質(zhì)所消耗的功（壓縮功）為負。容積功既適用于封閉熱力系也適用于開口熱力系。二、熱量1.熱量定義依靠溫差而傳遞的能量稱為傳熱量，簡稱熱量。[能量：是物質(zhì)運動的量度，它表明物質(zhì)運動的形式和運動的激烈程度。][熱能：是組成物質(zhì)的大量分子、原子做雜亂而不規(guī)則運動所具有的能量，也稱為無序能。][機械能：是物質(zhì)整體做規(guī)則運動所具有的能量，也稱為有序能。]熱量單位：

2.熱量的特點熱量是熱傳遞過程中，物質(zhì)內(nèi)部熱能改變的量度。熱量是系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量是過程函數(shù)，而不是狀態(tài)參數(shù)。在相同的初、終狀態(tài)條件下，定壓過程所加的熱量比定容過程多（因為定壓過程還要額外做膨脹功）。傳入熱力系的熱量為正值，傳出熱力系的熱量為負值。3.熵和溫熵圖1）功和熱量對比引出熵功和熱量是能量傳遞的兩種形式；功---由壓差的作用而傳遞的能量，熱量---有溫差的作用而傳遞的能量；在可逆過程中：熱力系與外界交換的功量為，即或；在可逆過程中：熱力系與外界交換的熱量為，即；因此，引入新的狀態(tài)參數(shù)s，它的改變標志有傳熱。2）示功圖與示熱圖對比pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖3）T-S圖分析熱力系熵增，表示對工質(zhì)加熱，過程曲線向右延伸；熱力系熵減，表示工質(zhì)對外界放熱，過程曲線向左延伸；熱力系熵變等于零，表示熱力系與外界無熱量交換，即絕熱。熱和功都是瞬變現(xiàn)象。熱和功都是邊界現(xiàn)象。熱和功都是過程函數(shù)。熱和功的符號定義不同。熱和功的傳遞動力不同。功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志；熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志。4.熱和功的比較功和熱的本質(zhì)不同。功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。1-7熱力循環(huán)-Cycle要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構成循環(huán)。1.定義熱力系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)后，返回到初始狀態(tài)所完成的一個封閉的熱力過程，稱為熱力循環(huán)。2.循環(huán)和過程Cycleandprocess循環(huán)由過程構成不可逆循環(huán)可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)1234PvTs1234可逆循環(huán)和內(nèi)可逆循環(huán)

可逆循環(huán)：由可逆過程組成的循環(huán)，不存在任何耗散現(xiàn)象。

內(nèi)可逆循環(huán)：僅在系統(tǒng)工質(zhì)與熱源之間存在溫差傳熱，不存在其他耗散現(xiàn)象。循環(huán)凈功和循環(huán)凈熱量

循環(huán)凈功：構成循環(huán)的各過程功的代數(shù)和，P-V圖循環(huán)曲線所圍的面積表示循環(huán)凈功的大小。

循環(huán)凈熱量：構成循環(huán)的各過程熱量的代數(shù)和，T-S圖循環(huán)曲線所圍的面積表示循環(huán)凈熱量的大小。3.正向循環(huán)pVTS凈效應：對外作功凈效應：吸熱順時針方向2112動力循環(huán)Powercycle4.逆向循環(huán)pVTS凈效應：對內(nèi)作功凈效應：放熱逆時針方向2112制冷循環(huán)Refrigerationcycle5.熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)：凈效應（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環(huán)：熱效率逆循環(huán)：凈效應（對內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)制熱循環(huán)：制熱（供暖）系數(shù)第一章思考題與習題

思考題：1-1，1-2，1-3，1-4，1-7，1-11，1-12，1-13，1-14，1-15

習題：1-7，1-16，1-22，1-23第一章完

EndofChapterone第二章

熱力學第一定律HeatisEnergyTemperatureofthewaterrisesifeither:heatisaddedworkisdoneSinceworkisenergy,heatmustbeenergyaswell實質(zhì)：能量守恒及轉換定律在熱現(xiàn)象中的應用

18世紀初，工業(yè)革命，熱效率只有1%

1842年，J.R.Mayer闡述熱力學第一定律，但沒有引起重視

1840-1849年，Joule用多種實驗的一致性證明熱力學第一定律，于1850年發(fā)表并得到公認§2-1熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學第一定律的普遍表達式進入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)中儲存能量的增加適用于任何過程任何熱力系第一定律的表述：熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能的時候，他們之間的比值是一定的。或：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?；一定量的熱消失時必定產(chǎn)生相應量的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之相應量的熱。閉口系循環(huán)的熱力學第一定律表達式要想得到功，必須花費熱能或其它能量

熱力學第一定律又可表述為“第一類永動機是不可能制成的”內(nèi)動能（分子平移，旋轉，振動）內(nèi)位能（分子間作用力）化學能（維持一定的分子結構）原子能（原子核內(nèi)部）§2-2熱力學能和總能熱力學能的組成：如果無化學反應，無核反應，熱力學能＝內(nèi)動能＋內(nèi)位能物質(zhì)內(nèi)部擁有的能量稱為熱力學能，即由系統(tǒng)熱力狀態(tài)確定的系統(tǒng)本身的能量。熱力學能的導出（I）任一閉口熱力系統(tǒng)的循環(huán)熱力學能的導出（II）對于循環(huán)1a2c1對于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)（dU）pV12abc熱力學能U的物理意義dU

=

Q

-

W

W

QdU代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的微熱量與微功量兩者之差值，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。U

代表儲存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲存能（內(nèi)能、熱力學能）熱力學能及閉口系熱力學第一定律表達式定義

dU=

Q

-

W

熱力學能U

——

狀態(tài)函數(shù)

Q

=

dU

+

WQ

=

U

+

W閉口系熱力學第一定律表達式?。?！兩種特例

Q

=

dU

絕熱系絕功系

W

=-

dU熱力學能的性質(zhì)分子動能（移動、轉動、振動）分子位能（相互作用）核能化學能熱力學能

熱力學能是狀態(tài)參數(shù)

U:

廣延參數(shù)

[kJ]

u:

比參數(shù)

[kJ/kg]

熱力學能總以相對量出現(xiàn)，熱力學能零點人為定說明：系統(tǒng)總能外部儲存能宏觀動能Ek=mc2/2機械能系統(tǒng)總能E=

U

+

Ek

+Epe=

u

+ek+

ep宏觀位能Ep=mgz用比參數(shù)表示的系統(tǒng)總能§2-3能量的傳遞和轉化一、能量傳遞的兩種方式■作功伴隨著能量形態(tài)的變化物體的宏觀位移特點TheareaunderthecurveistheworkTheworkdependsontheprocesspath作功的說明“作功”是系統(tǒng)與外界間的一種相互作用，是越過系統(tǒng)邊界的能量交換。功是指作功過程中在傳遞著的能量的總稱，過程一旦結束就再無所謂功。機械能與機械功、電能與電功等同嗎？

系統(tǒng)可以擁有電能，機械能，但決不會擁有電功、機械功之類的功。功只不過是特定條件下在過程中傳遞著的能量。系統(tǒng)是否作功應以過程在外界所引起的效果來判斷，而不應從系統(tǒng)的內(nèi)部去尋找依據(jù)，對系統(tǒng)的內(nèi)部來說無所謂“功”。功是有序能量傳遞。系統(tǒng)與外界之間的另一種相互作用，是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差進行的一種能量傳遞現(xiàn)象，所傳遞的能量稱為熱量。傳熱熱量符號規(guī)定：

系統(tǒng)從外界吸熱為正；向外界放熱為負熱能和熱量不是同一個概念溫差雖然是傳熱過程的推動勢差，但是系統(tǒng)溫度的變化與傳熱并無必然的聯(lián)系。溫度變化說明系統(tǒng)的狀態(tài)有了變化但不能由此判斷出系統(tǒng)是否曾經(jīng)吸熱或放熱熱能是微觀粒子無序紊亂運動的能量熱量符號規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；向外界放熱為負not傳熱FlowWorkIttakesworktopushafluidintoasystemIttakesworktopushafluidoutofasystemF=PAWflow=FL=PAL=PV推動功的表達式推進功、推出功Adl

W推進=

Pin

Ain

dl

=

PinVin

w推進=

pinvin注意：不是

pdv

v沒有變化pin同理

W推出=

Pout

Vout

w推出=

poutvout流動功的定義流動功定義為開口系統(tǒng)的推出功與推進功之差

是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動所需的功

對推動功的說明1、與宏觀流動有關，流動停止，推動功不存在2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關，是狀態(tài)量4、并非工質(zhì)本身的能量（動能、位能）變化引起，而由外界做出，流動工質(zhì)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質(zhì)進出系統(tǒng)時所攜帶和所傳遞的一種能量§2-4焓（Enthalpy)

定義：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是狀態(tài)量（以相對值給定）2、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h為比參數(shù)3、對流動工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推動功)

對靜止工質(zhì)，焓不代表能量4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。§2-5熱力學第一定律的基本能量方程式熱力學第一定律:能量守恒與轉換定律進入系統(tǒng)的能量

-

離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的增加熱力學第一定律的文字表達式:加入系統(tǒng)的能量總和—熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲存能的增量EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dEEE+dE或

對閉口系，

忽略宏觀動能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—

熱功的基本表達式閉口系能量方程

W

Q

Q

=dU

+

W(輸入)（貯增）（輸出）

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w單位工質(zhì)適用條件：1）任何工質(zhì)2)任何過程閉口系能量方程中的功功（

w）

是廣義功

閉口系與外界交換的功量

q

=du

+

w準靜態(tài)容積變化功

pdv拉伸功

w拉伸=-

dl表面張力功

w表面張力=-

dA

w

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...熱力學第一定律解析式之一簡單可壓縮物質(zhì)控制質(zhì)量可逆過程能量方程簡單可壓縮系的可逆過程僅存在容積功

w=pdv簡單可壓縮系可逆過程

q=Tds

q

=

du

+

pdv

q

=

u

+

pdvTds=du+pdv

Tds=

u+pdv熱力學恒等式討論：2）對于可逆過程3）對于循環(huán)4）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關系，還取決于W的“+”，“–”，大小。1）任何工質(zhì)，任何過程。例自由膨脹如圖，抽去隔板，求解：取氣體為熱力系

—閉口系？開口系？?強調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。歸納熱力學解題思路1）取好熱力系2）計算初、終態(tài)

3）兩種解題思路從目標反過來缺什么補什么從已知條件逐步推向目標4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手【例2-1】

如圖所示，閉口系內(nèi)的一定量氣體由狀態(tài)1經(jīng)1a2變化至狀態(tài)2，吸熱70kJ，同時對外做功25kJ，試問：（1）工質(zhì)若由1經(jīng)1b2變化到2時，吸熱為90kJ，則對外做功是多少？（2）若外界對氣體做功30kJ，迫使它從狀態(tài)2經(jīng)2c1返回到狀態(tài)1，則此返回過程是吸熱過程還是放熱過程？其值為多少？【例2-1】解

（1）熱力系經(jīng)歷1a2過程后，吸熱Q=70kJ，對外做功W=25kJ，

因熱力學能是狀態(tài)參數(shù)，其變化量只與工質(zhì)的初、終態(tài)有關。所以

已知熱力系經(jīng)歷1b2過程后，吸熱Q=90kJ，則【例2-1】（2）熱力系由2變化到1，其熱力學能的變化量

外界對氣體做功

熱量為負值，表示該過程為放熱過程。

§2-6開口系統(tǒng)能量方程式推導原則能量守恒原則進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化問題的簡化：假定控制容積形狀、大小、空間位置均不隨時間改變。——因而統(tǒng)計系統(tǒng)的總能時，不考慮系統(tǒng)整體的外觀能量，但要計及流體的流動動能，重力位能以及熱力學能。系統(tǒng)除與外界有物質(zhì)流交換，在沒有質(zhì)量流穿越的邊界上還可以有傳熱和作功的相互作用。——雖然假定系統(tǒng)邊界不能移動，但是系統(tǒng)可以通過轉輪轉軸與外界交換軸功?！到y(tǒng)進出口界面上沒有熱量和功的交換。假定進、出口截面上存在局部平衡?！梢杂昧黧w在進入或離開系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)作為流體在進、出口界面的參數(shù)。假定流動為一元流動——僅在沿流動的方向上才有參數(shù)的變化。開口系能量方程推導

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原則進入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲存能量的變化推動功的引入

Q

+

min(u

+

c2/2

+gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wi

=

dEcv這個結果與實驗不符少了推動功

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout開口系能量方程

Q

+

min(u

+

c2/2+gz)in-

mout(u

+

c2/2+gz)out

-

Wi

=

dEcv

Wi

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

minpvout開口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2+gz)in-

Wi

-

mout(u

+

pv+c2/2+gz)out

=

dEcv工程上常用流率(單位時間內(nèi)某一量的值的大小）開口系能量方程微分式(Cont.)當有多條進出口：流動時，總一起存在焓的引入定義：焓

h

=u

+

pvhh開口系能量方程穩(wěn)定流動能量方程SteadyStateSteadyFlow(SSSF)穩(wěn)定流動的定義若工質(zhì)流動過程中，開口系統(tǒng)中（包括進、出口截面上）各點工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及流動情況（流速、流向）不隨時間變化時，則稱系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動過程。1、系統(tǒng)各截面狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化2、系統(tǒng)與外界的能量交換不隨時間變化3、系統(tǒng)自身能量貯存與質(zhì)量貯存不隨時間變化穩(wěn)定流動條件1、2、3、軸功Shaftwork每截面狀態(tài)不變4、

min

Wi

Q

moutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動能量方程的推導穩(wěn)定流動條件0穩(wěn)定流動能量方程的推導(Cont.)1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動時的能量方程穩(wěn)定流動能量方程適用條件：任何流動工質(zhì)任何穩(wěn)定流動過程穩(wěn)定流動能量方程分析宏觀運動的機械能過程中消失的熱能控制容積中的能量轉換關系穩(wěn)定流動能量方程分析技術功wt能量轉換關系分析（I）穩(wěn)流開口系閉口系兩種過程中消失了的熱能數(shù)量上都等于（q－u）任何情況下，熱力過程造成的熱變功效果只是（q－

u），即

膨脹功工質(zhì)的膨脹功是熱變功的根源穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術功wt閉口穩(wěn)流開口等價軸功ws推動功

(pv)幾種功的關系？幾種功的關系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws簡單可壓縮系可逆過程的技術功可逆過程簡單可壓縮系可逆過程熱力學第一定律解析式之一熱力學第一定律解析式之二技術功在示功圖上的表示§2-7能量方程式的應用熱力學問題經(jīng)?？珊雎詣?、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的