工程热力学工程热力学工程热力学基础工程热力学基础要求：要求：l热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。l热力学第一和第二定律，图和图，理想气体的热力过程和发热力学第一和第二定律，图和图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。动机的理想循环。l传热学：热量传递方式、物质的导热特性第一节第一节 气体的状态及状态方程气体的状态及状态方程一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若干个物体中、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称为规划出所要研究的对象，称为热热力系统力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质：、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。式的能量交换的物质。热力设备通过工质状态的变化实现与外界的热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。能量交换。二、二、热力状态与状态参数热力状态与状态参数1 1、热力状态：、热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。宏观物理状况。热力平衡状态：热力平衡状态：当外界条件不变系统内状态长时当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的间不变，即具有均匀一致的P P、V V、T T。2 2、状态参数：、状态参数：用来描述气体热力状态的物理量用来描述气体热力状态的物理量基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：可直接测量的状态参数，包括：压力压力( (P)P)、比容比容( ()、温度温度( (T)T)。主要状态参数：主要状态参数：压力压力P P、比容比容、温度温度T T、内能、内能、熵、熵、焓焓。基本状态参数：基本状态参数：1 1、比容、比容 ：m m3 3/kg/kg 。定义：定义：单位质量的物质所占的容积：单位质量的物质所占的容积： =V/M=V/MV-V-物质的容积物质的容积,m m3 3; M-; M-物质的质量，物质的质量， kgkg。比容的倒数是？比容的倒数是？2 2、压力压力P P ：PaPa，MpaMpa、kPakPa。定义：定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。系统单位面积上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 压力的测量压力的测量3 3、温度、温度T T ：K K。定义：定义：表征物体的冷热程度表征物体的冷热程度（气体分子的平均气体分子的平均动能越大）动能越大）三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：、理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。无相互作用力的气体。 2 2、理想气体的状态方程：理想气体的状态方程： P=RT PV= P=RT PV= mRT mRT 或或PV= PV= nRTnRT 对对空空气气，R=0.287kJ/kgK R=0.287kJ/kgK 1 1摩摩尔尔理理想想气气体体在在零零摄摄氏氏度度和和1 1标标准准大大气气压压下下的的体体积积，等等于于22.41381022.4138103 3米米3 3/ /摩摩尔尔。普普适适气气体体常常数数 R=8.31441R=8.31441焦焦耳耳/ /摩摩尔尔开开 3 3、压容图压容图 气体的状态也可用气体的状态也可用P-VP-V图上的一个点图上的一个点表示，比较直观。表示，比较直观。l【摩尔质量摩尔质量】常称为克分子量。一定质量的某种物质，如果用克作质量的单位，其数值恰好等于该物质的分子量的大小时，那么，这一定数值的质量就叫做1“摩尔质量”。例如，碳是单原子分子，因此12克的碳就称为1摩尔质量的碳；氧是双原子分子，即由两个氧原子组成一个氧分子，因此，32克的氧就称为1摩尔质量的氧；氢也是双原子分子，因此2克的氢也称为1摩尔质量的氢。l在相同的温度和压力下，湿空气比干空气的密度大?l大气压（湿空气压力）=干空气分压+水蒸气分压l在热力学中，常温常压下的干空气可认为是理想气体。而湿空气中的水蒸气由于处于过热状态，而且数量很少，分压力很低，比容较大，可近似地当作理想气体。第二节第二节 热力过程及过程量热力过程及过程量 一、热力过程一、热力过程 热力系统从一个平衡状热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变态到另一个平衡状态的变化历程。化历程。 P-VP-V图上图上, ,一个点表示一个点表示气体的一个热力状态气体的一个热力状态; ;一条曲线表示一个热一条曲线表示一个热力过程。力过程。二、膨胀功二、膨胀功（）（）气体在热力过程中由于体气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又积发生变化所做的功（又称为称为容积功容积功）规定：规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。系统做功为负。由由W=W=PdVPdV得：得： dVdV00，膨胀膨胀, ,W0W0， 系统对外界做功；系统对外界做功； dVdV00，压缩压缩, ,W0W0W0压缩压缩, ,W0W0,Q0,0,Q0,吸热吸热; ;dsds0,Q0,0,Q0放热放热Q0【热力学第零定律热力学第零定律】l若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系 统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。l热平衡系统的状态函数被定义为温度。l温度相等是热平衡之必要的条件。一、热力学第一定律一、热力学第一定律表表述述为为：当当热热能能与与其其它它形形式式的的能能量量相相互互转转换换时时，能能的的总总量保持不变。量保持不变。对于一个热力系统：对于一个热力系统： 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量 = =系统内部储存能量的变化量系统内部储存能量的变化量热热力力学学第第一一定定律律是是能能量量转转换换与与守守恒恒定定律律在在热热力力学学上上的的具具体体应应用用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。 它它表表达达工工质质在在受受热热作作功功过过程程中中，热热量量、作作功功和和内内能能三三者者之之间间的的平平衡关系。衡关系。第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律二、内能二、内能- -工质内部所具有的各种能量总称工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的微观能量即系统的内能内能，包括：，包括：宏观能量宏观能量微观能量微观能量内动能内动能内位能内位能内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关与分子间的距离、吸引力有关, ,是比容的函数是比容的函数；内动能内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单是温度的单值函数。值函数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的内动能，仅与温度有关，是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函是温度的单值函数数，用符号用符号u u表示，单位表示，单位J J。系统本身所具有的能量包括：系统本身所具有的能量包括：动能动能位能位能机械能机械能三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程1 1、定义、定义: : 与外界没有质量交换的系统。与外界没有质量交换的系统。 2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W对于微元过程：对于微元过程：Q=Q=dUdU+W+W对于对于1 1kgkg工质：工质：q=u+w q=u+w （/ /Kg)Kg)闭口系统能量方程闭口系统能量方程以上各项均为代数值，可正可负或零，且以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。不受过程的性质和工质性质的限制。焓焓lH=U+pV焓=流动内能+推动功焓H没有明确的物理意义：表示流动工质所具有的能量中，取决于热力状态的那部分能量在大气内进行的化学反应，压强一般保持常值，则有H=U+pV规定放热反应的焓取负值。l熵S为系统的混乱度dH=dHTdSVdp 四、理想气体的比热四、理想气体的比热1 1、比热的定义和单位、比热的定义和单位热热容容量量：向向热热力力系系统统加加热热（或或取取热热）使使之之温温度度升升高高（或降低）（或降低）1 1K K所需的热量所需的热量, ,用用C C表示。表示。比比热热：单单位位质质量量工工质质的的热热容容量量，用用c c表表示示。即即c=C/m c=C/m 单单位位J/(J/(kgKkgK）或或c=c=dqdq/ /dTdT（单单位位质质量量的的物物质质作作单单位位温温度度变变化时吸放的热量）化时吸放的热量） 2 2、比热与过程的关系比热与过程的关系功功量量和和热热量量都都是是过过程程量量，故故比比热热与与过过程程有有关关。热热力力过过程程中中最最常常见见的的加加热热过过程程是是保保持持压压力力不不变变和容积不变，因此比热也相应的分为和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热定压质量比热和和定容质量比热定容质量比热，分别以符号，分别以符号c cP P 和和c c 表表示。绝热指数：示。绝热指数：K= K= c cP P / c / c 3 3、比热与气体性质、温度的关系比热与气体性质、温度的关系 实实验验证证明明，多多数数气气体体的的比比热热随随温温度度的的升升高高而而增增大大，但但为为使使计计算算简简便便，不不考考虑虑比比热热随随温温度度的的变变化化，即即采采用用定定值比热（或定比热）值比热（或定比热）。 五、理想气体内能的计算五、理想气体内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为： q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律由热力学第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1) )内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且且 w =0w =0，第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程工工程程热热力力学学把把热热机机循循环环概概括括为为工工质质的的热热力力循循环环，热热力力循循环环分分成成几几个个典型的热力过程典型的热力过程定容、定压、定温和绝热定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。称为基本热力过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定义：、定义：过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2, , P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 2即：加入工质的热量全即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。部转变为工质的内能。由由 PV=RTPV=RT 知，知，P/T=P/T=常数常数，所以：所以：5 5、过程曲线、过程曲线等容加热等容加热温度升高温度升高等容放热等容放热温度降低温度降低二、定压过程二、定压过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统的压力保持不变。过程进行中系统的压力保持不变。 2 2、过程方程式：、过程方程式：P=P=常数常数3 3、参数间的关系：参数间的关系：由由/T=/T=常数常数 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 2由热力学第一定律：由热力学第一定律：c cp p=c=c+ R+ R 迈耶公式迈耶公式c cp p/c/c=k=k绝热指数绝热指数5 5、过程曲线、过程曲线等压加热等压加热对外做功对外做功温度升高温度升高21等压放热等压放热对内做功对内做功温度降低温度降低2T-s图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。三、三、定温过程定温过程1 1、定定义义：过过程程进进行行中中系系统统的的温温度度保保持持不不变变的的过程。过程。2 2、过程方程式：、过程方程式： T=T=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系： P=RT=P=RT=常数常数P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、过程量的计算、过程量的计算： T=常数常数 所以所以 u=0由由 q=w+ u可得：可得： q=w加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。5 5、过程曲线、过程曲线等温压缩等温压缩对外放热对外放热等温膨胀等温膨胀 吸热吸热22四、四、绝热过程绝热过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递过程进行中系统与外界没有热量的传递（ q=0 s= q/T=0，故也故也称定熵过程称定熵过程 ）。）。 2 2、过程方程式：、过程方程式：PvPvk k= =常数常数（推导略）（推导略） K= c cp p/c/c：绝热指数绝热指数即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。5 5、过程曲线、过程曲线绝热压缩绝热压缩温度升高温度升高绝热膨胀绝热膨胀温度降低温度降低 五、多变过程五、多变过程 在实际的热力过程中，在实际的热力过程中，P P、T T的变化和热量的交换都存在，不能用的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即多变多变过程过程来描述。来描述。 1 1、过程方程式、过程方程式：PvPvn n= =常数常数n:n:多变指数。多变指数。 等压过程；等压过程；n=1,Pv=n=1,Pv=常数常数 等温过程；等温过程；n=k,n=k,PvPvk k= =常数常数绝热过程；绝热过程；n=,v=n=,v=常数常数 等容过程。等容过程。n=0,P=n=0,P=常数常数2 2、各过程在各过程在P-vP-v图上的比较图上的比较等压线等压线:压力升高部分压力升高部分压力降低部分压力降低部分等容线等容线: :膨胀部分膨胀部分压缩部分压缩部分等温线等温线: :温度升高部分温度升高部分温度降低部分温度降低部分绝热线绝热线: :吸热部分吸热部分放热部分放热部分n=1n=1n=kn=kn=n= nW0WQQ2m2mQQ2v2v所以：所以： tvtvtmtmtptp三、活塞式内燃机理想循环的比较三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压缩比、在等压缩比、等加热量等加热量Q1条件下条件下2 2、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出： 放热量放热量q q2 2都相同，而都相同，而加热量为：加热量为： Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，于压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv热力系统的分类热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）（据界面上物质和能力交换的情况分） l闭口系统：闭口系统：与外界无质量交换的系统；与外界无质量交换的系统；l开口系统：开口系统：与外界有质量交换的系统；与外界有质量交换的系统；l绝热系统：绝热系统：与外界无热量交换的系统；与外界无热量交换的系统；l孤立系统：孤立系统：与外界即无质量交换，又无与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。热量交换的系统。压力的测量压力的测量 当系统的压力高当系统的压力高于大气压力时，于大气压力时， 用用压力表压力表测量测量。P=P=P Pb b+P+Pg g P: P:系统压力系统压力（绝对压力）；（绝对压力）；P Pb b: :大气压力；大气压力；P Pg g: :表压力（压力表压力（压力表读数）。表读数）。压力的测量压力的测量当系统的压力低于当系统的压力低于大气压力时，用大气压力时，用真真空表空表测量。测量。P=Pb-Pv PvPv：真空表读数真空表读数。由于表压力和真空由于表压力和真空度随大气压力的变化度随大气压力的变化而变化，而变化，所以只有绝所以只有绝对压力才能作为系统对压力才能作为系统的状态参数。的状态参数。湿度湿度l绝对湿度：一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，克/立方米。l相对湿度相对湿度：水蒸气的饱和度有多高。相对湿度为100%的空气是饱和的空气。在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度。l在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低。因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。通过相对湿度和温度也可以计算出露点。l含湿量d单位质量干空气的湿空气所含有的水蒸气的质量。单位g/kg(干空气)。【露点露点】l空气中的水蒸气由于冷却而达到饱和时的温度。l当气温与露点的差值越小，表示空气越接近饱和，空气的相对湿度则越高。例如，在某一气压下，测得空气的温度是20，露点是12，从表中查到20时的饱和蒸汽压为2328Pa（17.54毫米汞柱），12时的饱和蒸汽压为1402.3Pa（10.52毫米汞柱）l空气的相对湿度60l当大气的相对湿度大时露点高，相对湿度小则露点低。传热传热l传热的基本方式：热传导、热对流和热辐射l热传导：不涉及物质转移，热量从高温传递给相接触的低温，简称导热。l热对流：不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，是热传导和热对流综合作用的结果。l热辐射：物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。热量可以在真空中直接传递。l每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。导热系数导热系数l1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米度（W/mK，此处为K可用代替）。l导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米度以下的材料称为高效保温材料。传热系数传热系数Kl以往称总传热系数。l稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米度（W/K，此处K可用代替）。热力学例题热力学例题l热量从一个物体传递到另一个物体是靠物质载体，而不是靠电磁波？l理想气体是想象中的一类气体，分子本身不具有体积，分子之间也没有作用力。热力学例题热力学例题l热量从一个物体传递到另一个物体是靠物质载体，而不是靠电磁波？l理想气体是想象中的一类气体，分子本身不具有体积，分子之间也没有作用力。l（单选）下列说法正确的是：l1）循环输出净功愈大，则热效率愈高l2）可逆循环的热效率都相等l3）不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率l4）“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变成机械能”这个说法是错误的例题例题l在热力学中可逆绝热过程也称为定熵过程？l相同体积的氢气和氧气，前者的摩尔数较大？l夏季和冬季虽然温度不同，但相同的相对湿度条件下空气所含水的质量相同？热力学例题热力学例题l热量从一个物体传递到另一个物体是靠物质载体，而不是靠电磁波？l理想气体是想象中的一类气体，分子本身不具有体积，分子之间也没有作用力。l（单选）下列说法正确的是：l1）循环输出净功愈大，则热效率愈高l2）可逆循环的热效率都相等l3）不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率l4）“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变成机械能”这个说法是错误的例题例题l（多选）动力循环的共同特点有：l动1）工质在高温热源吸热l2）工质在低温热源放热l3）对外输出功l4）有往复运动机构力循环