工程热力学课件完整版

破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
可逆过程：系统（工质）在完成某一过程后，如能使过程逆行而 使系统及外界回复到原始状态，不留下任何变化，则此过程称为 可逆过程。 实现条件：可逆过程=准平衡过程+无耗散效应
过程功和热量
功：系统与外界间在力差的推动下，通过宏观有序（有规则）运 动方式传递的能量，用W表示。过程量，大小不仅与初、终状态 有关，而且与过程进行的性质、路径等有关。
4、热能和机械能通过什么介质转换？
工程热力学
研究能量转换、特别是热能转 化成机械能的规律和方法，以及提 高转化效率的途径，以提高能源利 用的经济性。
第一章 基本概念
基本要求： 掌握工程热力学中的基本术语和概念：热力系、平衡态、准平 衡过程、可逆过程等； 掌握状态参数的特征，基本状态参数的定义和单位等； 掌握热量和功量过程量的特征，会计算可逆过程功和热量，并 能够在坐标图上表示。
基本要求： 1、能将各基本热力过程在p-v图上表示； 2、熟练掌握4种基本热力过程及多变过程的初终态参数之间的 相互关系（过程方程+状态方程）； 3、熟练掌握4种基本热力过程与外界交换热量和功的计算； 4、正确应用p-v图判断过程特点：热力学能、及热量和功正负值
热力过程分析的依据
前提条件: 1.工质为理想气体； 2.可逆过程。
C表示：
C Q Q J/K
dT dt
比热容：热容除以质量称为比热容，用c表示： c C J/(kg K)
m
摩尔热容：热容除以物质的量称为比热容，用Cm表示：
Cm
C n
mc n
Mc
J/(mol K)
比定压热容：定压过程中，单位质量工质温度升高1度，所吸
收的热量，cp表示。
比定容热容：定容过程中，单位质量工质温度升高1度，所吸 收的热量，cV表示。
正循环 燃气轮机装置循环 （热－机） 内燃机循环
逆循环 制冷循环 （机－热） 热泵循环
p
1
2
wnet
p
得到的收益 工作系数＝
花费的代价
3 4
m
nv
2
1
wnet
3 4
m
nv
第二章 热力学第一定律及其应用
基本要求： 1、深入理解热力学第一定律的实质； 2、掌握内部储存能（热力学能）、外部储存能和总能的概念； 3、熟练掌握热力学第一定律表达式，特别是闭口系及稳定流动 开口系能量方程； 4、灵活应用热力学第一定律表达式对具体问题进行分析计算； 5、掌握体积变化功
热力系统
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。 外界（环境）：热力系以外的与系统发生质能交换的物体。 边界：热力系与外界的分界面（系统与外界的作用都通过边界）
真实的、固定的、封闭的 边界特点
假想的、运动的、开口的
热力系与 外界的相 互作用
热交换 功交换 质量交换
开口系
Q
闭口系
W
依据
pv RgT
1.理想气体的热力性质 cp cV Rg
u cV T h cpT
2. 热力学第一定律
s
c
p
ln
T2 T1
Rg ln
p2 p1
cV
ln T2 T1
Rg
ln
v2 v1
Tds
re
cdT
q
du
w re
du
pdv
i.g.
cV dT
pdv
Tds
recdT
q
dh
wt
re
dh
空气、油
废气
吸气
压缩点 火
膨胀
排气
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、 膨胀做功、放热)
内燃机（钝缸技术）
内燃机（钝缸技术）
可通过关闭个别气缸的方法，使到3.5L V6引擎可在3、4、6缸之间变化，使得引擎排量也能在1.75-3.5L之间变 化，从而大大节省燃油能源。既有驾驶平顺感，加速线性，又能在不必要的时候减少发动机排放。相比涡轮 增压、机械增压技术复杂，但是带来的节能环保是以上两种方式不能达到的 。
dv
q cndT Tds
T s
n
T cn
T ,定容过程 cV
T ，定压过程 cp
4个基本过程中的热量和功的计算
2
2
1、定容过程
w pdv 0 1
wt 1 vdp v( p2 p1)
2、定压过程
qv u cv (T2 T1)
2
w 1 pdv p(v2 v1)
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。
第三章 理想气体的性质
基本要求： 1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式； 2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容计算理想 气体热力学能、焓、熵及过程热量； 3、掌握有关理想气体的术语及其意义； 4、掌握理想气体发生过程； 5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得 理想气体的相关状态参数。
热力学第一定律能量方程分析的步骤
画简图，取定热力系 写出对应的能量方程式 分析与外界的相互作用
按具体情况简化 求解
热力学第一定律的实质
实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
一般关系式 进入系统的能量－离开系统的能量
= 系统能量的增量
表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时
，它们间的比值是一定的。 或：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量
n pv const ，定熵过程
1
n p nv const ，定容过程
2、状态参数间的关系
pvn const
多变过程在坐标图上的表示
p
T
n0 p
n 1 T
n n S
vv
n
v
n
S
n0 p
n 1 T
s
q
—— 由等熵线来划分， ds ><0
u / h —— 由等温线来划分 ，dT ><0
p2 p1
p
T
n0 p
n0 p
n 1 T
n 1 T
n n S
vv
n
v
n
S
s
在 p-v 图上定熵线与定温线是斜率为负的曲线，且定熵线比定温 线更陡。 在 T-s 图上定压线与定容线是斜率为正的曲线，且定容线比定 压线更陡。
d pvn 0
dp n p p，v总为正，
dv v
n dp ，线越陡
i.g.
vdp cpdT
vdp
4个基本过程的初终态状态参数间的关系
1、定容过程 2、定压过程
v1 v2
p2 T2 p1 T1
p1 p2
v2 T2 v1 T1
3、定温过程 4、定熵过程
T1 T2 p1v1 p2v2
pv 定值
p2 p1
v1 v2
1
1
T2 T1
v1 v2
水蒸气
T1＞T2
水
T1
T2
平衡不一定均匀，单相 平衡态则一定是均匀的
稳定未必平衡； 但平衡一定稳定
工质的状态变化过程
热力过程：系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状 态的总和。
准平衡过程（准静态过程）：过程进行的相对缓慢，工质在平衡 被破坏后自动恢复平衡所需的时间，即弛豫时间又很短，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。
工程热力学
Engineering Thermodynamics
绪论
工程热力学是非常重要的技术基础课，随
着能源、力学、宇航、机械、车辆等学科 的发展，越来越重要
工程热力学
是一门研究热能/能源有效利用及 热能/能源和其它形式能量转换规律 的科学
工程热力学研究方法
1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状 态，其基本规律是无数经验的总结
理想气体状态方程式
理想气体的分子模型的假设： 1）分子是弹性的不占体积的质点；2）分子相互之间没有作用力
理想气体：在常温、常压下O2、N2、CO、H2、空气、 燃气、烟 气等离液态较远，可作理想气体处理。
实际气体：水蒸气、制冷剂蒸汽等。
1 m o l : p V m R T R—摩尔（通用）气体常数
T
不可逆过程的熵增（过程角度）
q
T
0
克劳休斯积分不等式（循环角度）
dsiso 0
孤立系统角度
ds sf sg 非孤立系统角度
熵、热力学第二定律的数学表达式
1. 熵的定义
ds qre
T
2. 循环过程的熵
3. 可逆过程的熵变
qre Tds
ds 0,则 q 0 可逆过程中ds 0,则 q 0
理想气体的比热容
理想气体热力学能、焓是温度的单值函数
理想气体： u f (T ) h f (T )
cv
u (T )v
理想
du dT
cp
h 理想 (T )p
dh dT
c是过程量
实气cV，cp 是状参 ，f（T，V）
理气cV，cp 是状参 ，且f（T）
迈耶公式
cp cv Rg C p,m Cv,m R
2
wt 1 vdp 0
3、定温过程
qp h cp (T2 T1)
w
2 1
pdv
RgT
ln
v2 v1
wt
2
vdp
1
RgT
ln
p2 p1
qT w wt T (s2 s1)
多变过程
1、过程方程
pvn const n 为多变指数
n 0 p const ，等压过程
n 1 pv const ，定温过程
w
—— 由等容线来划分， dv >< 0
w t —— 由等压线来划分， dp ><0
第五章 热力学第二定律
基本要求： 1、深刻理解热力学第二定律的实质及数学表达式； 2、掌握卡诺卡诺循环和卡诺定理； 3、掌握熵的意义、计算及应用； 4、掌握孤立系统熵增原理。
热力学第二定律的数学表达式
ds q
特点：可靠，普遍，不能任意推广 宏观热力学，平衡热力学
2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角 度研究热现象及规律
特点：揭示本质，模型近似 统计热力学
工程热力学与新能源
工程热力学
是研究热能/新能源有效利用及热能/新能 源和其它形式能量转换规律的科学
建立节能和发展新能源的理 论基础
内燃机装置
工程热力学的研究内容
1、能量转换的基本定律
2、工质的基本性质与热力过程
3、热功转换设备、工作原理 4、新能源热力学引论
思考题？
1、永动机是否可能实现？请分析。
2、为何要有两个热源，能否不要低温热源, 不放 热，做功与热量W=Q是否可以进行？
3、发电厂效率高的只有40%左右，可否 有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？
ds 0,则 q 0
熵是可逆过程系统与外界交换 热量的度量。 热流通过边界时引起熵的变化 ，功不引起熵的变化。
注 压力：绝对压力p、表压力pg、真空度pv、环境压力pb的关系 意 温度：摄氏温度和绝对温度的关系与区别
平衡状态、状态方程式、坐标图
平衡状态：在不受外界影响（重力场除外）的条件下，系统宏观 性质不随时间改变（状态保持不变）的状态。
实现平衡的条件：内外一切势差趋于零。势差消失是平衡的条件 ，也是平衡的本质。
理想气体的热力学能、焓和熵
du cvdT
适用于理想气体、任意过程。
dh cpdT
适用于理想气体、任意过程。
ds cvdT Rg dv cpdT Rg dp
Tv
Tp
ds
cvdT T
Rg
dv v
cpdT T
Rg
dp p
适用于理想气体、 任意过程。
dv dp ds cp v cv p
第四章 理想气体的热力过程
热力学中规定，系统对外做功取正值，外界对系统做功取负值。
可逆过程的膨胀功（体积变化功）
Wre = pdV p
1.
示功图
负功
正功
. 2
V
可逆过程的技术功
Wt =-Vdp
p
p1
1 正功
dp p
负功
p2
2
v1v
v2
v
热量：系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子无序运动 的方式与外界交换的能量，用Q表示。 过程量，大小不仅与初、 终状态有关，而且与过程进行的性质、路径等有关。
热力系 绝对系
qm
孤立系 简单可压缩系
工质的热力学状态及其基本状态参数
热力学状态：热力系在某一瞬时所呈现的宏观物理状况。 状态参数：描述系统状态的宏态参数是点函数（状态函数） （3）状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。
常用状态参数（6个）：p、v、T、u、h、s 基本状态参数（3个）： p、v、T。
状态方程 n m o l : p V n R T
R 8.3145 [ J m olgK ]
1 k g : p v R g T 与气体种类、状态均无关
m kg : pV mRgT
Rg—气体常数
Rg
R M
[kJ / kg.K ] 与气体种类有关，与状态无关
理想气体的比热容
热容：工质温度升高1度所吸收的热量， 称为热容，过程量，用
热力学上统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。
可逆过程的热量
T
1
B
qre = Tds
T
A
2
q
ds qrev
T
S1
S dS S2
q “+”
q “-”
热力循环
功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来 初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。
分类 蒸汽动力循环