工程熱力學(xué)課件-培訓(xùn)ppt全套

1、工程熱力學(xué)培訓(xùn)課件,,制 作：,0、緒論1、基本概念2、熱力學(xué)第一定律3、熱力學(xué)第二定律4、理想氣體5、水蒸氣和濕空氣6、噴管內(nèi)的氣體流動(dòng)7、壓氣機(jī)的熱力過程8、燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)簡介9、蒸汽動(dòng)力循環(huán)10、制冷循環(huán)簡介,目錄,課件目錄,緒論,0-1 熱能及其利用0-2 工程熱力學(xué)發(fā)展簡史0-3 工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容,能源是人類社會(huì)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，人類的歷史與其開發(fā)利用能源的廣度和深度密切相連。

2、 兩種基本形式：直接利用和間接利用。,§0-1 熱能及其利用,熱力工程的發(fā)展歷程簡介：大氣機(jī)、蒸氣機(jī)及其改進(jìn)（瓦特）、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。 熱力學(xué)的發(fā)展歷史： 熱素說和熱動(dòng)說之爭(牛頓、本杰明. 湯姆遜、戴維)； 熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)（卡諾、邁耶能量轉(zhuǎn)換、焦耳實(shí)驗(yàn)、朗肯熱功等當(dāng)、亥姆霍茲之綜述等）； 熱力學(xué)第二定律的提出（卡諾、克勞修斯、開爾文等）；克勞修斯的貢獻(xiàn)及其熱寂說的提出； 能斯特及熱

3、力學(xué)第三定律；凱南的有效能提出等。 幾個(gè)重要的科學(xué)家（卡諾、焦耳、瓦特、開爾文等）。,§0-2 工程熱力學(xué)發(fā)展簡史,工程熱力學(xué)的研究對(duì)象主要是能量轉(zhuǎn)換，特別是熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，以提高能源利用的經(jīng)濟(jì)性。主要內(nèi)容包括： 1、基本概念與基本定律； 2、過程和循環(huán)的分析研究及計(jì)算方法； 3、常用工質(zhì)的性質(zhì)； 4、化學(xué)熱力學(xué)方面的有關(guān)內(nèi)

4、容。研究方法：宏觀（經(jīng)典）和微觀（統(tǒng)計(jì)）,§0-3 主要內(nèi)容,熱力學(xué)第零定律： 假如兩物體的溫度都等于另外第三個(gè)物體，那么這三個(gè)物體擁有相同的溫度。熱力學(xué)第一定律： 熱是能的一種，機(jī)械能變成熱能，或熱能變成機(jī)械能的時(shí)候他們間的比值是一定的。熱力學(xué)第二定律： （1）克勞修斯說法：熱不能自發(fā)的、不付代價(jià)的從低溫物體傳至高溫物體。 （2）開爾文說法：不可能制造出從單一熱源吸熱

5、、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)第三定律： 絕對(duì)零度不可達(dá)。,熱力學(xué)四定律,1 基本概念,1-1 本課涉及的幾種熱能轉(zhuǎn)換(移)過程1-2 熱力系統(tǒng)1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程1-6 過程功和熱量1-7 熱力循環(huán),課件目錄,,熱能動(dòng)力裝置：從燃料燃燒中獲得熱能，并利用熱能得到動(dòng)力的整套

6、設(shè)備。分為蒸汽動(dòng)力及燃?xì)鈩?dòng)力兩類裝置。工作過程可概括成右圖。制冷裝置：利用動(dòng)力實(shí)現(xiàn)熱能逆向傳遞的整套裝置。工作過程也可簡化成右圖，但箭頭反向。,§1-1 幾種熱能轉(zhuǎn)換(移)方式簡介,,熱能動(dòng)力裝置工作示意圖,（1）圖1-2 內(nèi)燃機(jī)裝置 示意簡圖,（2）蒸汽動(dòng)力裝置簡圖,引入：系統(tǒng)、工質(zhì)、熱源、循環(huán)。,（3）燃?xì)廨啓C(jī)裝置簡圖,燃?xì)廨啓C(jī)裝置,實(shí)物圖片：,（4）壓縮蒸汽制冷裝置簡圖,熱力系統(tǒng)：分割出來作為熱力學(xué)分析對(duì)象

7、的有限物質(zhì)系統(tǒng)。外 界：系統(tǒng)周圍物質(zhì)的統(tǒng)稱（熱源、物質(zhì)源）。,§1-2 熱力系統(tǒng),系統(tǒng)和邊界,閉口系統(tǒng): 與外界有能量交換而無物質(zhì)交換，又稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng): 與外界既有能量又有物質(zhì)的交換，又稱控制體積。絕熱系統(tǒng): 與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng): 與外界無能量交換又無物質(zhì)交換，一切作用發(fā)生在 系統(tǒng)內(nèi)部。,熱力系統(tǒng)的分類,常用的狀態(tài)參數(shù)有：壓力p ，溫度T

8、 ，體積V ，熱力學(xué)能(內(nèi)能)U ，焓H ，熵 S 等 。這里主要講解壓力 p，溫度 T，體積V（比容v 和密度ρ）等。一、溫度 一般國際上常用到的溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有四種：,,攝氏(Celsius)溫標(biāo)；華氏(Faharenheit)溫標(biāo)；開爾文（Kelvin）溫標(biāo)（熱力學(xué)（絕對(duì)）溫標(biāo)）；朗肯(Rankine)溫標(biāo)。,§1-3 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài) 及其基本狀態(tài)參數(shù),“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)的

9、機(jī)身左側(cè)溫度在5分鐘內(nèi)上升了60華氏度（約15.6攝氏度？）。（羊城晚報(bào)2003.2.3）,攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)（開爾文）溫標(biāo)間的關(guān)系： 華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系： 朗肯溫標(biāo)是英制的熱力學(xué)（絕對(duì)）溫標(biāo)，它和開爾文溫標(biāo)之間有如下關(guān)系：,,（1-1）,（1-2）,（1-3）,二、壓力 壓力的宏觀定義及其微觀解釋（略）。 壓力計(jì)量一般有三種標(biāo)準(zhǔn)： 絕對(duì)壓力（p） ：以絕對(duì)真空為起點(diǎn)

10、的壓力值。 表壓力（pe）：指絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)二者的差值。 真空度（pv）：指大氣壓力大于絕對(duì)壓力時(shí)二者的差值。,（a）,（b）,（1-4）,（1-5）,三、比體積及密度 比體積（又稱比容，v）：單位質(zhì)量物質(zhì)的體積。 密度（ρ）：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。 即： 顯然二者互為倒數(shù)。 注意：區(qū)分強(qiáng)度量和廣延量。,一、平衡狀態(tài) 不受外界影響時(shí)，參數(shù)始終保持不變的

11、系統(tǒng)狀態(tài)。 穩(wěn)定狀態(tài)：強(qiáng)調(diào)時(shí)間上穩(wěn)定不變。 平衡狀態(tài)：屬于穩(wěn)定狀態(tài)，但要求“內(nèi)外平衡”。 均勻狀態(tài)：強(qiáng)調(diào)空間各點(diǎn)的參數(shù)值相同。注意： （1）本課一般把處于平衡狀態(tài)的單相物系當(dāng)作是均勻的， 即此時(shí)系統(tǒng)同時(shí)處于平衡狀態(tài)和均勻狀態(tài)。 （2）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)是本課主要研究的熱力系統(tǒng)，對(duì)于

12、 這類系統(tǒng)而言，兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)可確定一個(gè)狀態(tài)， 其他狀態(tài)參數(shù)都只是這兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。 （3）簡單可壓縮熱力系統(tǒng)的兩個(gè)狀態(tài)之間，如果有兩個(gè)獨(dú)立 的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等，則可斷定這兩個(gè)狀態(tài)相同。,§1- 4 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標(biāo)圖,二、狀態(tài)方程式    指簡單可壓縮熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，各部分具有相同的

13、參數(shù)，并服從一定關(guān)系的關(guān)系式。即或,,（1-6）,（1-7）,三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 指由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖。 熱力系每一平衡狀態(tài)總可在由任意兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所組成的平面坐標(biāo)圖上的一點(diǎn)來表示。 常用的有壓容圖和溫熵圖等。如下圖1-8：,一、準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程） 要點(diǎn)：1、弛豫時(shí)間（系統(tǒng)從平衡破壞到恢復(fù)的 時(shí)間）相對(duì)很短； 2、

14、平衡的破壞程度要相對(duì)很小； 3、外界對(duì)系統(tǒng)的熱和力的刺激趨近于零 （ △p →0；△T →0）。,§1-5 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程,二、可逆過程與不可逆過程 可逆過程：系統(tǒng)可能沿相同路徑回復(fù)原狀，相互作用 所涉及到的外界也回復(fù)原狀，不留下任何 改變。 不可逆過程：不滿足以上要點(diǎn)的任何一項(xiàng)過程。三、

15、有關(guān)準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的爭論 都是實(shí)際過程的理想化，二者是否異同存在不同看法： 1、可逆過程是條件要求更為苛刻的理想化過程，是沒有能量耗散的準(zhǔn)平衡過程，是一切實(shí)際過程的理想極限。準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程成立的前提條件。可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程，反之未必成立。,,2、可逆過程和準(zhǔn)平衡過程是相同的，表述方式不同，本質(zhì)一樣！有能量耗散時(shí)，準(zhǔn)平衡過程也不可能成立。當(dāng)熱力過程滿足準(zhǔn)平衡過程的條件時(shí)，它必然沒有能量耗散，此時(shí)可

16、逆過程的成立條件也已經(jīng)滿足。3、可逆過程可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實(shí)線表示，這是基本公認(rèn)的。但準(zhǔn)平衡過程是否也可以在熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖用一條實(shí)線表示，這是有所爭議的。,一、功的熱力學(xué)定義 功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。   約定：系統(tǒng)對(duì)外界作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。二、可逆過程的功 功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，而且還和過程的中間的途

17、徑有關(guān)，是過程量。對(duì)于可逆過程有： 可逆過程可用功：,?,§1-6 過程功和熱量,（1-8）,（1-9）,功w 如何在p-v 圖上表示?,三、過程熱量    系統(tǒng)和外界之間僅由于溫度不同而傳遞的能量。體系吸熱，熱量為正；反之，為負(fù)。    系統(tǒng)在可逆過程中與外界的換熱量可用下式計(jì)算：,（1-11）,（1-10）,注意：區(qū)分狀態(tài)參數(shù)和過程量。,一、循環(huán)概說&

18、#160;         經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) = 得到的收獲 / 花費(fèi)的代價(jià)。在參數(shù)坐標(biāo)圖上表現(xiàn)為一閉合的曲線。二、正向循環(huán)          即熱動(dòng)力循環(huán)，總的效果表現(xiàn)為熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，向外界提供動(dòng)力。在參數(shù)坐標(biāo)圖上循環(huán)沿曲線順時(shí)針方向進(jìn)行

19、的。評(píng)價(jià)指標(biāo)是循環(huán)的熱效率，即：,§1-7 熱力循環(huán),（1-12）,三、逆向循環(huán)    主要應(yīng)用于制冷循環(huán)裝置和熱泵，分別稱為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為制冷系數(shù)和熱泵系數(shù)（也稱供熱系數(shù)）。 總的效果表現(xiàn)為：耗費(fèi)機(jī)械能（轉(zhuǎn)化為熱能），使熱能由低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩?。在參?shù)坐標(biāo)圖上循環(huán)沿曲線逆時(shí)針方向進(jìn)行的。 制冷系數(shù)： 熱泵

20、系數(shù)：,（1-14）,（1-13）,2-1 第一定律的實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)能和總能2-2 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化2-4 焓2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式2-6 開口系統(tǒng)能量方程式2-7 能量方程式的應(yīng)用,2、熱力學(xué)第一定律,課件目錄,,實(shí)質(zhì)：能量守衡定律在熱力學(xué)的表述。 熱工當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)具有重要?dú)v史意義，但由于其值現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)?，所以它很少用到了。,§2-1 第一定律的實(shí)質(zhì) 熱力

21、學(xué)能和總能,一、熱力學(xué)能 熱力學(xué)能包括：內(nèi)動(dòng)能、內(nèi)位能，甚或包括化學(xué)能、核能和電磁能等。 本課所講的熱力學(xué)能主要包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能，用U (u)表示，單位是焦耳J (J/kg)。 熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)，即：,（2-1）,二、總能 系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能和外部儲(chǔ)存能的總和，即 熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)能及位能的總和，稱作總儲(chǔ)存能，簡稱總能。總能 E (e)、動(dòng)能Ek (

22、ek)、位能 Ep (ep) 。它們間的關(guān)系為：,,（2-2）,（2-2a）,一、作功和傳熱 能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的兩種方式。做功總和物體的宏觀位移有關(guān)。傳熱就不需要有物體的宏觀移動(dòng)。二、推動(dòng)功和流動(dòng)功 因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功，叫推動(dòng)功（pv）。推動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)才起作用。,§2-2 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化,流動(dòng)功：系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的功 ，可定義為進(jìn)出口的推

23、動(dòng)功之差。如圖：技術(shù)功 ：開口系統(tǒng)技術(shù)上可資利用的機(jī)械能之和，是膨脹功與流動(dòng)功之差。,推動(dòng)功,（2-3）,（2-4）,對(duì)于可逆過程有：,可逆過程的技術(shù)功,（2-4a）,根據(jù)上式可在p-v圖上表示可逆過程的技術(shù)功，如右圖中的曲邊梯形面積 f-1-2-g-f 所示。,§2-4 焓,焓: 比焓 ： 焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即,（2-5）,（2-6）,（2-7）,&#

24、167;2-5 熱力學(xué)的基本能量方程式,1.進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量 的增加：     或            　2.第一定律的第一解析式的微元形式是:　     

25、;對(duì)于1kg工質(zhì),則有: ，　3.式中熱量 ，熱力學(xué)能變量 和功 都是代數(shù)值， 可正可負(fù)。,（2-8）,若流動(dòng)過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)參數(shù)都不隨時(shí)間而變，稱之為穩(wěn)定流動(dòng)過程。根據(jù)能量守恒可導(dǎo)得穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程為： 此即第一定律的第二解析式。其中技術(shù)功：,§2-6 開口系統(tǒng)能量方程式,開口系統(tǒng)能量平衡,（2-9）,§2-7 能量方程式的

26、應(yīng)用,一、動(dòng)力機(jī),動(dòng)力機(jī)能量平衡,熱力學(xué)第一定律的能量方程式在工程上應(yīng)用很廣，而工程中的熱力設(shè)備工作時(shí)多為開口系統(tǒng)，因此這里主要介紹第二解析式的應(yīng)用。,,h1,壓氣機(jī)能量平衡,二、壓氣機(jī),三、換熱器,四、管道,五、節(jié)流,節(jié)流現(xiàn)象,已知新蒸汽流入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3232 kJ/kg，流速 cf1=50 m/s；乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120 m/s。散熱損失和位能差可略去不計(jì)。試求： （1）每千

27、克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對(duì)外界所作的功。 （2）若蒸汽流量是10t/h，求汽輪機(jī)的功率。,舉例應(yīng)用,解: 由式（2-16） 　根據(jù)題意，q = 0 , z2－z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功為　　 其中汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能變化只有-5.95 kJ/kg。可見：即使工質(zhì)流速在百米每秒的數(shù)量級(jí)，動(dòng)能的影響仍不大?！　」べ|(zhì)每小時(shí)作功　　 Wi = qmwi = 9

28、.24 ×106 kJ/h故汽輪機(jī)功率為,3 熱力學(xué)第二定律,序言3-1 熱力學(xué)第二定律3-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率3-3 卡諾定理3-4 熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù)3-5 熵增原理3-6 熵流和熵產(chǎn)3-7 和 效率,課件目錄,,,本章將討論熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)及表述，建立第二定律各種形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式，給出過程能否實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)判據(jù)，重點(diǎn)剖析作為過程不可逆程度的度量－－

29、孤立系的熵增、不可逆過程的熵產(chǎn)、 損失、熵增的內(nèi)在聯(lián)系。,兩者關(guān)系：相互獨(dú)立、都是各種現(xiàn)象歸納后的結(jié)論 、 共同構(gòu)成了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。,序言,§3-1 熱力學(xué)第二定律,一、自然過程的方向性 功熱轉(zhuǎn)化    功轉(zhuǎn)熱是不可逆過程,其反向過程則不能單獨(dú)地、自動(dòng)地進(jìn)行,熱不可能全部無條件地轉(zhuǎn)化為功。,圖5-1 摩擦耗散,如果要把熱量從低溫的A傳給高溫

30、的B需要付出代價(jià)(W)，且不能實(shí)現(xiàn)期間的熱量等值反傳。,有限溫差下的傳熱（B→A）是不可逆過程，其中的熱量傳遞是等值的（QB＝QA）。,有限溫差傳熱,圖5-2 不等溫傳熱, 自由膨脹   在膨脹過程中未遇阻力、不對(duì)外作功的過程就是自由膨脹，也叫無阻膨脹，它是一種典型的不可逆過程。氣體不會(huì)自動(dòng)壓縮、返回到原來狀態(tài)。 混合過程  所有混合過程都是不

31、可逆過程，使混合物中各組分分離要花代價(jià)：耗功或耗熱。     自然界的自發(fā)過程都是有方向的，熱力系進(jìn)行一個(gè)自發(fā)過程后，雖然可以通過反向人為的非自發(fā)過程使系統(tǒng)復(fù)原，但后者會(huì)給外界留下影響（無法使外界回復(fù)原狀），因而不可逆是自發(fā)過程的重要特性和屬性。,熱力學(xué)第二定律有多種表述形式，這里只介紹其中的兩種說法： 克勞修斯說法：     

32、  熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。（從熱量傳遞的方向性的角度） 開爾文說法:       不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的循環(huán)工作的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。（從熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的角度）,二、熱力學(xué)第二定律的表述,一、卡諾循環(huán),圖5-3 卡諾循環(huán),§3-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率,分析此公式，可得出如下幾點(diǎn)重

33、要結(jié)論： ηc只決定于T1、T2。 T1↑、T2↓， ηc↑。 ηc只能小于1,因T1= ∞或T2=0 都不能實(shí)現(xiàn)。 當(dāng) T1=T2 時(shí),ηc=0。它表明:“凡有溫差處皆有動(dòng)力”。,卡諾循環(huán)的熱效率：,（3-1）,即雙熱源間的極限回?zé)嵫h(huán)，其熱效率與卡諾循環(huán)相同。多變指數(shù)n可以為任何自然數(shù)，因而在T1和T2之間工作的可逆循環(huán)有無數(shù)個(gè)。這種利用工質(zhì)排出部分熱量來加熱工質(zhì)本身的,方法稱為回?zé)?。回?zé)崾翘岣邿嵝实囊环N行之有效的方法，被

34、廣泛采用。,圖5-4 概括性卡諾循環(huán),二、概括性卡諾循環(huán),三、逆向卡諾循環(huán) 逆向卡諾循環(huán)按工作溫度范圍也可分為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，其中各過程中功和熱量的計(jì)算式與正向卡諾循環(huán)相同，只是傳遞方向相反。它們各自的經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為： 制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為        熱泵循環(huán)的供暖系數(shù)為,這兩種循環(huán)的工作溫度范圍有所不同。,（3-2）,（3-3

35、）,四、多熱源可逆循環(huán),熱源多于兩個(gè)的可逆循環(huán)如右圖所示。此循環(huán)的平均吸熱溫度 和平均放熱溫度 分別定義為：,圖5-5 多熱源可逆循環(huán),為什么？,此循環(huán)的熱效率可用 和 表示，其值小于工作在同溫限間的卡諾循環(huán)的熱效率，即：,結(jié)論：工作于兩個(gè)熱源間的一切可逆循環(huán)（包括卡諾 循環(huán)）的熱效率高于相同溫限間多熱源的可逆循環(huán)。,（3-4）,定理一：      

36、  在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪種工質(zhì)也無關(guān)。定理二：        在溫度同為T1的熱源和同為T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)。,§3-3 卡諾定理,卡諾定理有著廣泛和重要的意義，任何一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電

37、能、或其他能量的轉(zhuǎn)化裝置（包括熱力循環(huán)機(jī)、溫差電池等）都受到熱力學(xué)第二定律的制約，都必須有熱源和冷源，其熱效率均不可能超過相應(yīng)的卡諾循環(huán)。,設(shè)工質(zhì)在TH=1 000 K的恒溫?zé)嵩春蚑L＝300 K的恒溫冷源間按熱力循環(huán)工作( 見下圖 )，已知吸熱量為100 kJ ，求熱效率和循環(huán)凈功。,（1）理想情況，無任何 不可逆損失；（2）吸熱時(shí)有200 K溫差，放熱時(shí)有100 K溫差。,例 5-1,圖5-6 例5-1附圖,（1）在兩個(gè)熱源間

38、工作的可逆循環(huán)的熱效率同卡諾循環(huán)：,又因,所以Wnet = 70 kJ，也是最大循環(huán)凈功Wnet,max 。,解：,（2）設(shè)想熱（冷）源和工質(zhì)間插入中間熱源，而將不可逆循環(huán)問題轉(zhuǎn)化為溫度分別為800 K和400 K的兩個(gè)中間熱源間的可逆循環(huán)，則熱效率和凈功分別為：,綜合以上兩節(jié)，可得出以下有關(guān)熱效率的重要結(jié)論： 在兩個(gè)熱源間工作的一切可逆循環(huán)，它們的 相 同，與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只決定于熱源和冷源的

39、 溫度，且都等于卡諾循環(huán)的熱效率 ； 溫度界限相同，但具有多于兩個(gè)熱源的可逆循環(huán) 的 低于卡諾循環(huán)的 ； 不可逆循環(huán)的 比同樣條件下可逆循環(huán)的小。,熱效率方面的重要結(jié)論,什么是“永動(dòng)機(jī)”？,“永動(dòng)機(jī)”即永遠(yuǎn)能“動(dòng)”的機(jī)器，分為如下三類，前兩種屬于“天上掉餡餅”，第三類與絕對(duì)零度或摩擦有關(guān)。 違背熱力學(xué)第一定律(熱效率大于100％)。20世紀(jì)90年代山東棗莊有人聲稱

40、“發(fā)明”了一個(gè)“耗電12kW，可發(fā)電36kW”的發(fā)電機(jī)，但再無音訊。美國專利局已有數(shù)以千計(jì)的類似專利申請(qǐng)，也尚無成功報(bào)道。 違背熱力學(xué)第二定律(熱效率等于100％)。如果此類機(jī)器能夠制造成功，由于太陽能、地?zé)崮芎秃Ｑ鬅崮艿榷际恰盁o限”多的，那能源危機(jī)也就不存在了。 能吸盡一個(gè)物體熱量，而將其冷卻到絕對(duì)零度。另外一種說法：無摩擦，利用物體慣性使物體永動(dòng)。隨著科技進(jìn)步，絕對(duì)零度正越來越趨近，但尚未有已經(jīng)達(dá)到的事實(shí)見諸于

41、世。,永動(dòng)機(jī)發(fā)明成功了？（南方都市報(bào)2004/11/23－ A45版）,一位自稱是梁星人博士的人宣布：永動(dòng)機(jī)在中國成功了。只要在啟動(dòng)時(shí)用外力推一下，汽車就會(huì)利用地球引力的加速度，不停向前，根本不用任何燃油或電能。自創(chuàng)“反重力原理及其實(shí)用技術(shù)” — 將永恒使地球永動(dòng)的加速引力，通過電腦，扭曲其引力線束，用在任意粒子上，使之自動(dòng)作圓周式循環(huán)加速永動(dòng)，此即永動(dòng)機(jī)的永動(dòng)原理。1985年以來我國已經(jīng)有23件“永動(dòng)機(jī)”專利申請(qǐng)，但無一

42、獲得授權(quán)。,從永動(dòng)機(jī)角度對(duì)熱力學(xué)三定律的詮釋,1912年9月，能斯特在《熱力學(xué)新發(fā)展》一文中，利用永動(dòng)機(jī)的概念對(duì)熱力學(xué)三定律進(jìn)行了新的詮釋：制造一臺(tái)可由“無”產(chǎn)生持續(xù)熱量或外功的機(jī)器，是不可能的；設(shè)計(jì)一臺(tái)能將周圍的熱量轉(zhuǎn)變成外功的機(jī)器，是不可能的；設(shè)想出一臺(tái)能完全吸盡一個(gè)物體的熱量的機(jī)器，也就是能將其冷卻到絕對(duì)零度，是不可能的。,一、狀態(tài)參數(shù)熵的導(dǎo)出 熵是與熱力學(xué)第二定律緊密相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。它在

43、 判別過程的方向、可逆程度和能否實(shí)現(xiàn)等方面有重要的作用，也是熱力學(xué)第二定律量化的參數(shù)之一。 克勞修斯積分等式：　 定義：,圖5-7 熵參數(shù)導(dǎo)出用圖,§3-4 熵參數(shù)、熱過程方向的判據(jù),（3-5）,（3-6）,二、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）克勞修斯積分不等式（2）熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,,r,T,（3-7）,（3-8）,（3-9）

44、,（3-10）,可逆絕熱過程（1－2S）即為定熵過程；不可逆絕熱過程（1－2）中，能量耗散的存在（如耗散熱）會(huì)導(dǎo)致熵增量的產(chǎn)生，這種熵增量叫做熵產(chǎn)（Sg）。即： 能量耗散是熵產(chǎn)的唯一原因。熵產(chǎn)不可能小于零，最低（可逆過程）為零。熵產(chǎn)是過程不可逆程度的量度，過程的不可逆損失會(huì)隨它的增加而增大。,三、不可逆絕熱過程分析（閉口系統(tǒng)）,圖5-8 絕熱膨脹過程,（3-11）,一、孤立系熵增原理 孤立系和絕熱

45、封閉系統(tǒng)的熵變 孤立系和絕熱封閉系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生不可逆變化時(shí)，其熵只能增大；極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變， 使其熵減小的過程不可能出現(xiàn)。 孤立系熵增與作功能力損失的關(guān)系為： 下面為一孤立系熵增原理舉例。,§3-5 熵增原理,（3-12）,（3-13）,孤立系中有物體A和B，溫度各為TA和TB，這時(shí)孤立系的熵增 若為有限溫差傳熱，TA

46、>TB，則有 若為無限小溫差傳熱，TA＝TB，有,A,B,,Q,單純的傳熱過程,二、熵增原理的實(shí)質(zhì)  實(shí)際過程都不可逆，所以實(shí)際的熱力過程總是朝著使 系統(tǒng)總熵增大的方向 進(jìn)行。熵增原理闡明 了過程進(jìn)行的方向。孤立系統(tǒng)內(nèi)部存在不平衡勢差是過程自動(dòng)進(jìn)行的推動(dòng) 力，也是總熵增大的原因。當(dāng)自動(dòng)過程停止進(jìn)行時(shí)， 孤立系統(tǒng)的總熵達(dá)到最大值，系統(tǒng)

47、達(dá)到相應(yīng)的平衡狀 態(tài)，這時(shí) ，即為平衡判據(jù)。因而，熵增原 理指出了熱過程進(jìn)行的限度。,熵增原理還指出： 導(dǎo)致孤立系統(tǒng)熵減的過程不可能單獨(dú)進(jìn)行，除非 有補(bǔ)償過程（使孤立系統(tǒng)熵增的過程）伴隨發(fā)生，以 使孤立系統(tǒng)總熵增大至少保持不變。從而熵增原理揭 示了熱過程進(jìn)行的條件。       熵增原理全面地、透徹地揭示了熱

48、過程進(jìn)行的方 向、限度和條件，這些正是熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)。,閉口系（控制質(zhì)量）熵方程        它表示：控制質(zhì)量的熵變等于熵流和熵產(chǎn)之和。其中熵流和熵產(chǎn)分別為：,§3-6 熵流和熵產(chǎn),（3-14）,（3-15）,（3-16）,一、能量的可轉(zhuǎn)換性、 和  不同形式能量間的相互轉(zhuǎn)換是受熱力學(xué)第二定律制約

49、的。機(jī)械能和電能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。機(jī)械能和電能等這類可無限可轉(zhuǎn)換的能量成為 ，習(xí)慣上 指“有用功”。而把能量中不可能轉(zhuǎn)化為有用功的部分稱為 （或“廢熱”）。各種系統(tǒng)和能量都有不同的對(duì)外界做有用功的能力，不同溫度下的熱量轉(zhuǎn)化成有用功的能力也不同。能量可轉(zhuǎn)化為有用功的能力稱為能量的品質(zhì)，能量是其“質(zhì)”和“量”（多少）的統(tǒng)一。,§3-7 和 效率,與環(huán)境處于熱力不平衡

50、的閉口系或一定量的流動(dòng)工質(zhì)，當(dāng)它們只與環(huán)境發(fā)生作用（流動(dòng)工質(zhì)需要通過穩(wěn)流熱力系）、可逆地變化到與環(huán)境平衡時(shí)，可分別作出最大的有用功，分別稱之為閉口系工質(zhì)的熱力學(xué)能 和穩(wěn)流工質(zhì)的焓 。在環(huán)境條件下，能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高分額稱為該能量的 ?；蛘邿崃ο抵慌c環(huán)境相互作用，從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境相平衡狀態(tài)時(shí)，作出的最大有用功稱為該熱力系的 。平衡法為熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析提供了熱力學(xué)基礎(chǔ)。,熱力學(xué)中關(guān)于 有各種定義：, 熱量

51、         溫度為T0 的環(huán)境條件下,系統(tǒng)（T >T0 )所提供 的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值是熱量 ，用Ex,Q 表示。,二、熱量 和冷量,（3-17）,（3-18）, 冷量,溫度低于環(huán)境溫度T0 的系統(tǒng)（T <T0），吸入熱量Q0時(shí)作出的最大有用功稱為冷量 ，用Ex,Q0表示。,（3-19）,（3-20）

52、,三、孤立系中熵增與 損失，能量貶值原理    孤立系熵增等于熵產(chǎn) 表明：環(huán)境溫度T0一定時(shí)，孤立系統(tǒng) 損失與其熵增成正比。上式同樣適用與開口或閉口系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)中進(jìn)行熱力過程時(shí) 只會(huì)減小不會(huì)增大，極限情況下（可逆過程） 保持不變，這就是能量貶值原理，即,（3-21）,（3-22）,由于實(shí)際過程總有某種不可逆因素，能量中的一部分 不可避免地將退化為 ，而

53、且一旦退化為 就再也無法轉(zhuǎn)變?yōu)?，即能量貶值。因而盡可能地減少 損失是合理用能和節(jié)能的方向。,四、 效率    熱力過程越接近可逆，該過程造成的 損越小，能量中可用部分的利用程度越高。 效率可定義為：過程進(jìn)行中實(shí)現(xiàn)的 的有效轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移與該過程進(jìn)行導(dǎo)致的 減少量的比值。 與熱效率相比， 效率更能從本質(zhì)上準(zhǔn)確地反映熱力過程的能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換的程度。,4 理想氣體,4

54、-1 理想氣體的概念和狀態(tài)描述4-2 理想氣體的比熱容4-3 理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵4-4 理想氣體的典型熱力過程4-5 理想氣體的多變過程,課件目錄,,§4-1 理想氣體的概念和狀態(tài)描述,理想氣體是一種假想氣體。在宏觀上，它遵守理想氣體的三個(gè)定律(?)；在微觀上，其分子是些彈性的、不具體積的質(zhì)點(diǎn)，分子間相互沒有作用力。 理想氣體可看作是實(shí)際氣體在 時(shí)的極

55、限狀態(tài)，此時(shí)分子本身體積遠(yuǎn)小于其活動(dòng)空間，內(nèi)位能可以忽略。 工程中常用的氧氣、氮?dú)狻⒖諝?、燃?xì)獾裙べ|(zhì)，在通常使用的溫度、壓力下都可作為理想氣體處理。,一、理想氣體的概念,1、理想氣體狀態(tài)方程式(Claypeyron方程)的推導(dǎo),二、理想氣體的狀態(tài)方程式,顯然，上式中的Rg只與氣體種類有關(guān)，而與氣體所處狀態(tài)無關(guān)，故稱之為某種氣體的氣體常數(shù)。,根據(jù)三大實(shí)驗(yàn)定律可知，對(duì)單位質(zhì)量的任一種理想氣體而言，均有：,（4-1）,注：式（4-1）

56、可反證之,摩爾（mol）是表示物質(zhì)的量的基本單位。 摩爾質(zhì)量(? ) ：1mol物質(zhì)的質(zhì)量，單位是g/mol或kg/kmol，數(shù)值上等于物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量?r（過去稱分子量）。物質(zhì)的量n與物質(zhì)的質(zhì)量m有以下關(guān)系：          1mol氣體的體積以Vm 表示，顯然,2、摩爾質(zhì)量和摩爾體積,（4-2）,（4-3）,阿伏加德羅定

57、律指出：同溫同壓下，各種理想氣體的摩爾體積都相同。 根據(jù)克拉貝龍方程可知： ，即 與氣體狀態(tài)無關(guān)；由阿伏加德羅定律可知： 也與氣體種類無關(guān)。令 ，則R是與理想氣體的狀態(tài)和種類都無關(guān)的普適恒量，稱為摩爾氣體常數(shù)（或通用氣體常數(shù)）。因而有：,3、氣體常數(shù),（4-4）,理想氣體的狀態(tài)方程式的各種形式,針對(duì)不同物量，理想氣體狀態(tài)方程的形式也所不同，分別為： 1kg氣體

58、 1mol氣體 m千克的氣體 或 n摩爾的氣體,某臺(tái)壓縮機(jī)每小時(shí)輸出3200 m3、表壓力pe=0.22 MPa、溫度t=156 ℃的壓縮空氣。設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫b=765mmHg，求壓縮空氣的質(zhì)量流量qm以及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qv0。,例 3-1,§3-2 理想氣體的比熱容,一、比熱容的定義 物體溫度升高1K所需的熱量稱為熱容（C ，

59、J/K）。 1kg物質(zhì)溫度升高 1K 所需的熱量稱為質(zhì)量熱容，又稱為比熱容『c ，J/(kg·K)）』，其定義式為：      或 1mol物質(zhì)的熱容稱為摩爾熱容『Cm, J/（mol· K）』。 標(biāo)態(tài)下1m3 物質(zhì)的熱容為體積熱容『C ’, J/(mN3 · K)』。

60、 上述三種比熱容之間的關(guān)系為：,（4-9）,熱力設(shè)備中，工質(zhì)往往是在接近壓力不變或體積不變的條件下吸熱或放熱的，因此定壓過程和定容過程的比熱容最常用，它們分別稱為比定壓熱容和比定容熱容，分別以 和 表示。,（4-10）,（4-11）,邁耶公式： 比值 稱為比熱容比，或質(zhì)量熱容比，它在熱力學(xué)理論研究和熱工計(jì)算方面是一重要

61、參數(shù)，以 表示。,二、定壓熱容與定容熱容的關(guān)系,（4-12）,（4-13）,（4-14）,,單原子氣體 i＝3 ，γ＝1.67雙原子氣體 i＝5 ， γ＝1.40多原子氣體 i＝7 ， γ＝1.29（ i為分子的自由度，多原子氣體 “i=7 ”？） 考慮到振動(dòng)動(dòng)能，實(shí)際值比理論值高且隨著T ↑和分子的原子數(shù)↑ ，偏差↑。,三、理想氣體的定值比熱,§3-3

62、 理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵,一、熱力學(xué)能和焓   二、狀態(tài)參數(shù)熵 （見1－6節(jié)） 三、理想氣體的熵變計(jì)算,（4-15）,（4-16）,（4-17）,（4-18）,（4-19）,目的：揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)化情況，進(jìn)而找出影響轉(zhuǎn)化的主要因素。,§4-4 理想氣體的典型熱力過程,即比體積保持不變的過程，過程方程式為:  

63、0;                              V = Constant 顯然，此過程中壓力與熱力學(xué)溫度成正比。 由于體積不

64、變，所以定容過程的容積功為零，即：,一、定容過程,（4 - 20）,（4 - 21）,圖4-1 定容過程的 p-v 圖及 T-s 圖,二、定壓過程,定壓過程是工質(zhì)壓力保持不變的熱力學(xué)過程。其過程方程式為：  顯然，此過程中氣體的比體積與絕熱溫度成正比。 定壓過程的技術(shù)功為零，即 定壓過程的p－v圖及T－s圖（略）,（4-22）,（4-23）,三、定溫過程,定溫過程是工質(zhì)溫度保持不變的

65、熱力學(xué)過程（T=定值）。過程方程式為:     定溫過程過程功、過程熱量、技術(shù)功相同，均為： 定溫過程也是定熱力學(xué)能過程、定焓過程： 定溫過程的 p－v 圖及 T－s 圖（略）。,（4-24）,（4-25）,四、絕熱過

66、程,絕熱過程是任一微元過程中系統(tǒng)與外界都無熱交換的過程，即 可逆絕熱過程又稱為定熵過程，其過程方程式為：            其中k為定熵指數(shù)，對(duì)于理想氣體： （？)。 定熵過程的p－v圖及T－s圖（略）。,（4-26）,(一) 多變過程及過程方程式   &

67、#160;  多變過程是工質(zhì)的 p和 v 成指數(shù)關(guān)系的過程,用數(shù)學(xué)式描述即：            多變過程更為一般化，但并非任意的過程，它仍然依據(jù)一定的規(guī)律變化。 整個(gè)過程服從上面的過程方程，其中 n 為定值，稱為多變指數(shù)。,§ 4-5 理想氣體的多變過程,（4-27）,理

68、想氣體的多變過程中，初、終態(tài)參數(shù)間關(guān)系可根據(jù)過程方程及狀態(tài)方程得出：,（二） 初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系,（4-28）,（4-29）,（4-30）,多變過程的技術(shù)功是過程功的n 倍過程熱量：可見多變過程的比熱容為：,（三） 過程功、技術(shù)功及過程熱量,（4-31）,（4-32）,（4-33）,（四） 多變過程的特性及在 p-v 圖，T-s 圖上 的表示:,圖4-2 多變過程的p-v圖及T-s圖,定容、定壓、

69、定溫、定熵四個(gè)基本熱力過程可看作多變過程的特例。根據(jù)多變過程的過程方程不難得知： 當(dāng) n = 0 時(shí)，即定壓過程；     當(dāng) n = 1 時(shí)，即定溫過程；     當(dāng) n = k 時(shí)，即定熵過程；     當(dāng) n =±∞  時(shí)，即定容過程；

70、 許多公式可以通過改變n值，就能得到各種特殊過程的相應(yīng)形式。,（五） 過程綜合分析,四種基本熱力過程如圖所示?？梢姡琻 值按順時(shí)針方向逐漸增大，由 －∞→0 →1 → K→ ＋ ∞ 。,1、過程線的分布規(guī)律,圖4-3 各種過程的p-v圖和T-s圖,,,,,,,,,,,,,,,,,n=k,n=k,n=1,n=1,n=0,n=0,定溫,定容,定壓,絕熱,定壓,定容,絕熱,n=k,n=1,1,1,,,過程功的正負(fù)以定容線為界，右側(cè)或右

71、下區(qū)域過程功大于零；反之過程功小于零。 過程熱量的正負(fù)以定熵線為分界，右側(cè)或右上區(qū)域?yàn)榧訜徇^程；反之為放熱過程。 理想氣體熱力學(xué)能（或焓）的增減以定溫線為分界，上側(cè)或右上區(qū)域，熱力學(xué)能（或焓）是增大的；反之熱力學(xué)能（或焓）減小。,3、理想氣體可逆過程計(jì)算公式列表（略）,2、坐標(biāo)圖上過程特性的判定,5 水蒸氣,序言5-1 純物質(zhì)的熱力學(xué)面及相圖5-2 水的定壓加熱汽化過程5-3 水和水

72、蒸氣的狀態(tài)參數(shù)5-4 水蒸氣的基本過程5-5 濕空氣性質(zhì)簡介,,水蒸氣一直熱力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的主要工質(zhì)。在熱力系統(tǒng)中用作工質(zhì)的水蒸氣距液態(tài)不遠(yuǎn)，工作過程中常有集態(tài)的變化，故不宜作理想氣體處理。   本章主要介紹水蒸氣產(chǎn)生的一般原理、水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)的確定、水蒸氣圖表的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用以及水蒸氣熱力過程中功和熱量的計(jì)算。,序言,大家知道一般物質(zhì)的三態(tài)和水的三態(tài)。熱力學(xué)面即是以p, v, T表示的物質(zhì)各種狀態(tài)

73、及其轉(zhuǎn)變的曲面（見下圖）。,§ 5-1 純物質(zhì)的熱力學(xué)面及相圖,水的熱力學(xué)面【z=f(x,y) 是面函數(shù)】,,飽和線、三相線和臨界點(diǎn),四個(gè)線：三個(gè)飽和線、一個(gè)三相線；一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn),純物質(zhì)的p-T相圖,汽相和液相,因固相不流動(dòng)，我們更關(guān)心汽液兩相！,冰蓄冷,Gibbs相律(P204),處于飽和狀態(tài)(?)的蒸汽和液態(tài)水分別稱為飽和蒸汽和飽和水。此時(shí)，汽、液的溫度和壓力均相同，分別稱為飽和溫度Ts( )和飽和壓力( )。

74、,三相點(diǎn)是其相圖上三條相平衡曲線的交點(diǎn)。根據(jù)吉布斯相律可知，三相點(diǎn)的獨(dú)立強(qiáng)度量數(shù)為零。此時(shí)水三相點(diǎn)的壓力和溫度是確定的（比體積呢？），分別是:,水的汽相和液相,工程上所用的水蒸氣通常是水定壓沸騰汽化而產(chǎn)生的。水在定壓加熱下的狀態(tài)變化為：（1）最初 ，處于過冷水(或未飽和水)狀態(tài)；（2）t升至ts ，尚無水汽化，達(dá)到飽和水狀態(tài)；（3） , 部分水汽化，進(jìn)入濕飽和蒸汽狀態(tài)；（4） ,水全部汽化，達(dá)到(干)飽