第一章熱機(jī)與熱功轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律

第1章熱機(jī)與熱工轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律▼▼▼▼熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的過(guò)程1.1熱工轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)1.2熱功轉(zhuǎn)換的效率1.4理想氣體的熱力過(guò)程1.31.1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程一熱機(jī)與工質(zhì)的概念熱機(jī)

將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械裝置。工質(zhì)

實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體。二往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例）進(jìn)氣壓縮燃燒膨脹排氣1.2熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)一相關(guān)概念熱力系統(tǒng)

熱力學(xué)所研究的對(duì)象。

外界

與熱力系統(tǒng)有作用關(guān)系的周?chē)矬w。邊界

系統(tǒng)與外界的分界面。閉口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界沒(méi)有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開(kāi)口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)稱(chēng)為狀態(tài)

描述這種宏觀狀態(tài)的物理量稱(chēng)為狀態(tài)參數(shù)。熱力系統(tǒng)在沒(méi)有外界作用情況下宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)稱(chēng)為平衡狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)。1）系統(tǒng)與外界是人為規(guī)定的；2）外界與環(huán)境介質(zhì)是不同的，前者是抽象概念，后者是物質(zhì)世界；3）邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的二狀態(tài)參數(shù)氣體壓力是組成氣體的大量分子在紊亂的熱運(yùn)動(dòng)中對(duì)容器壁碰撞的結(jié)果，是單位表面積上的垂直作用力。系統(tǒng)溫度表示物體的冷熱程度，描述分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的參數(shù)。單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積稱(chēng)為比體積ν單位體積工質(zhì)的質(zhì)量為密度，用ρ表示，ρ·ν=1宏觀靜止的物體，其內(nèi)部的分子、原子等微粒仍在不停地運(yùn)動(dòng)著，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為熱運(yùn)動(dòng)。物體因物體熱運(yùn)動(dòng)而具有的能量稱(chēng)為熱力學(xué)能U(比熱力學(xué)能u)。焓H=U+pV

h=u+pv-比焓焓是狀態(tài)量，表示工質(zhì)進(jìn)入或離開(kāi)系統(tǒng)所攜帶的總的熱力學(xué)能。單位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）儲(chǔ)存于熱力系統(tǒng)的能量稱(chēng)為熱力系統(tǒng)的儲(chǔ)存能也叫總能E三狀態(tài)參數(shù)的坐標(biāo)圖

為了分析問(wèn)題的方便，工程上通常采用兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)組成坐標(biāo)圖來(lái)表示工質(zhì)所處的狀態(tài)。p–v圖（示功圖）和T–s圖（示熱圖）-P16熱力過(guò)程是指熱力系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。

如果熱力系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)無(wú)摩擦地連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)，這樣的過(guò)程稱(chēng)準(zhǔn)平衡（靜態(tài)）過(guò)程。

如系統(tǒng)完成了某一過(guò)程之后再沿著原路逆行回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，外界也隨之恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，而不留下任何變化的過(guò)程稱(chēng)為可逆過(guò)程。循環(huán)是封閉的熱力過(guò)程。三狀態(tài)參數(shù)的坐標(biāo)圖

可逆過(guò)程與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的關(guān)系1.可逆過(guò)程=準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+沒(méi)有耗散效應(yīng)2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程描述系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆過(guò)程描述系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果。3.一切實(shí)際過(guò)程是不可逆過(guò)程。4.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示。四功和熱量

功是指熱力系統(tǒng)通過(guò)邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。膨脹功，壓縮功，體積功

四功和熱量

熱量是指僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。是兩物體通過(guò)微觀的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。

傳熱與否的標(biāo)志用狀態(tài)參數(shù)熵s表示。P17

四功和熱量

熱量與功的異同：1.都是通過(guò)邊界傳遞的能量；2.都是過(guò)程量；3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫度差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；4.功是物系間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用，可以描述為：熱能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，且在相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總量保持守恒。

（加入熱力系統(tǒng)的能量的總和）-（離開(kāi)熱力系統(tǒng)能量的總和）=（熱力系統(tǒng)總能量的增量）

五熱力學(xué)第一定律（一）閉口系統(tǒng)的能量方程（1）公式可用于任何過(guò)程，任何工質(zhì)。（2）Q、W、U為代數(shù)值。當(dāng)熱力學(xué)能增加時(shí)，U>0，當(dāng)熱力學(xué)能減少時(shí)，U<0。（3）對(duì)可逆循環(huán)，因du=0，故：對(duì)1kg工質(zhì)而言，有：對(duì)微元過(guò)程而言，有：（二）開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)方程（系統(tǒng)總能量的增量dE=0）開(kāi)口系統(tǒng)任何流動(dòng)形式能量普遍關(guān)系式的微元形式：稱(chēng)為技術(shù)功，表示技術(shù)上可資利用的功。開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)方程1）第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開(kāi)系中能量方程才用焓。2）通過(guò)膨脹，由熱能轉(zhuǎn)化為功，對(duì)1kg工質(zhì)而言，有：對(duì)微元過(guò)程而言，有：例1

大型低速船用發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹做功過(guò)程可以簡(jiǎn)化為定壓過(guò)程，假設(shè)活塞上止點(diǎn)氣體壓力為1MPa，體積為0.35m3，活塞在下止點(diǎn)時(shí)體積為1.15m3，膨脹過(guò)程中氣體熱力學(xué)能增加了40kcal，試求空氣所做的膨脹功及膨脹過(guò)程中所需要的熱量（1kcal=4.1868kJ）。解：已知p1=1Mpa，v1=0.35m3，p2=p1(定壓)，v2=.15m3，U=U2–U1=40kcal。因?yàn)閴毫σ欢ǎ耘蛎浌?/p>

=1×106Pa×(1.15m3–0.35m3)=800kJ膨脹過(guò)程中所需熱量為Q=U2–U1+W=40×4.1868kJ+800kJ=967.5kJ理想氣體狀態(tài)方程式

理想氣體是指氣體的分子本身不具有體積，分子間也沒(méi)有作用力。理想氣體是實(shí)際氣體在低壓（<5MPa）高溫時(shí)的抽象。1.3理想氣體的熱力性質(zhì)

1.3.1

理想氣體的比熱容、熱力學(xué)能和焓

比熱容c（J/kgK）是單位質(zhì)量的物質(zhì)在可逆過(guò)程中溫度升高1℃（或1K）所吸收或放出的熱量比定容熱容比定壓熱容

比定容熱容、比定壓熱容是狀態(tài)參數(shù)，是溫度的單值函數(shù)。1.3.2

理想氣體的熵

熵是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過(guò)程與外界交換的熱量。理想氣體定值比熱容過(guò)程熵的變化多變過(guò)程：滿足方程pvn=常數(shù)的過(guò)程，其中n為常數(shù)。1.4理想氣體的熱力過(guò)程

比熱容為定值膨脹功和技術(shù)功的計(jì)算

多變過(guò)程熱量的計(jì)算

稱(chēng)為多變過(guò)程比熱。其中k為比熱容比，值為cp/cv例5

把1kg空氣由溫度為10℃，壓力為1bar，體積為0.8m3的狀態(tài)，按照pV1.3=常數(shù)的關(guān)系，壓縮至壓力為7bar，試求下列各值（1）壓縮終點(diǎn)的溫度；（2）壓縮比v1/v2；（3）壓縮所需的功；（4）熱力學(xué)能的變化；（5）工質(zhì)與外界交換的熱量。解：（1）由多變過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式（1-73）可計(jì)算出壓縮終點(diǎn)的溫度（2）由式（1-71）可計(jì)算出壓縮比v1/v2：（3）壓縮過(guò)程所需功量則可由式（1-79）計(jì)算，（4）由式（1-74）計(jì)算熱力學(xué)能的變化u=cv0(T2–T1)=0.716(443.6–283)kJ/kg=115kJ/kg（5）工質(zhì)與外界交換的熱量q=w+u=–153.7kJ/kg+115kJ/kg=–38.7kJ/kg計(jì)算結(jié)果表明，空氣在該壓縮過(guò)程中由外界獲得了功量，對(duì)外放出了熱量，并最終使本身壓力、溫度增加。1.4.3四種基本熱力過(guò)程通過(guò)分析多變過(guò)程（pvn=常數(shù)）中熱功轉(zhuǎn)換的規(guī)律，四種基本熱力過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題就迎刃而解了，對(duì)應(yīng)不同的基本熱力過(guò)程問(wèn)題的各種形式只需將不同的n值代入或按照多變過(guò)程的類(lèi)似的分析方法分析即可。例如對(duì)定溫過(guò)程，已知它是當(dāng)n=1時(shí)的多變過(guò)程，所有相應(yīng)的公式只需將多變過(guò)程中的n換成1即可。定容過(guò)程定壓過(guò)程定溫過(guò)程絕熱過(guò)程多變指數(shù)n01k定壓過(guò)程：n=0，斜率定容過(guò)程：n=，斜率定溫過(guò)程：n=1，斜率

等熵過(guò)程：n=k，斜率1.4.3

四種基本熱力過(guò)程定壓過(guò)程：n=0，斜率定容過(guò)程：n=，斜率定溫過(guò)程：n=1，斜率

等熵過(guò)程：n=k，斜率1.4.3

四種基本熱力過(guò)程多變過(guò)程在p-v圖和T-s圖的規(guī)律定性分析

1.4

熱功轉(zhuǎn)換的效率熱力學(xué)第一定律說(shuō)明了熱量和功量?jī)烧咧g可以相互轉(zhuǎn)換，且在數(shù)量上有一定的當(dāng)量關(guān)系，即規(guī)定了熱能與機(jī)械能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中量的關(guān)系。熱力學(xué)第二定律則是從另一個(gè)角度研究熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題，它是關(guān)于解決過(guò)程進(jìn)行的方向、條件和限度等問(wèn)題的規(guī)律。工質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的狀態(tài)變化，重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的全部過(guò)程，稱(chēng)系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)熱力循環(huán)。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，循環(huán)的全部過(guò)程一定構(gòu)成一個(gè)閉合曲線，整個(gè)循環(huán)可看作一個(gè)閉合過(guò)程。1.4.1

熱機(jī)循環(huán)完成一個(gè)正向循環(huán)后全部效果為：1）高溫?zé)嵩捶懦隽藷崃縬1（或熱機(jī)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰醧1）。2）低溫?zé)嵩传@得了熱量q2（或熱機(jī)中工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧醧2）。3）熱機(jī)將(q1－q2)=q0的熱量轉(zhuǎn)化為功。4）工質(zhì)與機(jī)器設(shè)備回復(fù)到原來(lái)狀況，沒(méi)有變化。熱機(jī)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩吹玫降臒崮躴1，其中只有部分可以轉(zhuǎn)化為功，在部分熱能（q1－q2）轉(zhuǎn)化為功的同時(shí)，必有另一部分q2傳向低溫?zé)嵩?，后者是使熱能?jīng)過(guò)熱循環(huán)轉(zhuǎn)化成為功的必要條件。因此，一切熱動(dòng)力裝置都只能將從熱源得到的熱量中的一部分轉(zhuǎn)化成為功，這是熱動(dòng)力循環(huán)根本特性。正向循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性用熱效率t來(lái)衡量，即1）自發(fā)過(guò)程有方向性；2）自發(fā)過(guò)程的反方向過(guò)程并非不可進(jìn)行，而是要有附加條件；3）并非所有不違反第一定律的過(guò)程均可進(jìn)行。能量轉(zhuǎn)換方向性的實(shí)質(zhì)是能質(zhì)有差異無(wú)限可轉(zhuǎn)換能—機(jī)械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能—熱能不可轉(zhuǎn)換能—環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能1.4.2

熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述1.克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價(jià)地從低溫物體傳向高溫物體。2.開(kāi)爾文—普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機(jī)，只從一個(gè)熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而不在外界留下任何影響。3.熱力學(xué)第二定律各種表述是等效的?？ㄖZ循環(huán)是兩個(gè)熱源的可逆循環(huán)1.4.3

卡諾循環(huán)及熱效率2）3）第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成；

4）實(shí)際循環(huán)不可能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：

a）一切過(guò)程不可逆；

b）氣體實(shí)施等溫吸熱，等溫放熱困難；

c）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦，輸出凈功極微。5）卡諾循環(huán)指明了一切熱機(jī)提高熱效率的方向。1）卡諾定理

定理1：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤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(lèi)無(wú)關(guān)，與采用哪種工質(zhì)也無(wú)關(guān)。

定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度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)熱效率。理論意義：1）提高熱機(jī)效率的途徑：可逆、提高T1，降低T22）提高熱機(jī)效率的極限。循環(huán)熱效率歸納：適用一切循環(huán)，任意工質(zhì)。多熱源可逆循環(huán)，任意工質(zhì)?？ㄖZ循環(huán)，概括性卡諾循環(huán)，任意工質(zhì)實(shí)際熱機(jī)采用的循環(huán)是多種多樣的，主要決定于下列因素：1）工質(zhì)的性質(zhì)：是氣體還是蒸汽；2）燃料的性質(zhì)：是固體、液體、還是氣體，液體燃料則還要看是易揮發(fā)的輕油，還是不易揮發(fā)的重油；3）機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)：活塞式的還是葉輪式的。例1

某理想氣體動(dòng)力循環(huán)，空氣從初始狀態(tài)p1=1.01bar、t1=15℃、V1=0.014m3，絕熱壓縮到V2=0.0028m3，再定容加熱到p3=18.5bar，然后絕熱膨脹到p4=1.01bar，最后定壓放熱到初始狀態(tài)完成循環(huán)。試計(jì)算：（1）循環(huán)凈功量；（2）理想循環(huán)熱效率，并與同溫度范圍內(nèi)的卡諾循環(huán)熱效率相比較。解：按題意繪出循環(huán)的p-v及T-s圖，先確定各狀態(tài)點(diǎn)溫度為T(mén)1=273+15=2