第一篇工程熱力學演示文稿

第一篇工程熱力學演示文稿現在是1頁\一共有61頁\編輯于星期一優(yōu)選第一篇工程熱力學現在是2頁\一共有61頁\編輯于星期一例：

邊界可以是固定或運動的,也可以是真實或虛擬的,因此系統(tǒng)也可以是固定或運動的?，F在是3頁\一共有61頁\編輯于星期一

2.系統(tǒng)的分類閉口系、開口系、絕熱系、孤立系等。閉口系:與外界無物質交換的系統(tǒng)。開口系:

與外界有物質交換的系統(tǒng)。絕熱系:與外界無熱量交換的系統(tǒng)。孤立系：與外界無功、熱、物質交換的系統(tǒng)?，F在是4頁\一共有61頁\編輯于星期一另外，也可按系統(tǒng)內部狀況的不同，將系統(tǒng)分為均勻系（各部分化學成分和物理性質均勻一致）與非均勻系；單相系（單一物相）與復相系；單元系（純物質，空氣可看作純物質）與多元系等。現在是5頁\一共有61頁\編輯于星期一合理選擇系統(tǒng)是進行正確的熱力學分析的前提。在不涉及化學反應時，工程熱力學所討論的大多數熱力系統(tǒng)——簡單可壓縮系：由可壓縮流體構成、沒有電、磁、重力、運動和表面張力等外力場作用、沒有化學反應、系統(tǒng)與外界交換的功只有容積變化功一種。

系統(tǒng)選擇應根據實際情況，以解決問題方便為原則。系統(tǒng)選取方法對研究問題的結果沒有影響，僅與解決問題的繁復程度有關。

現在是6頁\一共有61頁\編輯于星期一一、工質的熱力狀態(tài)工質是實現熱、功轉換的工作物質，簡稱工質。熱能與機械功的相互轉換是通過工質一系列的狀態(tài)變化來實現的。工程熱力學中所研究的系統(tǒng)大多為簡單可壓縮系，與外界交換功的模式只有容積變化功，由于氣態(tài)物質具有良好的流動性和膨脹性，體積最容易發(fā)生變化，因此，熱力學中的工質基本是氣體以及有相變的液體。如空氣、燃氣、水蒸氣、水、制冷劑等。1-2、工質的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數現在是7頁\一共有61頁\編輯于星期一熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中的工質在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況。二、狀態(tài)參數可定量描述工質狀態(tài)特性的物理量稱為狀態(tài)參數。如基本狀態(tài)參數p、、T、和導出狀態(tài)參數u、h、s等。狀態(tài)參數的性質：是狀態(tài)的單值函數，只取決于工質所處的狀態(tài)，與過程無關?，F在是8頁\一共有61頁\編輯于星期一

若，，則

例：設x為任意狀態(tài)參數，則熱力學中常用的狀態(tài)參數有6個：壓力p、溫度T、容積V（比容）、熱力學能U、焓H

和熵S。其中p和T為強度性參數，在熱力過程中起著推動力的作用；

V、U、H、和S

為廣延性參數，反映過程進行的尺度。現在是9頁\一共有61頁\編輯于星期一三、基本狀態(tài)參數（p、、T）

通過儀表直接或間接測量得到的狀態(tài)參數稱為基本狀態(tài)參數，利用基本狀態(tài)參數計算得到的狀態(tài)參數為導出狀態(tài)參數。

強度性參數稱為廣義力或勢，與系統(tǒng)內工質的數量無關，沒有可加性；廣延性參數稱為廣義位移，具有可加性。單位質量的廣延性參數稱為比參數，具有強度參數的性質，沒有可加性，比參數可看作強度性參數?，F在是10頁\一共有61頁\編輯于星期一（1）絕對壓力p：

工質的真實壓力，真空時p=0,只有絕對壓力為工質的狀態(tài)參數。（2）表壓力pg：

絕對壓力高出當地大氣壓的數值。pb——大氣壓力（不恒定）N/m2

可用絕對壓力、表壓力或真空度三種形式表示。1、壓力現在是11頁\一共有61頁\編輯于星期一表壓力測量儀表常用單位

壓力表

MPa

U型管測壓計

Pa或mmH2O(Hg)（pg＝gh）（3）真空度pV：

絕對壓力低于當地大氣壓的數值。p、pg、pV關系圖：現在是12頁\一共有61頁\編輯于星期一

2、溫度

表示物體冷熱的程度。

溫標：溫度的數值表示方法。常用:熱力學溫標、攝氏溫標、華氏溫標。三種溫標關系式：C

3、比容和密度（、）

m3/kg

kg/m3

現在是13頁\一共有61頁\編輯于星期一平衡狀態(tài)

1、定義：系統(tǒng)中壓力、溫度處處相同、且不隨時間變化的狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)。只有平衡狀態(tài)才能由一組具有確定數值的狀態(tài)參數定量描述該狀態(tài)。2.

保持平衡狀態(tài)不變的條件：系統(tǒng)內部以及系統(tǒng)與外界之間不存在任何不平衡勢差。系統(tǒng)內外處于力的平衡和熱的平衡（溫度平衡）。1-3、平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程

現在是14頁\一共有61頁\編輯于星期一二、狀態(tài)公理狀態(tài)公理:熱力系平衡狀態(tài)獨立狀態(tài)參數的個數等于系統(tǒng)與外界交換能量的各種方式的總數。對由氣體組成的簡單可壓縮系統(tǒng)，獨立的狀態(tài)參數只有兩個。三、狀態(tài)方程式習慣上以反映基本狀態(tài)參數p、、T之間關系的公式稱為狀態(tài)方程式。

現在是15頁\一共有61頁\編輯于星期一常用的氣體狀態(tài)參數圖為：例

p－圖p－圖和T－

s圖狀態(tài)方程式的具體形式取決于工質的性質。

氣體狀態(tài)方程式：

或：p=f(T,v);T=f(p,v)

;v=f(p,T)

現在是16頁\一共有61頁\編輯于星期一常用的氣態(tài)工質可分為兩類：理想氣體和蒸氣（實際氣體）。理想氣體是指遠離液態(tài)點，不易液化的氣體；而蒸氣則是指離液態(tài)點較近，比較容易液化的氣體。理想氣體和蒸氣之間沒有絕對的界限，而且兩者可以相互轉化。如蒸氣在高過熱狀態(tài)時可看作理想氣體；而通?？煽醋骼硐霘怏w的氫氣、氧氣、氮氣、及惰性氣體等，在低溫和高壓狀態(tài)時就應將它們看作蒸氣。不同的氣體具有不同的液態(tài)點。理想氣體的狀態(tài)方程式最簡單。現在是17頁\一共有61頁\編輯于星期一一.準平衡過程

1、定義

過程：工質從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的全部經歷。準平衡過程：由一系列的平衡狀態(tài)（實際上是無限接近平衡狀態(tài)）所構成的過程。1-4、準平衡（準靜態(tài)）過程和可逆過程現在是18頁\一共有61頁\編輯于星期一

2、實現準平衡過程的條件

⑴無勢差損失（破壞平衡狀態(tài)存在的壓力差、溫差無窮?。?⑵弛豫時間短（恢復平衡快。即系統(tǒng)內外處于連續(xù)的動平衡狀態(tài)）。舉例:

氣缸中貯有氣體，裝有細砂的砂箱放在活塞上，設氣缸壁為良導熱材料，氣缸內外隨時保持溫度平衡。

現在是19頁\一共有61頁\編輯于星期一二.可逆過程

1、定義：能逆向進行，且系統(tǒng)與外界同時返回原態(tài)而不留下任何變化的過程（舉例）。

2、耗散效應與勢差損失耗散效應——通過摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?。勢差損失——由于壓差或溫差等勢差的存在而造成的損失（分子無序運動）?，F在是20頁\一共有61頁\編輯于星期一3、可逆條件例氣體在氣缸中絕熱膨脹，推動活塞向外移動，到達頂點后反向運動壓縮氣體。分析：①該系統(tǒng)能自動滿足弛豫時間短的條件；②設過程進行時：

i）沒有摩擦（無耗散效應）

ii）沒有壓差（無勢差損失）在此條件下，過程是可逆的。現在是21頁\一共有61頁\編輯于星期一可逆的條件為：

⑴系統(tǒng)內外隨時處于力的平衡和熱的平衡（無勢差損失）；⑵弛豫時間短；⑶無耗散效應。

結論：可逆過程＝沒有耗散效應的準靜態(tài)過程。4、實用意義許多實際過程可以近似的作為可逆過程處理,便于分析計算。現在是22頁\一共有61頁\編輯于星期一三.準靜態(tài)過程及可逆過程的圖示習題：1.3、1.5、1.10現在是23頁\一共有61頁\編輯于星期一2-1、熱力學第一定律的實質實質：是能量守恒及轉換定律在熱現象上的應用。兩種表述：

表述Ⅰ：熱量與其它形式的能量相互轉換時,總量保持不變。表述Ⅱ：第一類永動機是不可能制成的。

。對于一個循環(huán)，則第二章熱力學第一定律

現在是24頁\一共有61頁\編輯于星期一

針對工程上形形色色的熱工設備和熱力過程，常常將它們抽象簡化為不同的系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)與外界之間的能量關系不同，因此其相應的熱力學第一定律表達式（能量方程）也不同，但其本質都是相同的。根據能量守恒原理，熱力學第一定律的一般表達式為：系統(tǒng)收入能量－系統(tǒng)支出能量＝系統(tǒng)總儲存能的增量現在是25頁\一共有61頁\編輯于星期一儲存能包括內部儲存能和外部儲存能。2-2、系統(tǒng)的儲存能

內部儲存能是工質內部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內部的狀態(tài)，與系統(tǒng)內工質的分子結構及微觀運動形式等有關，簡稱內能；外部儲存能是系統(tǒng)作為宏觀整體所具有的宏觀能量，包括宏觀動能和重力位能，又稱轉移能。在簡單可壓縮系中，不涉及化學反應和核反應（無化學內能和核內能），所以可認為工質的內能就是熱力學能，僅包括分子的內動能和內位能（物理內能）。現在是26頁\一共有61頁\編輯于星期一一、熱力學能（內動能+內位能）

U＝U（T、）

J（kJ）比熱力學能：

J/kg

內動能包括分子的直線運動動能、旋轉運動動能以及分子內部原子和電子的振動能。由分子運動論，內動能與工質的溫度有關，溫度越高，內動能越大；內位能是氣體分子間相互作用力而形成的分子位能，分子位能的大小與分子間的距離有關，亦即與氣體的比容有關。因此簡單可壓縮系的內能（熱力學能）是溫度和比容的函數，即現在是27頁\一共有61頁\編輯于星期一實驗規(guī)律表明：當工質由狀態(tài)1

狀態(tài)2時，

結論：比熱力學能（簡稱熱力學能）是狀態(tài)參數。u＝f（T，）

或

u＝f（p，）……對理想氣體：內位能＝0，熱力學能＝內動能，即：u＝f（T），

比熱力學能總是由u1→

u2（只與狀態(tài)有關）。現在是28頁\一共有61頁\編輯于星期一二、外部儲存能（運動系統(tǒng)）宏觀動能＋重力位能

動能：

位能：

三、總能（總儲存能）對1kg工質：現在是29頁\一共有61頁\編輯于星期一功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏觀和微觀），只有在過程進行時才有能量遷移，所以功量和熱量均為過程量。

一、功量1、定義：功是在力的推動下，通過宏觀有序運動的方式傳遞的能量。常見形式：機械功、電磁功、化學功、表面張力功等。容積功——機械功的一種形式，包括膨脹功和壓縮功（熱力學重點研究）。2-3、功量與熱量現在是30頁\一共有61頁\編輯于星期一2、可逆過程容積功及圖示W＝F·dx＝p·A·dx＝pdV

由1→2時，對1kg工質：現在是31頁\一共有61頁\編輯于星期一規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。顯然

w1-a-2≠w1-b-2結論：

1）可逆過程的容積功可由

p－圖上過程線下的面積表示；

2）功是過程函數，不是狀態(tài)參數，微量記作

w或W。

現在是32頁\一共有61頁\編輯于星期一二、熱量

1、定義：由于系統(tǒng)內外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的能量。規(guī)定：系統(tǒng)工質吸熱為正、放熱為負。結論：熱量是過程函數，微量記作q

或

Q。熱量在溫熵（T-s）圖中的表示1）功、熱類比：在可逆過程中：過程推動力衡量能量交換的尺度功量pd

熱量T

ds現在是33頁\一共有61頁\編輯于星期一熵符號：s由

2）s的定義式J/(kg·k)——可逆過程適用

式中

s——1kg工質的熵，稱為比熵。

q——1kg工質的吸（放）熱量。對mkg工質：

T——工質的絕對溫度。J/k

Tqdsd1*

注意：在不可逆過程中，

現在是34頁\一共有61頁\編輯于星期一3）T－s圖q＝T·ds（微元面積）（過程線下面積）

可逆過程結論：對可逆過程，熱量可由T-s圖中過程線下的面積表示?，F在是35頁\一共有61頁\編輯于星期一對mkg工質：

顯然過程中：ds>0→q>0，吸熱

ds<0→q<0，放熱

ds＝0→q＝0，絕熱

結論：對可逆過程，熵變是判斷系統(tǒng)工質與外界有無熱量交換及熱流方向的判據。注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱力過程中傳遞的一種能量，而熱能則是指物體內部分子熱運動所具有的能量，熱能可儲存于系統(tǒng)內部，即所謂的熱力學能。熱量是過程量，而熱能是狀態(tài)量。

現在是36頁\一共有61頁\編輯于星期一3、通過比熱容計算熱量

可逆過程式中c——比熱容，J/(單位物理量·K)

以質量作為物量單位時：，

c

——質量比熱容，J/(kg·K)現在是37頁\一共有61頁\編輯于星期一熱力學第一定律是人類從長期實踐經驗中總結得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，適用于一切工質和一切熱力過程。對于不同的具體問題，可以表達為不同的數學表達式。2-4、熱力學第一定律及其解析式一、閉口系能量方程

對如圖所示的閉口系：根據能量守恒原理：現在是38頁\一共有61頁\編輯于星期一加入系統(tǒng)的熱量－系統(tǒng)對外做的功＝系統(tǒng)總儲能增量即或因此，對靜止的閉口系：上述各量均為代數量.

在工程上，比較常見的情況是閉口系工質在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)宏觀動能和宏觀位能為零或變化量近似為零，這種情況可看作靜止的閉口系，系統(tǒng)總儲能的變化就是熱力學能的變化?，F在是39頁\一共有61頁\編輯于星期一對1kg工質：靜止閉口系能量方程式對微元過程：或適用于任何工質、任何過程對可逆過程：由，

→

，

靜止閉口系能量方程式為：∴

現在是40頁\一共有61頁\編輯于星期一如前所述，由于工程上大多數情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將靜止閉口系的能量方程簡稱為閉口系能量方程，反而對運動的閉口系要特別說明。由閉口系能量方程，可以看到，包括工質內熱能（熱力學能）和外熱能（從外界獲得的熱量）的熱能與機械能的相互轉換必須依靠工質的容積變化，因此閉口系能量方程清晰地反映了熱能與機械能相互轉換的基本原理和關系，因而稱之為熱力學第一定律基本表達式。

現在是41頁\一共有61頁\編輯于星期一例：空氣向真空絕熱膨脹，求t2。解：選整個容器為閉口系,由熱Ⅰ∵q＝0，w＝0由u＝cV·tt＝0，t2＝t1

∴u＝0思考：能否由代入熱Ⅰ方程式求t2?計算時應注意公式的使用條件和單位,以及功量、熱量的正負號。現在是42頁\一共有61頁\編輯于星期一1）穩(wěn)定流動系統(tǒng)條件：氣輪機①

②

或const

③

const

Ws＝const二、穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程工程上許多熱力裝置在工作過程中常伴隨著工質的流進流出，如：氣輪機、壓氣機、鍋爐、換熱器及空調機等，當設備處于正常穩(wěn)定工況運行時，這些熱力系統(tǒng)都可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)（穩(wěn)流系）。

現在是43頁\一共有61頁\編輯于星期一2）軸功、流動功軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws。流動功：

對mkg工質：對1kg工質：（注意此處dV與W中不同）在進口處，為使工質流入系統(tǒng)，外界必須對流入的工質作功,以克服系統(tǒng)的內阻力,此功稱為推動（進）功?，F在是44頁\一共有61頁\編輯于星期一同理，出口處系統(tǒng)對1kg工質所作的推動功為：進出口處推動功的代數和稱為流動功，記作Wf。流動功是維持工質流動所必需的，通常是由泵或風機等加給被輸送工質的，是隨工質的流動而向前方移動的機械能，它不是工質本身具有的儲存能，只有在工質流動時才出現。

所以，流動功可表示為：

現在是45頁\一共有61頁\編輯于星期一3、穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程（熱I解析式）設

根據能量守恒原理：

進入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量即＝系統(tǒng)總儲能的增量(適用于一般開口系)現在是46頁\一共有61頁\編輯于星期一對穩(wěn)流系：令H＝U＋pV，稱為焓。對1kg工質，，稱比焓。則

或穩(wěn)流能量方程式（普遍適用）現在是47頁\一共有61頁\編輯于星期一對微元過程：或

各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任何工質。

式中:現在是48頁\一共有61頁\編輯于星期一技術功wt—技術上可利用的功(宏觀機械能)當，引入技術功后，穩(wěn)流能量方程可表達為時：在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質宏觀動能、宏觀位能的變化及軸功都是機械能，在技術上都可被用于對外界作功，因此稱之為技術功Wt（wt）

。

現在是49頁\一共有61頁\編輯于星期一閉口系和穩(wěn)流系能量方程的形式不同，但本質是相同的或等價的。都描述的是一定量的工質在熱力過程中的能量轉換關系。

工質在穩(wěn)定流動過程中同樣是一個膨脹過程。雖然開口系的邊界為剛性邊界，過程中系統(tǒng)的總容積不發(fā)生變化，但是，沿工質流程的流通截面是遞增的。因此，系統(tǒng)與外界交換功的方式和閉口系不同，工質所作的膨脹功是隱含的。三、各種功量的關系

現在是50頁\一共有61頁\編輯于星期一由或對可逆過程：現在是51頁\一共有61頁\編輯于星期一對mkg工質：可逆過程中技術功圖示：2）可逆過程穩(wěn)流能量方程式或使用條件：穩(wěn)流、可逆?，F在是52頁\一共有61頁\編輯于星期一因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術功之和。即一部分膨脹功用于提供工質流動所需的流動功，一部分用于增加工質的宏觀動能和宏觀位能，其余部分才對外輸出軸功。所以膨脹功是簡單可壓縮系熱變功的源泉，穩(wěn)流系中所有機械能的總和等于膨脹功。即現在是53頁\一共有61頁\編輯于星期一四、焓1.定義式

J比焓：

J/kg，簡稱焓。

h也是狀態(tài)參數。h可表示為任意兩個獨立的狀態(tài)參數的函數。

如：h＝f（p.T）……對于理想氣體：現在是54頁\一共有61頁\編輯于星期一2.焓的物理意義1）不論對非流動工質還是流動工質，焓都是狀態(tài)參數；2）對流動工質，h是隨工質流動時攜帶的取決于熱力狀態(tài)的那部分能量（或基本能量）。在開口系中，隨工質流動而攜帶的總能量包括工質的總儲能e和推動功p。在有些流動情況下，工質的宏觀動能和重力位能為零或忽略不計，但熱力學能和推動功是必定存在的，所以說焓是流動工質攜帶的基本能量。而宏觀動能和重力位能是外部儲存能，與工質的狀態(tài)無關，因此也可將h看作流動工質所攜帶的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。

現在是55頁\一共有61頁\編輯于星期一1、簡化工程實際問題的幾點原則

2-5、穩(wěn)流能量方程式應用舉例

1）對葉輪式機