工程热力学教案1(05版).doc

教 案

课程名称：工程热力学
所在单位：动力与能源工程学院
课程性质：专业基础课
授课学时：64学时（8学时实验）
授课专业：热能与动力工程，核工程与核技术，轮机工程
授课学期：第3（或4）学期

教 学 基 本 进 度
教学学时
主要教学内容
说 明
1～2
绪论，热能和机械能相互转换的过程，热力系统，工质的热力学状态及其基本状态参数
授课
3～4
平衡状态、状态方程式、坐标图，工质的状态变化过程，过程功和热量，热力循环
授课
5～6
热力学第一定律的实质，热力学能和总能，能量的传递和转化
授课
7～8
焓，热力学第一定律的基本能量方程式
授课
9～10
开口系统能量方程式，能量方程式的应用
授课
11～12　　
理想气体的概念，理想气体的比热容
授课
13～14
理想气体的热力学能、焓和熵，水蒸气的饱和状态和相图；　
授课
15～16
水的汽化过程和临界点；水和水蒸气的状态参数；水蒸气表和图
授课
17～18
理想气体的可逆多变过程；定容过程；定压过程；定温过程
授课
19～20
绝热过程；理想气体热力过程综合分析；水蒸气的基本过程
授课
21～22
热力学第二定律；卡诺循环和多热源可逆循环分析；卡诺定理　
授课
23～24
熵、热力学第二定律的数学表达式；熵方程
授课
25～26
孤立系统熵增原理
授课
27～28
火用参数的基本概念、热量用；习题课
授课
29～30
稳定流动的基本方程式；促使流速改变的条件；
授课
31～32
喷管的计算；
授课
33～34
有摩阻的绝热流动；绝热节流，习题课
授课
35～36
单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量；余隙容积的影响
授课
37～38
多级压缩和级间冷却。叶轮式压气机的工作原理。
授课
39～40
分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际循环的简化；活塞式内燃机的理想循环(1)
授课
41～42
活塞式内燃机的理想循环(2)；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
授课
43～44
燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环
授课
45～46
简单蒸汽动力装置循环-——朗肯循环
授课
47～48
蒸汽动力装置再热循环；回热循环，习题课
授课
49～50
概述；压缩空气制冷循环；压缩蒸汽制冷循环；热泵循环
授课
51～52
理想气体混合物；理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵
授课
53～54
湿空气；湿空气的状态参数；湿球温度和绝热饱和温度；湿空气焓-湿图；湿空气过程及其应用
授课
55～56
总结，机动
授课
57～58
工程热力学实验
实验
59～60
工程热力学实验
实验
61～62
工程热力学实验
实验
63～64
工程热力学实验
实验
教材：沈维道，蒋志敏，童钧耕合编. 工程热力学（第四版）北京：高等教育出版社，2001
严家騄 ，余晓福著. 水和水蒸汽热力性质图表. 北京：高等教育出版社，1995
主要参考资料：
曾丹苓，敖越，朱克雄等编.工程热力学（第二版）北京：高等教育出版社，1986
朱明善，林兆庄，刘颖等. 工程热力学.北京：.清华大学出版社.1995
严家騄编著.工程热力学（第二版）.北京：高等教育出版社，1989
朱明善，陈宏芳.热力学分析.北京：高等教育出版社，1992
赵冠春，钱立仑.火用分析及其应用. 北京：高等教育出版社，1984

绪 论
（课时1）
一、 为什么学习“工程热力学”
热力学与专业培养目标的联系，说明学习工程热力学对本学科的重要性。
二、能量
能量的形式：
由能量的形式，人类面临的能源形式说明工程热力学对于动力工程的重要性。
三、工程热力学的主要内容
热力学基本概念；热力学第一定律；气体和蒸汽的性质和基本热力过程；热力学第二定律；实际气体性质简介；气体和蒸汽的流动；压气机的热力过程；气体动力循环；蒸汽动力装置循环；制冷循环；理想气体混合物及湿空气；化学热力学基础。
四、热力学的研究方法
1. 宏观的研究方法（宏观热力学；经典热力学）
2. 微观的研究方法（微观热力学；统计热力学）
工程热力学主要应用宏观的研究方法，但有时也引用气体分子运动理论和统计热力学的基本观点及研究成果。
五、怎样学好工程热力学
强调到课率和作业的重要性。要求作业及时完成，不等不拖，说明考核方式。

59
第1章 基本概念及定义
（课时2）
一、基本要求
1. 掌握工程热力学中的一些基本概念（热力系，平衡态，准平衡过程，可逆过程）；
2. 掌握状态参数的特征，基本状态参数的定义和单位；
3. 掌握热量和功量过程量的特征，正确理解并运用可逆过程的热量、功量的计算。
二、本章重点和难点
1. 必须正确理解一些重要的概念：平衡状态，准平衡过程，可逆过程；
2. 区分状态量和过程量的特征。
1.1热能在热机中转变成机械能的过程
热能动力装置
引出几个定义：
工 质——实现热能和机械能相互转换的媒介物质（working substance）；
高温热源——工质从中吸取热能的物质；
低温热源——接受工质排出热源的物质；
能 源
做 功
媒介物质
排入大气或冷却水
能量
转移

余能
总结热能动力装置的工作特点（体现工程热力学的研究方法）
1.2热力系统
一、热力系统
1. 热力系的定义和图例：
热力学中把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递，这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。
热力系统
边界
外界
边界
热力系统
锅
炉
汽轮机
冷凝器
泵
过热器
Q1
Q2
W

2. 热力系的分类

（1）结合思考题1：闭口系与外界物物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗（开口系中的质量是否就一定是变化的）？
注意区分开口系与闭口系的主要因素为：区分是闭口系统还是开口系统的依据是有没有质量跨越系统的边界，而不是系统中质量的数量是否变化。
（2）“绝热”的概念：由于温差而传递的能量
（3）孤立系的取法与意图，在此处阐明孤立系是一个理想化的概念。是为了研究问题的方便，用一个假想的边界，把进行能量转换的一切有关物体都包括进来构成一个孤立系统。（强调）孤立系统内部各子系统之间可以有各种相互作用，而孤立系统与外界之间则无任何相互作用。（以利于第5章孤立系熵增的理解）。
3.热力系的选取
二、边界（Boundary/Control surface）系统与外界的分界面
说明：a. 边界可以是实际的，也可以是假定的；
b. 边界可以是固定的，也可以是移动的。

三、外界（Surrounding）
冷流体
热流体
以例子说明研究外界的作用。为热力系分析打基础。

四、热力系统模型实例
以换热器和高压锅中的热力传递为例，说明如何选好热力系。

1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数
1
2
一、热力学状态
1. 热力学状态
热力学状态的定义

2. 状态参数及其性质
状态参数
状态参数的性质
状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关。状态参数的这一特性表现在数学上是点函数，其微分差是全微分，而全微分沿闭合路线的积分等于0。即

状态参数的分类
强度量——压力和温度这两个参数与系统质量的多少无关，称为强度量；
广延量——体积V、热力学能U、焓H、熵S等与系统质量成正比，具有可加性，称作广延量。
物体A
热
物体B
冷
物体A
热平衡
物体B
热平衡
物体A

物体B

物体C

物体A
热平衡
物体B
热平衡
物体C
热平衡
注：热力学的广延量用大写字母表示，其比参数（单位质量的体积v、热力学能u、焓h、熵s）用小写字母表示。（通过对量的代数形式的定义，引导学生在科学研究中尊重术语）
二、温度
物理意义 宏观：温度是物体冷热程度的标志。
在此处插入热力学第零定律，使热力学体系更加完善。
微观
温度是物质微粒热运动激烈程度的标志。
测量
温度是利用温度计来测量的。
结合思考题，说明温度计的测温原理：（思考题5）
温标
温标——温度的数值表示法。

不同温标之间的关系：
可推出两种温标之间的关系。
几种类型的温度计及其测量属性
温度计
测温属性
气体温度计
液体温度计
电阻温度计
热电偶
磁温度计
光学温度计
压力或体积
体积
电阻
热电动势
磁化率
辐射强度

例1－1：铂金丝的电阻在冰点时为10.000Ω，在水的冰点时为14.247Ω，在硫的沸点（446℃）时为27.887Ω，试求出温度t/℃和电阻R/Ω的关系式中的常数A、B、R0的数值。

结合（思考题6）说明经验温标的缺点，引出热力学温标。
热力学温标。
摄氏温度与热力学温度的关系

三、压力
1. 压力的定义
p
pb
pe
p
pb
pv
0
0
pb
pv
p
p
pv
2. 压力的测量。通过测压元件的图例和工作情况说明压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境介质压力之差，叫做表压力或真空度。（理解思考题4）；对压力元件所处环境的说明：（习题1-8）

3. 压力单位：Pa
1Pa＝1N/m2
1MPa＝106Pa
1atm＝101325Pa, 1at＝98066.5Pa，1mmHg＝133.3224Pa，1mmH2O＝9.80665Pa

例1－2：测得容器内气体的表压力为0.25MPa，当地大气压为755mmHg，求容器内气体的绝对压力，并分别用MPa，bar，atm，at表示。

四、比体积和密度
比体积、密度
注意：，因此它们不是相互独立的参数，可以任意选用其中之一，工程热力学中通常用作为独立参数。

1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图（课时3、4）
一、平衡状态
通过状态的分类引出热力学的三个研究层次，使学生认识到热力学虽然是一门有上百年的历史的学科，但其依然充满活力，增加研究兴趣
1 平衡状态的定义
说明：1 不受外界影响是指与外界既没有能量交换，也没有物质交换，但重力场的影响除外；
2 始终保持不变，是指系统参数不随时间变化；
平衡包括
3 热平衡，组成热力系统的各部分之间没有热量的传递；
4 力平衡，各部分之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。
5 化学平衡，没有化学反应
6 相平衡：没有相的迁移。

实现平衡状态的充要条件：
TH
TL
铜棒
气相
液相
T,p,u’,h’,s’
T,p,u,h,s
只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡势差都不存在时。

2 稳定状态。
内燃机、压气机在稳定状态时，工质状态的周期性规律不随时间而变。说明在对此类热力设备进行研究时应视之为稳定系统
换热器在设计工况下工作时各点状态也不随时间而变。
说明：1.稳定状态的特征，各状态点或各点状态的周期性变化规律不随时间而变；
2.各点状态可能不同，即系统内部的状态可能并不均匀。
稳定状态与平衡状态是不同的概念
区别：稳定状态仅仅强调不随时间而变，并不强调这种不随时间而变的条件。平衡状态既强调不随时间而变，也强调不随时间而变的条件，即在不受外界影响的条件下。
3 均匀状态。（平衡是相对于时间而言的，均匀是相对于空间而言的。）
以例子说明如何区分平衡与稳定，平衡与均匀两种概念。
例1.3 铜棒的一端与高温热源接触，另一端与低温热源接触，其表面与外界绝缘，如图。经历较长时间后，铜棒内各截面的温度不再随时间变化，试问铜棒是否处于平衡状态？

说明：由此例可见要注意区分稳定与平衡两种不同的概念。稳定状态时状态参数虽不随时间变化，但它是靠外界影响来维持的。平衡状态是不受外界影响时参数不随时间变化的状态，两者有所区别，但又有联系——平衡必稳定，稳定未必平衡。

例1.4 一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，他们的温度和压力分别相等，不随时间而变化，试问汽水混合物是否已处于平衡状态。
说明：本例说明，处于热力平衡状态的系统内部各种参数未必都是均匀的，即均匀必平衡，平衡未必均匀。
当然对于单相物质组成的系统，均匀必平衡，平衡也必均匀。
判断题：均匀必平衡，平衡也必均匀。
有前提条件：对于单相物系，均匀必平衡，平衡也必均匀；对于复相系统，均匀必平衡，平衡未必均匀。
注：本书未加特别注明之处，一律把平衡状态下单相物系当成是均匀的，物系中各处的状态参数应相等。

例1.5 试说明平衡状态的特征及其实现的条件？

二、状态方程式

三、状态参数坐标图
压容图和温熵图。
强调：只有平衡状态才能用状态参数图上的一点表示，不平衡状态因系统各部分的物理量一般不相同，在坐标图上无法表示。
1.5 工质的状态变化过程
一、系统发生状态变化的原因
热力过程。
二、准平衡（静态）过程
1. 准静态过程
准静态过程。
准静态过程。
即气体工质在压力差作用下实现准静态过程的条件是：气体工质和外界之间的压力差为无限小，即： 或
气体工质和外界温差为无限小，即 或
实现准平衡过程条件

p1, v1, T1
p2, v2, T2
p3, v3, T3
p
v
说明：1. 由于准静态过程中系统所经历的都是平衡状态，因而可以用状态参数来描述过程中的每个状态，也可以用状态方程来表示参数之间的关系，并能在各种状态参数坐标图上，用一条过程曲线形象地把该过程表示出来。这样，我们就可以运用数学工具对系统的准静态过程进行详尽的分析。
2.工程实际说明

二、可逆过程和不可逆过程
1. 可逆过程特征。
2. 可逆过程必须满足下列条件：（使系统实现可逆过程的条件是什么）
①可逆过程必须是准静态过程，即必须在势差足够小、变化足够慢的条件下进行。这样，每个中间状态都可看作是平衡状态，而且，一旦改变势差的方向，即可改变过程的方向；
②可逆过程中不存在任何耗散效应，如摩擦、扰动、电阻、永久变形等等，耗散效应必定导致无法消除的影响。因此，可逆过程也可定义为：可逆过程是无耗散效应的准静态过程。
3. 不满足可逆过程的定义或条件的过程，称为不可逆过程。
4. 典型的不可逆过程。例如：温差传热；自由膨胀；混合过程；节流过程；摩擦生热；粘性流体；阻尼振动；电阻热效应；燃烧过程；非弹性变形；磁滞损耗等等。但。
5.实际过程的说明。
注意：对可逆过程定义的说明重申热力学的研究方法。

课后思考题
1. 判断下列过程中那些是可逆的、不可逆的，可以是可逆的，并扼要说明不可逆的原因。
（1）对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。
（2）对刚性容器内的水做功使其在恒温下蒸发。
（3）对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃。
（4）定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩。
（5）100℃的蒸汽流与25℃的水流绝热混合。

1.6 过程功和热量
一、过程功
1. 功的定义和单位
普通物理中功的定义：在力F的作用下物体发生微小的位移dx，则力F所作的微功为

式中：——微小功量（并非全微分）。
若物体在力F的作用下由空间某点1位移到点2，则力F所作的功为

功的单位：J，焦耳
1J的功相当于物体在1N的力的作用下产生1m的位移时产生的功量，即
1J＝1N·m
单位质量的物质所做的功称为比功，单位为J/kg。若质量为m的物质完成的功为W，则比功为
p
v
J/kg
单位时间内完成的功称为功率，单位为W，即 1W=1J/s
工程上还用kW做单位
1kW =1kJ/s

2. 可逆过程的功
按照功的力学定义，工质推动活塞移动距离dx时，反抗斥力所做的膨胀功为

式中：——活塞面积；
——工质体积微元变化量。
工质从状态1变化到状态2，所作的膨胀功为：
说明：如已知可逆的膨胀过程1－2的方程式，即可由积分求得膨胀过程功的数值；
膨胀功在图上可用过程线下方的面积表示，因此图也叫示功图。
如果工质是1kg，则所做的功为

过程依相反方向2－1进行时，同样可得

应用功量公式应注意以下几点：
1. 功量正负号规定（一定重点强调）。由公式可知，
时，，无功量交换；
，系统对外做功，功为正；
，外界对系统做功，功为负。
简言之，系统对外做功，功为正；外界对系统做功，功为负。
2. 功量的大小可以用图上过程线下方的面积表示；
3. 功量是个过程量，不是全微分。当初终状态一定，而过程经历的途径不同时，功量的大小也各不相同。
4.容积变化功的公式只适用于准静态过程和可逆过程，对于非此类过程，不仅不能用上述公式来计算，而且不能用图来表示该过程，对于不可逆过程的功量必须用其它方法来计算。
5. 此公式适用于任何工质。流动工质在准静态过程中所做的膨胀功也可用此式计算。
6. 准静态过程的膨胀功和压缩功，可用系统内部的参数描述，无须考虑外界的情况，但必须知道内部参数的函数关系。的函数关系可根据研究的具体过程方程和实验数据确定。
7. 闭口系工质在膨胀过程中所作的功并不全部用来输出作有用功，它一部分因摩擦而耗散，一部分用以排斥大气做功，余下的才是可被利用的功，称作有用功。

3. 广义功（简介）

二、过程热量
1. 定义：热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由于温度的不同而通过边界传递的能量。（能量的一种，是由温差引起的）
热量的单位：J，焦耳

结合思考题2：有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。对不对，为什么？
*（此处重点阐述过程量的特点）从对功和热量的定义可以看出，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程就没有功和热量。说物系在某一状态下有多少功或多少热量，显然是毫无意义的、错误的，因为功和热量都不是状态参数。只有当系统状态发生变化时，才可能有功和热量的传递，所以功和热量的大小不仅与过程的初、终状态有关，而且与过程的性质有关，它们是过程量。
功和热量的不同之处。便于对第5章热过程方向性的理解。

2. 准静态过程中热量的计算公式
T
sv
微元过程：
有限过程：
单位质量：

说明：1. 热量正负号规定。体系吸热，热量为正；体系放热，热量为负。
2. 热量的大小可以用图上过程线下方的面积表示；
3. 热量是个过程量，不是全微分。当初终状态一定，而过程经历的途径不同时，热量的大小也各不相同。
4.公式只适用于准静态过程和可逆过程，若非此类过程，不仅不能用上述公式来计算，而且不能用图来表示该过程，对于不可逆过程得热量必须用其它方法来计算。
1.7热力循环
一、热力循环及其分类
1
a
2
b
m
n
e
f
4
3
c
d
wnet
q1-q2t=wnet
p
v
T
s

循环。
循环分类。

二、正向循环
正向循环也叫热动力循环。设图为一正向循环的和图。
循环净功：
循环净热量：
正向循环的经济性用热效率来衡量。
愈大，即吸入同样的热量时得到的循环功愈多，它表明循环的经济性愈好。
三、逆向循环
1
a
2
b
m
n
e
f
4
3
c
d
wnet
q1-q2t=wnet
p
v
T
s
制冷系数：
热泵系数（供热系数）
与热效率一样，制冷系数和热泵系数愈大，表明循环经济性愈好。
本章小结
基本术语和基本概念：热力系、平衡态、准静态过程、可逆过程。
准静态过程实现的条件。
可逆过程实现的条件。
状态参数及其性质、定义、单位；
热量和功量的特征以及可逆过程的热量和功量的计算。
可逆过程的功和热量：
微元过程 注意问题
正负号约定
面积
有限过程
过程量
适用范围
热力循环的分类及评价指标
第2章 热力学第一定律
一、基本要求：
①正确识别各种不同形式能量的能力；
②根据实际问题建立具体能量方程的能力；
应用基本概念及能量方程进行分析计算的能力；
注意焓的引出及其定义式。
二、重点与难点
1、 焓的定义、物理意义、性质；
2、 不同形式的功，稳定流动中几种功的关系；
3、 能量方程的应用。
2.1热力学第一定律的实质
（课时5、6）
功的单位及其相互关系：
在国际单位制中，热和功的单位皆为焦耳（J）；
在工程单位制中，热，kcal；功，kgf·m。
由于1kcal=4.1868kJ=426.935kgf·m
功率：单位时间内所做的功，用P表示，单位（SI）W，kW。
工程制：马力
1W=1J/s；
1kW=1kJ/s=102.kgf.m/s；
1kW=1.36马力；
1马力=0.735kW。
1千瓦在小时内所做的功为—千瓦.小时 1kW.h=3600kJ=860kcal；
1马力在小时内所做的功为——马力.小时
1马力.小时=2646kJ=632kcal。
热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象上的应用。指出：热能和机械能之间可以互相转化，但总量保持不变。
2.2 热力学能和总能
一、热力学能
热力学能 ，J，kJ；
单位质量的热力学能称为比热力学能（比内能），J/kg，kJ/kg。
工质的内能包括：
1）工质的内动能 ，当工质的分子可视做质点时，只有平动动能，而无转动和振动动能。
2）分子内部的作用力（内部势能，内位能）
所以内能是温度与比容的函数而对于单位质量的工质的内能为
又因为气体的是由状态方程式联系起来的，所以又有和 。
二、外部储存能
外部储存能。
宏观运动的整体动能： kJ；
宏观的整体动能： kJ；
三、总能
系统中的总储存能为： kJ；
单位质量的能量为： kJ/kg；
四、热力学能的性质
1.热力学能是系统的一个状态参数并具有状态参数的所有通性。
热力学能是个广延参数，具有可加性，而比热力学能是强度参数，具有点函数的性质。
也就是说，若工质从初态1变化到终态2，其热力学能的变化只与初终状态有关，而与过程路径无关。
2. 热力学能是一个不可测的状态参数，其绝对值是无法确定的。
3. 系统的热力学能变化是可以计算的。

2.3能量的传递和转化
1、做功和传热

W
ECM
W
ECM
Q
W
ECM
热能
机械能
2.推动功和流动功
p1,v1
p2,v2
1 1
2 2
（1）推动功。图示系统
（J）。
式中，m——进入汽缸的工质质量。
1千克工质的推动功等于（J/kg）。

（2）流动功。
推动功差
2.4 焓(课时7、8)
1、焓是一个状态参数，定义表达式为：，不论是控制质量还是流动质量，当状态一定时，及都有确定的数值。焓的数值也就完全确定了。热力学能及加项都是状态量，具有状态参数所有的通性，对于这一点是毫无争议的。
例：气瓶中气体表压力为MPa，体积为Vm3，内能为kJ，则气瓶中气体的焓为：

注意压力应为绝对压力；
单位统一。
2、焓中有两项：热力学能——储藏在工质内部的储存能，不论是控制质量还是流动质量，工质内部所拥有的能量就是热力学能，是一个状态量；
2.5 热力学第一定律基本表达式
基本方程写法：进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部储存能的变化
一、闭口系能量方程
Q
W
U

若工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计
或
热力学第一定律的第一解析式。
式中：，为系统在状态2和状态1下的热力学能。
对于闭口系统，功只能为容积功。
注意：上式不可以写成，因为热量和功都是能量传递的度量。只有在能量传递的过程中才有所谓功和热量，没有能量传递的过程也就根本没有什么功和热量。若说物体在某一状态下有多少功或多少热量，这显然是毫无意义的、错误的。功和热量都不是状态参数。一个过程只有一个热量，一个过程也只有一个功。
对于单位质量的工质：
此式直接从能量守恒和转化的普遍原理得出，没有做任何假定，因此它对闭口系统 是普遍适用的，毫无例外。可适用于可逆过程，也可适用于不可逆过程。对工质的性质也没有限制，无论是理想气体，还是实际气体，甚至液体都可适用。为了确定工质初态和终态内能的值，要求工质初态和终态是平衡状态。
结论：对静止闭系，
有限过程中
就lkg工质而言，可写成：或
以上四式的应用适合静止闭系的一切过程，包括可逆过程和不可逆过程
对于准静态过程和可逆过程：
则对于简单可压系可逆过程写成：

非可逆过程不可以这样写。

例 一个装有2kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100kJ，比热力学能减少了15kJ/kg，并且整个系统被举高1000m，试确定过程中系统动能的变化。
注意：能量方程中的是代数值，在代入数值时要按约定正负号含义代入，表示增量，若过程中它们减少应代入负值；
量纲一致。
2.6 稳定流动能量方程(课时9、10)
1、稳定流动
稳定流动是指开口系统的控制容积中每一空间点其参数不随时间而变化。
2

2
1

1
p1
p2
δQ
δWi
dV1, cf1
dV2, cf2
基准面
z2
z1
稳定流动具有下列特点：
（1） 整个系统单位时间与外界交换的热、功不变；
（2） 进口参数和出口参数不变；
（3） 系统的边界无胀缩；
（4） 单位时间流入的质量等于流出的质量。

2、稳定流动能量方程
图示系统
流入能量及流出能量：
1） 流入系统的能量：其中
2） 流出系统的能量：，其中

则根据热力学第一定律的基本能量方程可得：
进入能量—流出能量=变化量（对于稳定流动，变化量=0）
则 流入能量=流出能量
即 （1）
则对（1）式加以整理，得出系统的吸热量为：
（2）
焓为流动工质所携带的能，工质要流动，则必携带内能u和流动功pv，所有的动力设备为了连续工作，需流动的工质，故焓的应用比内能广泛。
（2）式变为：
（3）
（3）式叫做稳定流动能量方程式。
有限过程的稳定流动能量方程：

1kg工质流过开口系经过有限或微元过程时，则

而膨胀功

由四个部分组成的：
1）进出口推动功之差，是维持流动所需要的功
2）进出口动能之差；
3）进出口位能之差
4）是工质对机器作的功。
工质在稳定流动过程中所作的膨胀功表现为一部分消耗于维持工质流动所需要的流动功，一部分用于增加工质的宏观动能和重力位能，其余部分才作为热力设备输出的功，所以说膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉。
定义；技术功
利用（4）式，则，即技术功还可表示为膨胀功减去进出系统的推动功之差。

说明：在各种方式的能量传递过程中，只有在工质膨胀作功时，才可能实现热能（无序能）变机械能（有序能）的转化，而产生的机械能就等于膨胀功。机械能转化为热能的过程虽则还可由摩擦、碰撞等来完成，但只有通过对工质压缩作功的转化过程才会是可逆的。所以热能和机械能的可逆转化总是和工质的膨胀和压缩联系在一起的。
而稳定流动能量方程（3）式变为： （5）
此为，是用焓表示的第一定律解析式，也叫做热力学第一定律的第二解析式。
闭口系统能量方程 （6），
是热力学第一定律的第一解析式，它表明加给工质的热量一部分用于增加工质的内能，仍以热能的形式存在与工质内部，余下的部分以作功的方式传递给了外界，转化成机械能。在状态变化过程中转化为机械能的部分为。
稳定流动能量方程式（3）和第一定律的第二解析式。都是从能量方程式直接推出，因此能普遍适用于可逆和不可逆过程，也普遍适用于各种工质。

可逆过程的技术功的具体表达式：
设工质由进口态变为出口态，其膨胀功为
因为
1
2
a
b
0
c
d
3
在p-v图上，膨胀功为面积12ab1=；
而为面积c2b0c，为面积d1a0d，则为面积12cd1=
也可这样推导：==（7）
由（7）式可见，若为负，即过程中工质的压力是降低的，则技术功为正，此时工质对机器作功。反之，若为正，即过程中工质的压力是升高的，则技术功为负。此时机器对工质作功。蒸汽机、蒸汽轮机和燃气轮机属于前一种情况，活塞式压缩机和叶轮式压气机属于后一种情况。
技术功的微分形式
第一定律第二解析式的微分形式为：
第一解析式和第二解析式之间可相互推导。
第一解析式：
第二解析式：=

2.6 开口系统的能量方程的一般表达式
2

2
1

1
p1
p2
δQ
δWi
dV1, cf1
dV2, cf2
基准面
z2
z1
开口不稳定流动系统如图
时间内流入的能量：

流出的能量

据能量守恒与转化定律：流入能量-流出能量=内部能量的增量，设内部能量的增量用表示（control volume），则上式可整理为：

说明：流入系统的能量，一部分变为系统储存的能量，其它的变为焓差及动势能差以及输出功。
令，，
则上式变为：

对于闭口系统，，＝0，，则
对于稳定流动系统：， ， 则
h0， p0， ，v0
例：分析一气瓶接入主管道的充气过程的能量方程。
条件：1）主管道的气体状态恒定；
2）气瓶是刚性的；
3）气瓶不是真空（开始u1，m1）
分析：
说明：在气源中气体的比热力学能是，但随质量交换而交换的能量是比焓，即质量流的 能容量是而不是。充气过程中，系统增加的能量为，既不是；也不是。终态时系统的比焓为。
在绝热充气过程中，焓转变成热力学能，，它是个不可逆过程。

1
2

例：汽缸的一端通过阀门与稳定气源相连，汽缸内有一活塞重块，以维持汽缸内压力，为常值。初态时，活塞在汽缸的1处，假定阀门调节到一定开度，使活塞在等压下缓慢地匀速上升，当活塞上升到终态2时关闭阀门。
分析：

多孔塞
绝热体
1
2
思考题
如图所示是焦耳和汤姆逊采用的多孔塞实验一个绝热管子中用棉花之类的物品作成一个多孔塞，使气体不容易通过。这样，塞子的一边可以维持较高的压力，另一边则维持较低的压力，气体不断地从一边经过多孔塞节流到的一边。实验中的流动过程为绝热节流过程。试说明流体在多孔塞实验中从高压到低压的节流前后是一个总焓不变的过程，即。
2.7能量方程式的应用
h1
h2
wi
学会对于具体的热力设备中的热力过程进行简化，得出可供分析的热力方程。
h1
h2
wi
一、 动力机
1千克工质对机器所作的功为：

二、 压气机
1千克工质需作功为：

h2
h1
q
三、换热器
c1，h1
c2，h2
。
四、管道
1千克工质动能的增加为：
h1
h2
2

2
1

1
五、节流

本章小结
热力学第一定律。
能量
热力学能：1. 分子热运动形成的内动能；2. 分子间的相互作用形成的内位能；3. 维持一定分子结构的化学能，原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。

一、功的种类及计算
1. 体积变化功（膨胀功）：
2. 内部功：工质在机器内部对机器所作的功
3. 推动功和流动功：开口系因工质流动而传递的功称为推动功。
4.技术功：技术上可资利用的功。
5. 有用功和无用功
二、能量方程
1. 闭口系能量方程：
或

循环的热力学第一定律：，任意一循环的净吸热量与净功量相等。
2. 稳定流动能量方程.
3. 一般开口系能量方程.
注意问题：应用能量方程时要注意都有正负号的问题，要按规定使用，即系统吸热时热量取正值，放热时取负值。另外，要注意公式中每一项量纲的统一。

三、引入的两个新的状态参数：热力学能和焓
热力学能，kJ，J；比热力学能，kJ/kg，J/kg
焓：

四、能量方程的应用：
要注意选好热力系。
对于闭口系写出闭口系能量方程。对于开口系，一般的热力设备除了启动、停止或加减负荷外，常处于稳定工况下，所以可以作稳定流动处理，即能量方程写成稳定流动能量方程。对于工程上的充、放气、容器泄漏以及上述热力设备的非稳定工况，能量方程需写成一般开口系的能量方程。
在针对具体问题，分析系统与外界的相互作用时，对于叶轮式机械，如燃气轮机、蒸汽轮机、叶轮式压气机等，以及喷管和节流阀等由于叶轮机械的外表面通常被很好地绝热，进行有效热传递的外表面面积很小，工质流过控制容积非常迅速，系统与外界来不及交换大量的热量，因此通常作为绝热处理，稳定流动能量方程中的热量项取为零。
除去喷管和扩压管这类使气流速度改变比较剧烈的设备外，在一般设备中，起来进出的动能、位能变化很小，可以忽略。稳定流动中的动、位能差项均取为零。
对于简单可压缩系，设备中若无活塞。转轴这类做功部件，闭口系能量方程中的功项，或开口系能量方程中的内部功项均取为零。如各种换热设备，其内部功均为零。

习题课（随课时安排）
简答题
1. 绝热真空刚性容器充入理想气体后，容器内的气体温度比充气前气体温度是高了、低了还是相等。
2. 解释开着冰箱门降温的错误所在。

1. 气体在某一过程中吸收了50J的热量，同时内能增加了84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？与外界交换的功为多少？
2. 氧气瓶的容积为.4m3，瓶中储有氧气，压力表上的读数是74bar，设氧气的内能等于8300kJ，求它的焓值。
3. 气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是静止的，且与外界无热交换。试问：活塞能否对流体做功？流体的压力会改变吗？若使用某种方法把流体的压力从0.2MPa提高到4MPa，内能有无变化？焓有无变化？

1
2
3
4
p
v
4. 一闭口系从状态1沿1－2－3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外做功为30kJ。（1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外做功为15kJ，求过程中系统与外界传递的热量

叶轮
1
2
3
3’
4
燃烧室
压气机
喷管
5. 某燃气轮机装置，如图所示，已知在各截面处的参数为
在截面1处： kJ/kg；
在截面2处：kJ/kg
在燃烧室工质吸入热量kJ/kg；燃烧后的燃气进入喷管膨胀到状态，kJ/kg，流速增大，进入动叶片，推动转轮回转做功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度m/s
求：（1）若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率？
（2）若燃气的发热值为kJ/kg，燃料的耗量为多少?
（