工程热力学与传热学完整版课件全体ppt教程.ppt

第一节 基本系统,第二节 状态和基本,状态参数,第三节 状态方程、,参数坐标图,第四节 热力过程、,静态过程和可逆过程,第五节 功和热量,第六节 熵和温熵图,第七节 热力循环,练习题,第一节 热力系统,第二节 状态和基本状态参数,第三节 状态方程、参数坐标图,第四节 热力过程、准静态过程和可逆过程,第五节 功和热量,第六节 熵和温熵图,第七节 热力循环,第七节 热力循环,第一节 热力系统,第二节 状态和基本状态参数,第三节 状态方程、参数坐标图,第四节 热力过程、准静态过程和可逆过程,第五节 功和热量,第六节 熵和温熵图,第七节 热力循环,第七节 热力循环,第二节 热力学第一定律的数学表达式,第三节 稳定流动能量方程的应用,练习题,第一节 热力学第一定律的实质、内能,第一节 热力学第一定律的实质、内能,第二节 热力学第一定律的数学表达式,第三节 稳定流动能量方程的应用,第三节 稳定流动能量方程的应用,第一节实际气体和理想气体,第二节理想气体的比热容,第三节理想气体的内能、焓、熵,第四节分析热力过程的目的与一般方法,第五节四种典型热力过程、多变过程,练习题,第一节实际气体和理想气体,第二节理想气体的比热容,第三节理想气体的内能、焓、熵,第四节分析热力过程的目的与一般方法,第五节四种典型热力过程、多变过程,第五节四种典型热力过程、多变过程,第二节卡诺循环和卡诺定理,第三节熵的导出,第四节孤立系统熵增原理,第一节热力学第二定律的任务和表述,练习题,*,*,第一节热力学第二定律的任务和表述,第二节卡诺循环和卡诺定理,第三节熵的导出,第四节孤立系统熵增原理,第四节孤立系统熵增原理,第二节促使流速改变的条件,第三节气体流经喷管的流速和流量,第四节喷管中有摩擦的绝热流动过程,第一节一元稳定流动的基本方程,第五节绝热节流过程,练习题,*,*,第一节一元稳定流动的基本方程,第二节促使流速改变的条件,第三节气体流经喷管的流速和流量,第四节喷管中有摩擦的绝热流动过程,第五节绝热节流过程,第五节绝热节流过程,第二节活塞式内燃机循环,第三节增压内燃机及其循环,第一节压气机的压气过程,练习题,*,*,第一节压气机的压气过程,第二节活塞式内燃机循环,第三节增压内燃机及其循环,第三节增压内燃机及其循环,第三节理想混合气体的比热容、内能、焓和熵,第四节湿空气的基本概念,第一节水蒸气的热力性质,第二节理想混合气体的,基本性质,第五节湿空气的焓湿图,练习题,*,*,第一节水蒸气的热力性质,第二节理想混合气体的基本性质,第三节理想混合气体的比热容、内能、焓和熵,第四节湿空气的基本概念,第五节湿空气的焓湿图,第五节湿空气的焓湿图,第三节其他制冷装置,第四节制冷剂,第一节制冷装置的理想循环及制冷系数,第二节蒸汽压缩制冷装置循环,练习题,*,*,第一节制冷装置的理想循环及制冷系数,第二节蒸汽压缩制冷装置循环,第三节其他制冷装置,第四节制冷剂,第四节制冷剂,*,*,第四节简单形状物体的一,维稳态导热计算,第五节通过肋片的稳态导热,第二节导热的基本定律,第三节导热微分方程式,第一节基本概念,练习题,*,*,第一节基本概念,第二节导热的基本定律,第三节导热微分方程式,第四节简单形状物体的一维稳态导热计算,第五节通过肋片的稳态导热,第五节通过肋片的稳态导热,第三节对流换热的实验方法,第四节对流换热的分析计算,第二节牛顿冷却公式,第一节对流换热的基本概念,练习题,*,*,第一节对流换热的基本概念,第二节牛顿冷却公式,第三节对流换热的实验方法,第四节对流换热的分析计算,第四节对流换热的分析计算,第三节辐射换热的网络求解法,第二节固体表面间的辐射换热,第一节热辐射的基本概念及基本定律,练习题,*,*,第一节热辐射的基本概念及基本定律,第二节固体表面间的辐射换热,第三节辐射换热的网络求解法,第三节辐射换热的网络求解法,第二节传热过程,第三节传热的增强和减弱,第四节间壁式换热器及其热计算原理,第一节概述,第五节效率传热单元数热计算法,练习题,*,*,第一节 概述,第二节 传热过程,第三节 传热的增强和减弱,第四节间壁式换热器及其热计算原理,第五节效率,传热单元数热计算法,第五节效率,传热单元数热计算法,热力系统就是具体,指定的热力学研究对象,。把热力系统外面雨热功转换过程有关的其他物体统称为外界。热力系统和有关的外界之间的分界面称为边界。,热力系统-概念,边界面可以是真实的，也可以是假设的；可以是固定的，也可以是变动的。,工程热力学主要关注系统与外界之间的相互作用，根椐热力系统与外界相互作用的不同情况，可以分为,闭口系统,、,开口系统,、,绝热系统,和,孤立系统,。,热力系统-分类,闭口系统,：在所研究的时间内，系统与外界只有热量和机械能等能量的交换而无物质的交换。,开口系统,：在所研究的时间内，系统与外界不仅有热量和机械能等能量的交换，而且有物质的交换。,绝热系统,：在所研究时间内系统与外界无热量交换，但有其他能量交换。,孤立系统,：在所研究时间内系统与外界既无能量交换，也无质量交换。,热力系统-分类,热力状态-概念,热力学中把工质所处的,某种宏观状况,称为工质的热力状态，简称状态。用来描述和说明,工质状态的一些物理量,(如压力、温度等)则称为工质的状态参数。,平衡状态-概念,系统内工质,各点相同的状态参数均匀一致,的这种状态，在热力学上称作“,平衡状态,”，如无外界的影响，系统内工质各部分的状态将不再随时间而变化，亦即平衡状态不会自发地破坏。,平衡条件,力平衡,：一个热力系统内部无不平衡的力，且作用在边界上的力和外力相平衡，各部分间不会发生相对位移，则该热力系即处于力平衡。,热平衡,：若热力系统内的温度各部分间无温度差别，且等于外界温度，因而就不会发生热的传递，则该热力系统即处于热平衡。,为了能够实现平衡状态，必须满足力平衡、热平衡条件。,基本状态参数,在工程热力学中常用的状态参数有六个，即,压力,、,质量体积,(俗称比容)、,温度,、,内能,、,焓,和,熵,。其中压力、质量体积和温度可以,直接测量,，也比较直观，称为基本状态参数。,压力,压力是指单位面积上承受的垂直作用力，即,式中：压力；,垂直作用力；,面积。,压力,式,(1-1),算出的压力是气体的真正压力称为绝对压力。绝对压力无法直接测量，只能测量绝对压力和当时当地的大气压力的差值,(,参看图,1-3),。,压力,当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表所指示的是绝对压力超出大气压力的部分，称为表压力()：,式中：大气压力，可用气压表测定。,当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表所指示的是绝对压力低于大气压力的部分，称为真空度():,压力,计算气体的绝对压力，仅仅知道压力表或真空表的读数是不够的，还必须知道当时当地气压表的读数，然后通过下列关系式将绝对压力计算出来:,压力,用,U,形管压力表(或真空表)通过液柱高度差测定表压力(或真空度)时，其换算关系如下:,式中：液体的密度；,重力加速度；,液体高度差。,常用压力单位与法定压力单位换算见表 。,【例,1-1,】某柴油机在做惯性增压试验时，测得汽缸内燃烧气体的最高压力为 ，进气管的真空度为，试验时气压表读数为 ，试计算这两处的绝对压力各为多少？,解：,（1）气缸压力 ：,为了避免复杂的计算，有时认为大气压力近似地为 ，则,两者误差不超过0.02%。,（2）进气管压力 ：,同样，当 时，则,两者误差将近1%。,质量体积,单位质量工质所占有的容积称为质量体积，以符号,v,表示，单位为 即,式中：容积；,质量。,质量体积,单位容积内工质的质量称为密度，以 表示，单位为 即,可知质量体积与密度互成倒数。所以密度 也可以作为状态参数，它们都是描述工质子的密集程度。,温度,温度是表征物体冷热程度的物理量。热物体温度高，冷物体温度低。当两个物体接触时，温度高的物体就要向温度低的物体传热。如果两者间没有热量传递，则两物体的冷热程度一样，即处于,热平衡状态,，两物体温度相等。“当两个物体同时与第三个物体热平衡时，这两个物体之间也必然是热平衡”，这是,热平衡定律,，是热力学的基本定律之一，也称为热力学第零定律。,温度,从微观角度分析，物体的冷热程度取决于物体内部微粒运动的状况。按分子运动理论，气体的热力学温度与气体分子的平均移动动能成正比，它们之间的关系是:,式中：分子平均质量；分子的均方根速度；,分子的平均运动动能；,波尔兹曼常数；绝对温度。,温度,法定单位制中采用热力学温标，又称开尔文温标或绝对温标，计量单位用开,(K),表示，温度值采用,T,表示，摄氏温标或百度温标计量单位用摄氏度,(),表示；温度值用,t,表示，它们之间的换算关系如下:,状态方程,对于由气体工质所组成的热力系统，当处于平衡状态时，热力系统内各部分将具有相同的压力、温度和质量体积等参数。状态参数之间并不是彼此孤立的，而是相互联系的。这种内在的联系可用数学式表达，即,式,(1-11),称为,状态方程,。,参数坐标图,三个状态参数之间存在内在的联系，三个状态参数中只有两个是彼此独立的。用三个基本参数中的任意两个独立参数，就可以作为一个平,面直角坐标图的横坐标和纵坐标,作出参数坐标图，就能清晰地表,示工质所处的热力状态。如图,1-4,所示的,p-v,图,(,称为压容图,),，,是以压力作为纵坐标，质量体积,作为横坐标。,热力过程,当工质受到外界影响时，例如，外界对工质加热，工质所处的平衡状态遭到破坏，工质的状态就会发生变化，,工质从一个状态经过一系列的中间状态变至另一状态,，就将这种工质的状态发生变化的过程称为,热力过程,，简称,过程,。,热力过程,在状态变化过程中，若平衡状态的每一次被破坏都离平衡状态非常近，而状态变化的速度,(,即破坏平衡状态的速度,),又远远小于工质内部分子运动的速度(即恢复平衡状态的速度)，则状态变化过程的每一瞬间，工质都可以认为是处于平衡状态。工质内部各点的压力和温度随时都是均匀一致的，即随时都处于内平衡状态，这种由一系列内平衡状态所组成的,(,由无限接近平衡状态的状态组成的,),过程，称为,准静态过程,，或,准平衡过程,。,准静态过程,在准静态过程中，工质所经历的每一个状态都是平衡状态，而任意一个平衡状态都可用,p-v,图上的一个点来表示，所以一个准静态过程就可以,p-v,图上一条曲线来代表。如,1-5,所,示,p-v,图，图上的曲线,1-2,就代表一,个准静态过程。如果工质由状态,1,变化到状态,2,所经过的不是一,个准静态过程，则该过程无法在,p-v,图上表示，仅可标出其,1,、,2,两个平衡状态，而其过程用虚,线表示。,可逆过程,可逆过程是指当系统由始态变化到终态，又由终态沿原来途径返回始态时，若参与该变化过程的系统及外界均能完全返回原来的状态，则称该变化过程为,可逆过程,。反之，则为不可逆过程。,可逆过程,图1-6所示为一由工质、热机和热源组成的热力系统。,可逆过程,可逆过程应具备以下几个特点：,在过程进行时，工质内部及其与外界恒处于平衡状态，故过程进行无限缓慢。,在变化期间，无任何能量的不可逆损耗。,可逆过程在实际中并不存在，在工质膨胀和压缩的过程中，有一部分能量在摩擦中消耗；而有温差的传热过程必定是不可逆过程。,功,在工程热力学里，热力系统通过界面和外界进行的,机械能的交换量,称为,做功量,，简称为,功,(机械功)，以符号,表示。,由于工程热力学中常以单位质量的工质来分析和计算能量转换的情况，故用,w,表示kg质量气体所做的功。在法定单位制中，,w,的单位采用J/kg或kJ/kg。,功,观察图,1-7,a,）,汽缸内的气体。设有,1kg,的气体在汽缸中进行膨胀，经历一个可逆过程从,1,状态到,2,状态。,功,当气体膨胀推动活塞右移一个微小的距离,dx,时，气体对外所做的微元功,w,为,式中：,A,活塞的截面积。,功,图,1-7b）,中,p-v,曲线阴影面积代表微元功，且全过程所做的功为,因为,所以,功,气体膨胀时做正功，被压缩时做负功。如果气体质量为,m,kg，则所做的功为,故,功,对照力学中的 ，称压力,p,为广义力，称,d,x,为广义位移，气体所做的功等于广义力与广义位移的乘积。,【例,1-2,】,2kg,温度为,100,的水在压力为,0.1Mpa,下，完全汽化为水蒸气，若水和水蒸气的质量体积各为,0.001m,3,/kg,和,1.673m,3,/kg,，试求此,2kg,水因汽化膨胀，对外所做的功为多少,kJ?,解：,由式（1-13）,热量,热量用符号,Q,表示，在工程热力学中，由于常常分析单位质量气体的热能传递，所以常以,q,表示单位质量所传递的热能。在法定单位制中，,Q,的单位为,J,，,q,的单位为,J/kg,，热力学中通常规定，热力系统从外界吸热为正,（,Q,0），,热力系统向外界放热为负,（,Q,0）。,熵,假设存在这样一个参数，称之为熵，以符号,S,表示。单位质量气体的熵成为比熵，以符号,s,表示。对热量来说，熵具有广义位移的特征，即在可逆过程的条件下只有在气体的熵发生变化时，才有可能吸热或放热，当比熵等于常量，即,ds,=0时，气体与外界不发生热量的传递。,熵,对照功 ，事实上气体做工是在气体与外界有压差的情况下进行的，若取极限情况，可以采用,pdv,来计算微功 。,熵,当气体与外界有传热时，是在有温差的情况下进行的，所以可以说温度,T,对于热量,q,类似于压力,p,对于功,w,的作用，即广义力的作用。,即,熵,所以,故,熵,由式（1-15）可知：,式中：,s,工质的比熵，,s=S/m,，其单位在法定单位制中卫看kJ/(kg,K)，在工程中为kcal/(kgf,K)；,ds ,工质比熵的增量。,温熵图,对比,p-v,图，建立以绝对温度,T,为纵坐标、比熵,s,为横坐标的温熵图(,T-s,图)，如图所示，系统的初态1,(,T,1,，,s,1,)用 点 1 表 示，终态 2,(,T,1,，,s,1,)用点 2 表示，从初态,到终态的某一可逆过程可用曲,线 1-2 表示。而曲线下的面积,(如图中 12ba1)则表示1-2过,程中工质与外界所交换的热,量，因此温熵图又称示热图。,工质从某一初态出发经历一系列状态变化过程之后，又,回到了初始状态,时，我们称为经历一个“,热力循环,”，或简称“循环”。我们称,完全由可逆过程所组成,的循环为,可逆循环,，机工质在一循环达到原状态之后可以按照原路径所经历的全部状态，而,顺序相反,的逆行回到初始状态。,在,p-v,图和,T-s,图上都将呈现为封闭的曲线，如图1,-,10 所示。如果用点,a,表示初始状态，工质经,abc,过程到达,c,点后再经,cda,过程回复至初态,a,。,在,p-v,图和,T-s,图上都将呈现为封闭的曲线，如图1,-,10 所示。如果用点,a,表示初始状态，工质经,abc,过程到达,c,点后再经,cda,过程回复至初态,a,。,可以得到,abc,过程气体做正功并吸热，,cda,过程气体做负功并放热，对整个循环，工质所做的净功为,这可以用,p-v,图上循环曲线包围的面积来代表，整个循环的结果是气体做了正功。,工质与外界所交换的净热量为,这可以用,T-s,图上循环曲线包围的面积来代表，整个循环的结果是气体从外界吸收了热量。,从初态,a,出发经,adc,到达,c,点后再由,cba,回复至初态。可以看出:,也就是说工质经过一循环之后，一方面被外力做功，另一方面也向外界放热。,由于一般热功转换希望将热能转换为功，所以习惯上将前一种循环(,吸入热量做正功的循环,)称为,正循环,，后一种循环称为,逆循环,；从图线方向看，顺时针进行的为正循环，逆时针进行的为逆循环。,热力学第一定律的实质就是能量守恒与转换定律在热现象上的应用。在工程热力学中，热力学第一定律主要研究热能与机械能之间的相互转换，它可以表述为：“热可以变为功，功也可以变为热，一定量的热消灭时，必产生一定量的功，消耗了一定量的功时，必出现与之相应数量的热。”,热力学第一定律的实质,按照热力学第一定律，热力循环中工质接受的净热量应该等于工质对外界所做的净功看，即,热力学第一定律的实质,对于1kg工质而言，为,【例,2-1,】,一台柴油机，功率为7.35kW，燃油消耗率为272.1g/(kWh)，试求它的废气每小时所排出的热量。,解：,按照热力学第一定律，在热力循环中，,或,即热机所作的净功,W,0,等于热机从燃料燃烧得到的热量,Q,1,减去废气放出的热量,Q,2,。,柴油的发热量为43961.4kJ/kg故每小时柴油机从燃料燃烧得到的热量为,转换为机械功的热量为,所以，由废气排出的热量为,内能,工质内部所具有的,各种微观能量,，总称为内能。它包括下面各项：,（1）分子热运动而产生的内动能（移动动能、转动动能和分子内部的原子振动动能），它与工质的温度有关是温度,的函数。,（2）分子间由于相互作用力而具有的内位能，它与工质的分子间距离有关，是质量体积,v,的函数。,（3）与分子结构有关的化学能和原子能等内部能量。,内能,工程热力学中的内能指的是,分子运动的动能和位能,的总和，也称为,热力学能,。,热力学中总内能符号用,U,表示，单位为J。单位质量的工质的内能称为比内能，用符号,u,表示，单位为J/kg。,工质的内能决定于它的温度和质量体积，即决定于工质所处的状态。因此，内能也是一个状态参数，可以表示为两个独立参数的函数。,内能,根椐状态方程,f(p，v，T,)=0，上式还可写为,总能,除热力学能外，工质的总能量还包括工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观运动速度而具有动能，因有不同高度而具有位能。前一种能量称之为内部储存能，后两种能量则称之为外部储存能。我们把内部储存能和外部储存能的总和，即,热力学能与宏观运动动能和位能的总和,，称为工质的,总储存能,，简称,总能,。,总能,若总能用,E,表示，动能和位能分别用,k,和,p,表示，则,若工质质量为,m,，速度为,c,f,，在重力场中的高度为,z,，则宏观动能为,重力位能为,式中：,c,f,、z,力学参数，它们只取决于工质在参考系中的速度和高度。,总能,工质的总能可写成,1kg工质的总能，即比总能，可写为,热力学第一定律是热力学的基本定律，它适用于一切热力过程，是工程上进行热力分析和热工计算的主要基础。当用于分析实际问题时，需要将它表示为数学解析式，即根椐能量守恒原则。列出参与过程的各种能量之间的数量关系，这种关系式也称为能量平衡方程式。,对于任何系统，各项能量之间的平衡关系可一般表示为：,取封闭在活塞汽缸中的工质为研究对象，即图2-1中虚线(界面)所包围的闭口系。现设汽缸内有1kg工质，当工质从外界吸入热量,q,后，从状态1膨胀到状态2并对外界做功,w。,由于是闭口系统，工质质量恒定不变，系统同外界只有热量和功的交换而无物质交换；若忽略工质的宏观动能和位能，则工质的储存能即为内能。,闭口系统的能量方程,闭口系统的能量方程,根椐式(2-3)，对，1 kg 工质，进入系统的能量为,q,离开系统的能量为,w,系统能量的增加则是,u,，于是,闭口系统的能量方程,对,m,kg 工质，可写为,对微元过程，可写为,以上三式都可称为闭口系统热力学第一定律解析式。,能量方程中的热量、功量、内能的变化量都是代数值。根椐热功转换的实际情况，可为正值、零或负值。工程上统一规定：吸热为正，做膨胀功为正，内能增加为正；反之为负。同时，在使用能量方程时应注意单位的一致性。,闭口系统的能量方程,如果过程是可逆的，则单位质量工质所做的膨胀功可用 这一通式表示。故闭口系统热力学第一定律解析式又可写为,闭口系统的能量方程,对,m,kg 工质，可写为,对微元过程，可写为,以上三式仅适用于可逆过程。,【例 2-2】,设有一定量气体在汽缸内被压缩，容积由 1.4m,3,压缩到 0.9m,3,，过程中气体压力保持常数且,p=,100000N/m,2,。又设在压缩过程中气体的内能减少 12000J，求此过程中有多少热量被气体吸入或放出?,解：,汽缸内的气体质量不变，是闭口系统。由题意,由于,p,是常数，故,W,为负值，表示气体消耗了外界压缩功。将,U,和,W,值代入式(2-6)，得,负号表示气体放热。因此本过程气体对外界共放出热量62000J。,如图 2-2 所示的一个系统，工质不断地经由 1-1 截面进入系统，同时系统不停地从外界吸收热量，并不断地通过轴对外界输出轴功。做功以后的工质则不断地通过截面 2-2 流出系统。这样一种工质与外界不仅有,能量的交换,，,而且有质量交换的系统,，即为,开口系统,。,稳定流动能量方程,稳定流动能量方程,如果在流动过程中，热力系统在,任何截面,上工质的一切参数都,不随时间而变,，则称这种流动过程为,稳定流动过程,。因此，要使流动达到稳定，必须满足下列条件：,（1）进出口处工质流量相等且不随时间而变，满足质量守恒条件。,（2）系统内储存的能量保持不变。为此，要求系统与外界交换的热和功等一切能量不随时间而变，满足能量守恒条件。,稳定流动能量方程,如图 2-2 所示，假设 1kg 质量的工质，在状态 1(,p,1,，,v,1,)时，以,c,1,的速度从高程为,z,1,的界面 1-1 流进系统；外界加给工质的热量为,q,；同时系统与外界有功量的交换，为了与单纯的容积膨胀功相区别，此处交换的功量用,w,i,表示，即为流动工质对外输出的机械功，此功称为轴功。在高程为,z,2,的界面 2-2 处，工质的状态为状态 2(,p,2,，v,2,)，工质流出系统的速度为,c,2,。,稳定流动能量方程,随工质带入系统的能量为：,(1)工质在流速为,c,1,时所具有的动能为 。,()工质在高程为,z,1,时所具有的位能为,gz,1,。,()在,p,1,，,v,1,状态下工质所具有的内能为,u,1,。,()外界将工质推入系统所作的推动功为,p,1,v,1,。,稳定流动能量方程,由于在截面 1-1 处原已充满压力为,p,1,比容为,v,1,的工质，因而欲使截面 1-1前的,m,kg 工质(图 2-2 中阴影线部分)流入热力系统，外界必须用力,F,1,=p,1,A,1,以克服系统内工质的阻挡把它推进来，否则工质无法流入热力系统，此时，外界对工质作功,F,1,l,1,=p,1,A,1,l,1,=p,1,V,1,=,p,1,A,1,l,1,=m p,1,v,1,。当,m kg,的工质由热力系统截面 2-2 流出时，也必须克服外界阻力,p,2,A,2,，对外做功为,p,2,A,2,。这部分工质在流动时所做的功称为流动功或推动功。,稳定流动能量方程,随工质带入系统的能量为：,(1)工质在流速为,c,2,时所具有的动能为 。,()工质在高程为,z,2,时所具有的位能为,gz,2,。,()在,p,2,，,v,2,状态下工质所具有的内能为,u,2,。,()外界将工质推入系统所作的推动功为,p,2,v,2,。,稳定流动能量方程,引用能量平衡方程(2-2)，得,稳定流动能量方程,将上式整理后，得,现将计算式中经常成组出现的量,u+pv,合并为一项，得到一个新的物理量,h,，称为工质的焓。其定义式为,稳定流动能量方程,能量方程可进一步简化为,式(2-7)就称为稳定流动能量方程式。,稳定流动能量方程,从式(2-2)知，,u,可以表示成,T,和,v,的函数，那么焓的定义式可化成,T,和,v,的函数，,焓包括,u,和,pv,两项，,u,代表工质的内能，,pv,这一项代表 1 kg 工质在流动情况下的流动功。在这四部分能量中，只有,u,和,pv,两项取决于热力状态。所以，焓代表,系统因流入工质而获得的能量中取决于工质热力状态的那部分能量,。因此，焓可看作为,随工质转移的能量,。如果工质的动能和位能可以忽略不计，则焓就代表随工质流动而转移的总能量。,稳定流动能量方程,分析式(2-7)可以看出，方程右侧的后三项是工程上直接可以利用的。工程热力学中将后面三项之和总称为技术功，以符号,w,t,表示，即,稳定流动能量方程,代入式(2-7)得,式(2-10)称为用焓表示的热力学第一定律解析式，又称热力学第一定律的第二解析式。,若将膨胀功,w=q,-,u,和焓,h=u,+,pv,代入式(2-10)得,稳定流动能量方程,即,式(2-11)表明，工质流经热力设备所做的技术功应等于膨胀功和推动功的代数和。,对可逆过程你，如图 2-3 所示，,p-v,图中连续曲线 12，则,稳定流动能量方程,由式(2-12)可见，若,dp,为负，即过程中工质的压力是降低的，则技术功为正，此时工质对机器做功。反之，若,dp,正，则过程中工质的压力是升高的，则技术功为负，此时机器对工质做功。蒸汽机、蒸汽轮机和燃气轮机属于前一种情况，活塞式压气机和叶轮式压气机属于后一种情况。,稳定流动能量方程,对可逆的微元过程，热力学第一定律的第二解析式可表示为,稳定流动能量方程,在一般的情况下，两处工质的流动动能的变化和重力位能的变化可以忽略不计，则式(2-9)可以写成,式(2-13)表明在不计工质进口、出口动能的变化及重力位能的变化的情况下，工质所做的技术功表现为热力设备所输出的轴功。,图 2-2 也可用来研究工质的不稳定流动。图中用虚线围起来的部分表示所划定的控制容积，以,CV,表示。,设在一段极短的时间,d,内，进入控制容器,的质量为,m,1,，离开控,制容积的质量为,m,2,。,开口系统的能量方程,在进口截面 11处，随质量为,m,1,的工质进入系统的能量为,e,1,m,1,，从后面获得的推动功为,p,1,v,1,m,1,。,在出口截面 22处，,随质量为,m,2,的工,质离开系统的能量为,e,2,m,2,，对外界所做,出的推动功为,p,2,v,2,m,2,。,开口系统的能量方程,又设在,d,时间内系统经分界面从外界吸收了微小的热量,Q,，工质对外界做出了微小的功,w,i,，控制容积内总储存能量的变化为,dE,cv,。对该控制容积引用能量方程式(2-3)，则得,开口系统的能量方程,开口系统的能量方程,将,h=u+pv,和,e=u+c,2,/2,+gz,带入上式并整理，得,式(2-15)就称为开口系统能量方程的一般表达式。,对蒸汽轮机、燃气轮机等热力发动机，如图 2-4 所示。取 1-1和 2-2截面间的流体作热力系统。气流通过发动机时，压力降低，对外做功。外界并未给工质加热，而工质向外界散热很小，动能差和位能差也很小，相对于 w,i,可略去不计。,热力发动机,稳定流动能量方程式用于蒸汽机和燃气轮机时就简化为,热力发动机,即每 kg 工质流经热力发动机时，所做的轴功等于它的焓降，这时的轴功就是技术功。,喷管是一种特殊的短管，气流经过喷管后，压力下降，速度增加。如图示 2-5 所示，取进出口截面 1、2间的流体作热力系统来分析喷管中气体作稳定流动时的能量转换情况。,喷管,因气流迅速流过喷管，散热损失很小，可认为,q,=0；由于是管内流动，无转动机械，气体流过喷管时对外无功输出，,w,i,=0，同时，进、出口重力位能差也可忽略不计，,g,(,z,2,=,z,1,),0。,喷管,稳定流动能量方程可简化为,喷管,即,工质流经热交换器时，和外界有热量交换而不做功，故,w,i,0，位能差和动能差很小可忽略不计，即,g,(,z,2,z,1,)0，1/2(,c,2,2-,c,1,2)0，,因此，稳定流动能量方程简化为,q,=,h,2,-,h,1,(2-18),可见，工质在热交换器中吸入的热量等于其焓的增量。,热交换器,工质流经泵和风机时消耗外功而使工质压力增加，外界对工质做功(-,Wi,)。一般情况下，进、出口动能之差可忽略，即(,c,2,2-,c,1,2)/20，,g,(,z,2,z,1,)0，而对外散热也很小，可以忽略，即,q,0，因此，稳定流动动能方程式简化为,-,w,i,=h,2,-h,1,(2-19),即工质在泵和风机中被压缩时，外界所消耗的功等于工质焓的增加。,热交换器,通过上述各例和分析可以看出，在不同的条件下，稳定流动能量方程式可以简化为不同的形式。因此，如何根椐过程进行的具体情况，正确地提出相应的简化条件，是正确应用这个方程的前提。,【例2-3】某蒸汽锅炉的蒸汽产量m4000kg/h，水进入锅炉时的温度为，其焓值为209.3kJ/kg，蒸汽流出锅炉时的焓值为2721.4kJ/kg试求：,(1)锅炉中水的吸热量为多少kJ/h。,(2)若锅炉效率为80，所用煤的发热量为29308kJ/kg，问每小时的耗煤量为多少kg?,解,:(1)取锅炉中的水及水蒸气为开口系统，考虑到水在锅炉中的加热汽化与外界无功量交换，故,w,i,0，且工质进出口高度差不大，即,g,(,z,2,-z,1,)0，一般进水流速,c,1,=12m/s，蒸汽流出速度c,2,c,v,所以,k,总是大于1的。当取近似的定值比热容时，对单原子气体取,k,1.67，对双原子气体取,k,1.40，对多原子气体取,k,1.30。,绝热过程,绝热过程初、终两态参数之间关系，由式(3-38)得,以,pv=RT,代入式(3-39)消去,p,1,、,p,2,，则得,若消去,v,1,、,v,2,，则得,可见，工质绝热膨胀(,v,2,v,1,)时，压力降低，温度也降低；工质被压缩(,v,2,v,1,)时，则相反。,绝热过程,在绝热过程中(,q,=0)，若所研究的又是可逆过程，根据熵的定义：,即,因此，可逆绝热过程又称为定熵过程。,绝热过程内能、焓的变化量仍由下式进行计算：,绝热过程,绝热过程单位质量气体所做的膨胀功可由,和过程方程,pv,k,常数求得，即,绝热过程,上述膨胀功的公式也可以从热力学第一定律解析式求得，即,q,u,w,因,q,0，故,w,s,u,u,1,u,2,(3-45),可见，在绝热过程中工质对外做膨胀功时，消耗工质内能。反之，外界对工质做压缩功时，则全部用以增加工质内能。对于理想气体，取比热容为定值，则式(3-45)可以写为,w,s,u,1,u,2,c,v,(,t,1,t,2,),绝热过程,对于理想气体，取比热容为定值，则式(3-45)可以写为,根据上节公式(3-13)，代入上式得,所得结果与式(3-44)相同。,工质在绝热流动过程中所做的技术功可由,求得。,绝热过程,即,上述技术功的公式也可从稳定流动公式 求得。因,q,=0，故,绝热过程,在,p-v,图上，按照绝热过程的过程方程,pv,k,常数，其过程线为一条高次方双曲线，或称不等边双曲线图3-8a)，12线表示绝热膨胀，12线表示绝热压缩。,在,T-s,图上，当过程绝热时，,q=,0，,q=,0，因而,ds=,0，因此，可逆绝热过程是一垂直于,s,轴的直线图3-8b)。,绝热过程,【例3-5】若【例3-4】中改为定熵压缩，则各项结果又为多少?,解：,空气可作为双原子分子处理，则比热容比,k,=1.40。,终压,终温,功量,负号表示外界压缩空气消耗的功。,因是定熵压缩，所以无热量进出，,q,=0。,内能无变化量,u,=-,w,s,=442kJ/kg,表示外界消耗与压缩空气的功，全部转变为气体内能的增加。,T-s,图与,p-v,图如图3-9所示。,多变过程,现在进一步讨论气体状态变化的一般性过程，它是用过程方程,pv,n,常数(3-48),来定义的，称为多变过程。前面讨论的四种典型的热力过程都是多变过程的特例：,当,n,0时，,pv,0,常数，即,p,常数，为定压过程。,当,n,1时，,pv,常数，为定温过程。,当,n,k,时，,pv,k,常数，为绝热过程。,当,n,时，,p,1,/n,v,常数，则,p,0,v,常数，即,v,常数，为定容过程。,多变过程,实际的热力过程往往是相当复杂的，多变指数也往往不为一定值，对此，工程上常采用两种处理办法：,其一、如果实际某过程多变指数,n,的数值变化范围不大，我们可用一个“平均”的,n,值对该过程作近似的描述。,其二、如果实际某过程多变指数,n,的数值变化范围很大，那么可将该过程分成几段，用几个多变指数来分段描述它。,多变过程,状态参数之间的关系为,膨胀功为,技术功为,多变过程,多变过程中，工质与外界交换的热量不等于零，可根据热力学第一定律解析式求得,式中为多变过程的比热容，称多变比热容，以符号,c,n,表示，即,若一直多变过程的,n,值，即可求得多变比热容值。,多变过程,多变过程在,p-v,图及,T-s,图上的相对位置，可由多变指数,n,的数值确定。,多变过程,按照比热容的一般定义式,c=q/dt,，比热容为负值有两种可能：,(1)吸热、降温过程，即,q,为()而,dt,为()，这表明工质吸入的热量，抵不上做的功，入不敷出，消耗了工质本身的内能，所以工质的温度下降了，于是出现了比热容为负值的情况.,(2)放热、升温过程，即,q,为()而,dt,为()，这表明对工质压缩时所消耗的功大于气体向外界放出的热量，因而使本身的内能增加，所以工质的温度升高了，故比热容也可能出现负值。,【例3-6】若【例3-4】中改为,n,1.3的多变压缩，则各项结果又为多少?并将【例3-4】、【例3-5】及本例三种压缩过程示于同一,p-v,图及,T-s,图上作比较。,解：,终压,终温,功量,负号表示为压缩功。,内能变化量,u,=,c,v,(,T,2,-,T,1,),而,故,例3-6答案,热量,式中负号为压缩时气体对外放热。,绝热自由膨胀过程,绝热自由膨胀是指气体在与外界绝热的条件下向真空进行的不做膨胀功的膨胀过程(图3-12)，气体最初处于平衡状态图3-12a)，抽开隔板后，由于容器两边的显著压差，使气体迅速从左侧冲向右侧，经过一段时间的混乱搅动后静止下来，达到平衡的终态图3-12b)，在这一过程中，气体的容积虽然增大了但未对外界做膨胀功。,绝热自由膨胀过程,同时这一过程又是在绝热的条件下进行的，因此,W=,0，,q=,0,根据热力学第一定律,q,=,u,+,W,，有,u,=0，,u,2,=,u,1,(3-54),所以，绝热自由膨胀后，气体的内能保持不变。如果是理想气体，由于内能只是温度的函数，内能不变，温度也不变，有,T,=0，,T,2,=,T,1,(3-55),绝热自由膨胀过程,如果是实际气体，由于自由膨胀后质量提及增大，通常内能中分子所形成的未能有所增加，因此内能中分子动能部分就会减小(总的内能保持不变)，从而使气体的温度有所降低(这就是所谓的“焦耳效应”)：,T,0，,T,2,0，所以，,ds,=0(定熵过程),如果存在内摩擦，那么绝热过程必定引起熵的增加，即,即,Tds,0，而,T,0，所以,ds,0(熵增加)式中,W,1,是由于存在内摩擦而损失的功，称为功损。由功损产生的热称为热产，用,q,g,表示。,【例3-7】设在图3-12a)所示的容器左侧装有3Kg氮气，压力为0.2mpa，温度为400K，右侧为真空，左右两侧容积相同，抽掉隔板后气体进行自由膨胀。,(1)由于向外界放热，温度降至300K。,(2)过程在与外界绝热的条件下进行，求过程的终态压力、热量及熵的变化。,解：,按理想气体、定比热容进行计算。由表3-3，氦气的定值千摩尔比热容为,uc,v,=20.9,kJ,/(,kmolK,),则氦气的定容比热容为,a)据,则,由于自由膨胀过程是一个不做膨胀功的过程，则,热量,熵变量,b)理想气体绝热自由膨胀后，内能不变，唯独也不变，则,T,2,=,T,1,=400K,所以,熵变量,过程总是,自发地朝着一定的方向进行,：热量总是自发地从温度较高的物体传向温度较低的物体；机械能总是自发地转变为热能；气体总是自发地膨胀等。这些自发过程的反向过程(称为,非自发过程,)是不会自发进行的：热量不会自发地从温度较低的物体传向温度较高的物体；热能不会自发地转变为机械能；气体不会自发地压缩等。,过程的方向性,过程的方向性,这里并不是说这些非自发过程根本无法实现，而只是说，如果没有外界的推动，它们是不会自发地进行的。,热力学第二定律,克劳修斯说法,(1850年),：,“,热量不可能自动(自发)地不付代价地从低温物体传到高温物体,”,。这是从热能传递的角度总结出这种表述的。,开尔文说法,(1851年),：,“,不可能从单一热源取热使之完全变为有