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工程热力学 教案 第四讲

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｛复习提问｝
1、什么是热力学第一定律？
2、什么事准平衡过程和可逆过程？举例描述。
3、系统储存能包括及部分，各是什么，表示符号和表达式是什么？

｛导入新课｝

第三节 系统与外界传递的能量

上一节课我们学习了系统的总储存能，这一节我们来学你系统与外界传递的能量。
在热力过程中,热力系与外界交换的能量包括三部分，分别是功量、热量和工质通过边界时所携带的能量。下面我们分别来学习这三种能量：
一、热量
1、定义：系统和外界之间仅仅由于温度不同（温差）而通过边界传递的能量称为热量。符号：Q , 单位为J或kJ
2、单位质量工质与外界交换的热量用q 表示,单位为J/kg或kJ/kg 。
微元过程中热力系与外界交换的微小热量用dQ 或dq表示。
3、热量为在热传递中物体能量改变的量度,是过程量。其数值大小与过程有关，所以不是状态参数。
4、热量正负规定: 系统吸热，热量取正值，Q（q）＞0 ；系统放热，热量取负值，Q（q）＜0 。
5、热量的记算式（推导）：
引入新概念 【熵】
熵：指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。有温差便有热量的传递,可用熵的变化量作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标志 。
1、符号: S , 单位为J/K 或 kJ/K 。

2、单位质量工质所具有的熵称为比熵, 用 s 表示, 单位为 J/（kg×K) 或 kJ/（kg×K）。
用熵计算热量
在微元可逆过程中，系统与外界传递的热量可表示为：
δq =Tds δQ =TdS
在可逆过程1-2中，系统吸收的热量可写为：
q =Tds Q=TdS
根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：ds＞0，δq＞0，系统吸热；
ds＜0，δq＜0，系统放热；
ds=0，δq=0，系统与外界没有热量交换，是绝热（定熵）过程。
3. 温熵图 (T-s图) 在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量 q =Tds ， 大小等于T-s 图（温熵图）上过程曲线下的面积，因此温熵图也称示热图。对于分析热力过程和热力循环很有用处。

二、功量
我们知道热量是由于温差的作用使系统与外界发生能量交换，顾名思义，功量是在力差作用下，系统与外界发生的能量交换。
1、 功量亦为过程量，不是状态参数。
2、 有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式: ⑴体积变化功，⑵轴功。
⑴体积变化功——由于热力系体积发生变化（增大或缩小）而通过边
界向外界传递的机械功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。
①符号: W , 单位为J或kJ 。
②1kg工质传递的体积变化功用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。
③正负规定: dv > 0 , w > 0 , 热力系对外作膨胀功；
dv < 0 , w < 0 , 热力系对外作压缩功。
④体积变化功的计算式（推导） 课本图2-4
假设质量为1kg的气体工质在汽缸中进行一个可逆膨胀过程，缸内气体压力p，活塞截面积A，活塞在某一瞬间移动微小位移dx。则整个热力过程工质对活塞所作功量为 : 1→2为可逆过程
()

w == ★
由上式可知，功的数值等于曲线下的面
积12vv。所以，p-v图又称为示功图。
• 体积的变化使系统与外界有无体积功转换及转换方向的标志。
⑵轴功——热力系通过机械轴与外界交换的功量。 （了解）
• 符号: Ws , 单位为J或kJ 。
• 1kg工质传递的轴功用符号ws表示，单位为J/kg或kJ/kg。
• 轴功的特点
1、刚性绝热封闭热力系不可以任意地交换轴功，即:外界功源向其输入轴功将转换成热量而增加热力系的热力学能。
2、刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功。
3、开口热力系与外界可以任意地交换轴功，即:热力系可向外输出轴功, 如燃气轮机、蒸汽轮机等
4、热力系可接受输入的轴功,
如风机、压缩机。

三、随工质流动传递的能量
开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分:
（1）流动工质本身的储存能 E
E=U+ E+ E=U++ mgz
（2）流动功(推动功) Wf——开口系因工质流动而传递的功量称为流动功,又称推动功。

Ø 流动功是为推动工质通过控制体界面而传递的机械功，它是维持工质正常流动所必须传递的能量。
Ø 单位为 J或kJ。1kg工质所作流动功用 wf 表示，单位为J/kg或kJ/kg。
Ø 推导公式：如图所示，已知dm，p，v，A
对dm工质: dW=pAdx=pdV= pvdm
对1kg工质 : w= =pv
∴1kg工质流入和流出控制体的净
流动功为
Dwf =p2v2-p1v1
∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于
控制体进、出口界面上工质的热力状态。

综上所述，流动工质传递的总能量为
U++ mgz+pV 或 u+c+gz+ pv

【焓】及其物理意义
1、令 H=U+pV ——焓(单位: J或kJ ) 或h=u+pv ——比焓(单位: J/kg或kJ/kg )。
2、焓也是状态参数,与工质是否流动无关。
3、对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；
对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。
4、引入状态参数焓后, 流动工质传递的总能量为:
H++ mgz 或 h+c+gz

｛难重点｝
1、 系统与外界传递的能量都由什么组成？
2、 什么是熵，系统传递热量的表达公式是什么？学会看温熵图。
3、 何为功量，体积功的表达式是什么？
4、 随物质流动的能量包括哪两部分？各自的表达式是什么？
5、 什么是焓？其物理意义和表达式是什么？

｛小结｝

｛作业｝

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