工程热力学教案105版.pdf

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1、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 12 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 34 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 56 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 78 焓，热力学第一定律的基本能量方程式授课 910 开口系统能量方程式，能量方程式的应用授课 1112理想

2、气体的概念，理想气体的比热容授课 1314 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 1516 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 1718 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 1920 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 2122 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 2324 熵、热力学第二定律的数学表达式；熵方程授课 2526 孤立系统熵增原理授课 2728 火用参数的基本概念、热量用；习题课授课 2930 稳定流动的基本方程式；促使流速改变的条件；授课 3132 喷管的计算；授课

3、 3334 有摩阻的绝热流动；绝热节流，习题课授课 3536 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 3738 多级压缩和级间冷却。叶轮式压气机的工作原理。授课 3940 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 4142 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 4344 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 4546 简单蒸汽动力装置循环- 朗肯循环授课 4748 蒸汽动力装置再热循环；回热循环，习题课授课 4950 概述；压缩空气制冷循环；压缩蒸汽制冷循环；热泵循环授课 515

4、2 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 5354 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 5556 总结，机动授课 5758 工程热力学实验实验 5960 工程热力学实验实验 6162 工程热力学实验实验 6364 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.

5、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： 燃烧 光热 转换 热机 利用 发电机 聚变 裂变 电动机 风 车 水 轮 机 光 电 转 换 化学能热能 太阳能热能 机械能 地热能热能 电能 原子能热能 风 能机械能 水力能机械能 太阳能 燃 料 电 池

6、直接应用 电能 化学能电能 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

7、作业的重要性。要求作业及时完成，不等不拖，说明考核方式。 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 蒸汽动力装置 内燃机 燃气动力装置 燃气轮机 制冷空调 引出几个定义： 工质实现热能和机械能相互转换的媒介物

8、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； 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 能源做功媒介 物质 排 入 大 气 或冷却水 能量 转移 余能 锅 炉 汽轮机 冷凝器 泵 过热器 Q1 Q2 W 2.热力系的分类 闭口系统 开口系统 绝热系统 孤立系统 （1）结合

9、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

10、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 ） 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 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 1 状态参数 2 状态参数的性质 冷流体 热流体 1 2 状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给

11、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 2 2112 1 0,dX dXXXX ? 3 状态参数的分类 p T V U H S 可直接用仪器测量，可测参数，基本状态参数； 通过热力学方法由基本参数推导而来，不可测参数。 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。 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

12、， 引导学生在科学研究中尊重术语） 二、温度 物理意义 1 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。 2 微观 温度是物质微粒热运动激烈程度的标志。 3 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） 4 温标 温标温度的数值表示法。 不同温标之间的关系： 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 1122 1122 ii sisi tttt tttt 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

13、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 11：铂金丝的电阻在冰点时为10.000，在水的冰点时为14.247 ，在硫的沸点 （446）时为 27.887 ，试求出温度t/ 和电阻R/ 的关系式 2 0 1RRAtBt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 273.15tTK 三、压力 1. 压力的定义 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

14、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/m 2 1MPa 106Pa 1atm101325Pa, 1at98066.5Pa，1mmHg 133.3224Pa，1mmH2O9.80665Pa 例 12：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。 p pb pe p pb pv 0 0 pb pv p p pv 四、比体积和密度 比体积、密度 注意：1v，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

15、热力学 中通常用v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： 只有在系统内或

16、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。 TH TL 铜棒 气相 液相 T,p,u ,h ,s

17、 T,p,u,h,s 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 H T接触，另一端与低温热源 L T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

18、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 ,TTp vpp T vvv p T , ,FFp v T 三、状态

19、参数坐标图 压容图pv和温熵图Ts。 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。 势差足够小足够小地偏离平衡状态 实现条件 变化速度足够慢足够的时间恢复平衡 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：0 ext F ppp A 或 ext F pp A 气体工质和外界温差为无限小，即0 ext TTT或 ext TT 实现准平衡过程条件 -0

20、 0 ext ext F ppp A TTT 压力差无限小 准平衡过程 温度差无限小 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） 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

21、平衡状态，而且，一旦改变势差的方向，即可改变过程的方向； 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

22、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。 p1, v1, T1 p2, v2, p3,v3, p v （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 WFdx 式中：W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 2 1 2 1 WFd

23、x 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 1J1Nm 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 W w m 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 WFdxpAdxpdV 式中：A活塞面积； dV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： 2 1 WpdV 说明： 1 如已知可逆的膨胀过程12 的方程

24、式pf V，即可由积分求得膨胀过 程功的数值； 2 膨胀功 1 2 W 在pV图上可用过程线下方的面积 121nm 表示，因此pV 图也叫示功图。 如果工质是1kg，则所做的功为 p v 1 wpdVpdv m 2 1 2 1 wpdv 过程依相反方向21 进行时，同样可得 1 2 1 2 wpdv 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， 0dv时，0w，无功量交换； 00dvw时，系统对外做功，功为正； 00dvw时，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pV图上过程线下方的面积表示

25、； 3. 功量是个过程量，w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pV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,p V的函数关系。,p V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，

26、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。 1ur WWWW 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

27、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 微元过程：QTdS 有限过程： 2 1 2 1 QTdS 单位质量：qTds 2 1 2 1 qTds 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Ts图上过程线下方的面积表示； 3. 热量是个过程量，q不是全微分。当初终状态一定，而过

28、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Ts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 循环。 循环分类。 收益 经济性指标 代价 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 -p v和Ts图。 循环净功： net ww ? 循环净热量： 12net qqqq ? T s 1 a 2 b m n e f 4 3 c d wnet q1-q2t=wnet p v T s 正向循环的经济性用热效率 t来衡量。 1

29、 net t w q 循环收益循环净功 花费代价工质吸热量 t愈大，即吸入同样的热量1 q时得到的循环功 net w愈多，它表明循环的经济性愈好。 三、逆向循环 制冷系数： 2 net q w 热泵系数（供热系数） 1 net q w 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 WpdVQTdS1 正负号约定 wpdvqTds2 面积 有

30、限过程 2 1 WpdV 2 1 2 1 QTdS3 过程量 2 1 2 1 wpdv 2 1 2 1 qTds4 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： 正确识别各种不同形式能量的能力； 根据实际问题建立具体能量方程的能力； 1 a 2 b m n e f 4 3 c d wnet q1-q2t=wnet p v T s 3 应用基本概念及能量方程进行分析计算的能力； 4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

31、、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，kgfm。 由于1kcal=4.1868kJ=426.935kgfm 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

32、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U，J，kJ； 单位质量的热力学能称为比热力学能（比内能） u，J/kg，kJ/kg。 工质的内能包括： 1）工质的内动能 振动 转动 平动 Tfmv 2 2 1 ，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）TvfU, 所 以 内 能 是 温 度 与 比 容 的 函 数vTfU,而 对 于 单 位 质 量 的 工 质 的 内 能 为 vTfu, 又因为气体的Tvp,是由状态方程式0,TvpF联系起来的， 所以又有vpfu, 和T

33、pfu,。 二、外部储存能 外部储存能。 宏观运动的整体动能： 2 2 1 mcEkkJ； 宏观的整体动能：mgzE p kJ； 三、总能 系统中的总储存能为：UEEE pk kJ； 单位质量的能量为：gzcue 2 2 1 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U是个广延参数，具有可加性，而比热力学能 m U u是强度参数，具有点函 数的性质。0 du12 2 1 uudu 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U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。

34、 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 2.推动功和流动功 （1）推动功。图示系统 p FSpVmpv（J） 。 式中， m进入汽缸的工质质 量。 1 千 克 工 质 的 推 动 功 等 于pv W ECM W ECM Q W ECM 热能机械能 p1,v1 p2,v2 1 1 2 2 （J/kg） 。 （2）流动功。 推动功差 221 1 pvp vp v 2.4 焓(课时 7、8) 1、焓是一个状态参数，定义表达式为：pvuh，不论是控制质量还是流动质量，当状 态一定时，u及pv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，

35、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pMPa，体积为Vm3，内能为UkJ，则气瓶中气体的焓为： pVUH 注意 1 压力应为绝对压力； 2 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 CMkp QWEUEE 若工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计 UWQ或UWQ 热力学第一定律的第一解析式。 式中： 12 UUU，为系统在状态2 和状态 1 下的

36、热力学能。 对于闭口系统，功只能为容积功。 注意： 1 上式不可以写成UWQ，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：wuq 2 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 Q W U 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

37、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，WdUQ 有限过程中UWQ 就 lkg 工质而言，可写成：wduq或wuq 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：pdvw 则对于简单可压系可逆过程写成： pdVdUQ pdVUQ pdvduq 2 1 pdvuq 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： 1 能量方程中的,

38、Q W是代数值，在代入数值时要按约定正负号含义代入， , kp UEE表示增量，若过程中它们减少应代入负值； 2 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。 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 2 1 1 p1 p2 Q Wi dV1, cf1 dV2, cf2 基准面 z2 z1 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： 1

39、1 dEp dVQ其中 2 1111 1 2 dEdUmcmgz 2） 流出系统的能量： i WdVpdE 22 ，其中 2 2222 1 2 dEdUmcmgz 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 22 1111122222 11 22 fif QdUmcmgzp dVWdUmcmgzp dV（ 1） 则对（ 1）式加以整理，得出系统的吸热量为： 22 2221112121 1 ()()() 2 ffi QUp dVUp dVm ccmg zzW（2） 焓为流动工质所携带的能，工质要流动，则必携带内能u

40、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： 22 2121 1 () 2 ffi QdHm ccmg zzW（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： 22 2121 1 () 2 ffi QHm ccmg zzW 1kg 工质流过开口系经过有限或微元过程时，则 21 2 fi qhcg zw 21 2 fi qdhdcgdzw 而膨胀功 2 1 ()() 2 fi qupvcg zw 由四个部分组成的： 1）pv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 2 1 2 f c； 3）进出口位能

41、之差g z 4） i w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 pv，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 21 2 2 2 1 )( 2 1 zzgccww it 利用（ 4）式，则 221 1221 1 ()() t wqup vp vwp vp v，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。

42、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： tt whwhhq 12 （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wuq（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uq。 稳定流动能量方程式（3）和第一定律的第二解析式。都是

43、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w 因为 221 1 () t ww p vp v 在 p-v 图上，膨胀功w为面积 12ab1= 2 1 pdv； 而 22v p为 面 积c2b0c ， 11v p为 面 积d1a0d， 则 t w为 面 积 12cd1= 2 1 vdp 也可这样推导： 221 1 () t ww p vp v= 2 1 2 1 )(pvdpdv= 2 1 vdp（7） 由（7）式可见，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 对机器作

44、功。反之，若dp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 1 2 a b 0 c d 3 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 t wwd pvpdvpdvvdpvdp 第一定律第二解析式的微分形式为：qdhvdp 第一解析式和第二解析式之间可相互推导。 第一解析式：qwdupdvd hpvpdvdhpdvvdpdhvdp 第二解析式：qdhvdp=d u pvvdpdupdvvdpvdpduw 2.6 开口系统的能量方程的一般表达式 开口不稳定流动系统如图 d时间内流入的能量： 2 111 1

45、11 1 2 f Qmup vcgz 流出的能量 2 222222 1 2 if Wmup vcgz 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 cv dE表示（ control volume） ，则上式 可整理为： 2 2222 1 2 cvf QdEhcgzm 2 1111 1 2 fi hcgzmW 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 Q d ， m m q d ， 则上式变为： 22 222,112, 11 22 cv m outm ini jioutin dE hcgzqhcgzqP d

46、对于闭口系统，dudEcv ， ,m inm out qq 0， i ww，则qduw 对于稳定流动系统：0 cv dE， ,m inm out qq， 则 t qdhw 2 2 1 1 p1 p2 Q Wi dV1, cf1 dV2, cf2 基准面 z2 z1 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： 1 在气源中气体的比热力学能是 0 u，但随质量交换而 交换的能量是比焓 0 h，即质量流的能容量是 0 h而不是 0 u。充气 过程中， 系统增加的能量为 2200 m um

47、h，既不是 2200 m um u；也 不是 2200 m hm u。终态时系统的比焓为 2222 hup v。 2 在绝热充气过程中，焓转变成热力学能， 02 hu，它是个不可逆过程。 例：汽缸的一端通过阀门与稳定气源 iii Tvp,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： 1 212211 0 i Qmm hWm umu 2 11 0mpV 2122i mm hm u 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

48、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 1 p，另一边则维持较低的压力 2 p，气体不断地从 1 p一边经过多孔塞节流到 2 p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 21 HH。 2.7 能量方程式的应用 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。 一、动力机 1 千克工质对机器所作的功为： h0，p0， ，v0 h1 h2 wi h1 h2 wi 多孔塞 绝热体 1 2 iii Tvp, 1 2 21 hhhwi 二、压气机 1 千克工质需作功 c w为：

49、 12 hhqhqww ic 三、换热器 12hhq 。 四、管道 1 千克工质动能的增加为： 21 2 1 2 2 2 1 hhcc 五、节流 21 hh 本章小结 热力学第一定律。 能量 内部储存能热力学能 储存能 外部储存能宏观动能和宏观位能 热量 迁移能 功量 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 W （膨胀功）： 2. 内部功 i W：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。 c1， h1 c2，h2 h2 h1 q h1 h2 2 2 1 1 4.技术功 t W：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： CMkp QWEUEE UWQ或UWQ QdUWpdVd