工程热力学ppt课件详解.ppt

第一篇 工程热力学,第01章工程热力学的基本概念,第02章热力学第一定律,第03章热力学第二定律,第04章理想气体,第05章水蒸气,第06章气体和蒸汽的流动,第07章压缩机的热力过程,第08章气体动力循环,第09章蒸气压缩制冷循环,第10章湿空气,第01章工程热力学的基本概念,第一节 工质的概念及应用,第二节 热力学系统,第三节 热力学平衡态,第四节 热力学状态参数,第五节 准静态过程和可逆过程,第一节 工质的概念及应用,1、热能动力装置：热能转换为机械能,一、热能动力装置与制冷装置的作用,1、热能动力装置：热能转换为机械能,一、热能动力装置与制冷装置的作用,2、制冷装置：热量从低温处传递到高温处,（热泵）,第一节 工质的概念及应用,1、热能动力装置：热能转换为机械能,一、热能动力装置与制冷装置的作用,2、制冷装置：热量从低温处传递到高温处,（热泵）,二、工质,1、定义：把热量转化为机械能的媒介物称为工质，把热能转化为机械能，只有通过工质的膨胀来实现。2、工质的基本性质：作为工质应具有良好的流动性和膨胀性。工质一般都是气态(汽态)。3、常用工质：空气、燃气、蒸汽（水蒸气及制冷剂蒸汽气）,第一节 工质的概念及应用,第二节 热力学系统,一、（热力学）系统、外界、边界,1、系统：相互作用的各种热力设备中 被划分出的作为研究对象的热力设备,2、外界：系统之外的其它热力设备,3、边界：系统与外界的分界面,系统与外界通过边界相互作用；有三种交换：物质；功量；热量,可以是真实的、也可以是虚拟的；可以是固定的、也可以是活动的。,第二节 热力学系统,一、（热力学）系统、外界、边界,二、系统与外界的类型,划分依据：物质、功量、热量交换,1、系统的类型,开口系统：与外界有物质交换封闭系统：与外界无物质交换绝热系统：与外界无热量交换孤立系统：与外界无任何交换（既无物质交换，又无功量 和热量交换）,2、外界的类型,热源：与系统只发生热量交换。高温热源：向其他系统供热的热源（热源）；低温热源：吸收其他系统放出热量的热源（冷源）。功源：与系统只发生功量的交换。质源：与系统只发生物质交换。,第三节 热力学平衡态,：描述系统宏观状态的物理量,一、状态,：系统在某一瞬间所处的宏观状况,二、状态参数,三、平衡态（热力学平衡状态）,热平衡：热力系统的温度均匀一致，且不随时间而变,力平衡：热力系统的压力均匀一致，且不随时间而变,平衡态,在无外界影响的条件下，热力学系统内部工质的温度和压力到处是均匀一致的且不随时间变化。,平衡态：,描述最为简单,稳态,系统内的状态参数不随时间而变化,均匀态,系统内的状态参数在空间的分布均匀一致,第四节 热力学状态参数,一、常见的状态参数,1、压力2、温度3、比容4、内能5、焓6、熵,可直接观察和测量的状态参数：基本状态参数,热量和功量,非状态参数,第四节 热力学状态参数,一、常见的状态参数,二、状态参数的特性,1.状态参数的数值由状态唯一确定,2.当系统从初态变为终态时，状态参数的变化量，只与系统的初、终态有关，而与变化过程无关。,3.工质经过一个循环，又回到初态时，,1.尺度量：描述系统总体特征，如系统的总容积V、总内能U、总焓H、总熵S等，数值与系统的质量成正比，具有可加性。2.强度量：描述系统内各点特征，如压力p、温度T等，数值与系统的质量无关，不具有可加性。,第四节 热力学状态参数,一、常见的状态参数,三、状态参数的分类,二、状态参数的特性,1、p-v图2、T-s图 等,点、线、面含义,第四节 热力学状态参数,一、常见的状态参数,四、状态参数坐标图,三、状态参数的分类,二、状态参数的特性,第四节 热力学状态参数,一、常见的状态参数,四、状态参数坐标图,三、状态参数的分类,二、状态参数的特性,五、基本状态参数,2、温度,3、比容,1、压力,1）压力的概念与单位物理学单位面积上所受到的垂直作用力称为压强(压力)；,气体或者液体作用在单位容器壁面上的垂直作用力称为压力。,工程热力学与流体力学,压力的单位：,分子运动论把气体压力看做是气体分子撞击壁面的宏观表现,1、压力,1）压力的概念与单位,2）绝对压力、大气压力、表压力与真空度,绝对压力：,气体的真实压力,工程热力学计算中使用的压力,1、压力,1）压力的概念与单位,2）绝对压力、大气压力、表压力与真空度,大气压力：标准大气压：纬度45o的海平面上的常年平均气压（用pb表示)1atm=760mmHg=0.1013MPa=1.03323at。标准状况:压力为1标准大气压、温度为0。,绝对压力：,1、压力,1）压力的概念与单位,2）绝对压力、大气压力、表压力与真空度,大气压力：,绝对压力：,表压力、真空度：,压力计显示的压力,相对压力,当绝对压力高于大气压力，,ppb时,压力计指示的数值表压力,pg=p-pb,当绝对压力低于大气压力，,ppb时,压力计指示的数值真空度,pv=pb-p,1、压力,2、温度,温度是物体冷热程度的标志,通俗地：,热力学：,一切处于热平衡的系统其温度值均相等,与物体内分子运动的平均动能成正比,微观上：,定义：,温标：,绝对温度、摄氏温度、华氏温度,摄氏度的大小与开尔文的大小相比一致。,热力学中采用的是绝对温度,温度的数值表示方法,冰点,沸点,0,100,320F,2120F,100,180,摄氏温标上的1度大于华氏温标上的1度,绝对温度，摄氏温度,摄氏温度，华氏温度,3、比容,比容定义：,单位质量工质所占有的容积,单位：,m3/kg,密度定义：,单位体积工质所具有的质量,单位：,kg/m3,比容与密度的关系,互为倒数,第五节 准静态过程和可逆过程,一、热力过程,系统从初始平衡态变化到终了平衡态所经历的全部状态,第五节 准静态过程和可逆过程,一、热力过程,过程进行得足够缓慢，系统所经历的每一个中间状态足够接近平衡状态。,二、准静态过程,注意,第五节 准静态过程和可逆过程,一、热力过程,过程进行得足够缓慢，系统所经历的每一个中间状态足够接近平衡状态。,二、准静态过程,2、准静态过程的基本特征,温差无限小,压差无限小,内部平衡,1、热力过程进行的时间比弛豫时间长得多,实际的热力过程进行的时间远大于弛豫时间，完全可以看做是准静态过程。,3、在状态参数坐标图上，准静态过程可以用一条连续曲线表示，非准静态过程不可以用一条连续曲线表示。,第五节 准静态过程和可逆过程,一、热力过程,二、准静态过程,三、可逆过程,系统进行了一个过程后，能使系统和外界沿着与原过程相反的方向恢复初态。,一、热力过程,二、准静态过程,三、可逆过程,系统进行了一个过程后，能使系统和外界沿着与原过程相反的方向恢复初态。,第五节 准静态过程和可逆过程,常见的不可逆因素,1、耗散效应,摩擦使功变为热的现象,（不考虑化学反应和电磁效应）,2、有限温差下的热传递,（不考虑化学反应和电磁效应）,一、热力过程,二、准静态过程,三、可逆过程,系统进行了一个过程后，能使系统和外界沿着与原过程相反的方向恢复初态。,第五节 准静态过程和可逆过程,常见的不可逆因素,1、耗散效应,摩擦使功变为热的现象,2、有限温差下的热传递,3、自由膨胀,4、不同工质的混合,一、热力过程,二、准静态过程,三、可逆过程,系统进行了一个过程后，能使系统和外界沿着与原过程相反的方向恢复初态。,第五节 准静态过程和可逆过程,常见的不可逆因素,1、耗散效应,2、有限温差下的热传递,3、自由膨胀,4、不同工质的混合,摩擦使功变为热的现象,当热能和机械能发生转变时，可逆过程可以获得最大可用功,一、热力过程,二、准静态过程,三、可逆过程,第五节 准静态过程和可逆过程,四、准静态过程与可逆过程,1、准静态过程是内部平衡过程。,实际过程可以看作是准静态过程。,2、可逆过程不包括任何的不可逆因素，内外平衡是可逆过程的充分和必要条件。,实际过程是不可逆的。,3、可逆过程一定是准静态过程，准静态过程不一定是可逆过程，,只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。,第02章热力学第一定律,第一节 热力学第一定律的实质及内容,第二节 功量和热量,第三节 系统的储存能量,第四节 对封闭系统的热力学第一定律,第五节 对开口系统的热力学第一定律,第一节 热力学第一定律的实质及内容,一、热力学第一定律的实质,实质能量转换和守恒定律在工程热力学中的具体应用。,能量转换和守恒定律能量是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。,二、热力学第一定律的三种表述,1、热能可以和机械能相互转换，可以从一个物体传递到另一个物体，在转换过程中，能的总量保持不变。,2、不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是造不成的。,3、文字式:进入系统的能量离开系统的能量=系统中储存能量的变化量,第二节 功量和热量,一、功量,1、力学定义：物体所受的力及其沿力的方向所产生的位移的乘积。J,2、热力学定义：系统与外界相互作用而传递能量时，若其全部作用效果可表现为使物体改变宏观运动的状态，则这种传递的能量称为功。,3、可逆过程的功计算,传递中的能量,p,4、功的符号规定,工质状态变化，因其比容变化而作的功，称为容积功。,比容减少，,消耗外界功，,功为负。,比容增大，,系统对外作功，,功为正。,5、功不是状态参数，是过程函数,功是规则运动的能量体现,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵是状态参数,热量不是状态参数，是过程函数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,工质在微元可逆过程中从热源吸收的热量除以工质吸热时热源的绝对温度所得的商，定义为工质在该温度时该微元过程的熵的增量。,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,熵的含意：,当系统从热源吸收一定数量的热量时，热源的绝对温度越高，则系统熵的变化越小，热量转变为功的程度大。,当系统从环境（大气或海水）吸收热量时，熵的增量达极大值，吸收的热量转换为功的能力为零,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,熵的含意：,可逆过程熵计算：,可逆吸热过程，熵增加,可逆放热过程，熵减少,可逆绝热过程，熵不变,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,熵的含意：,可逆过程熵计算：,不可逆过程熵计算：,ds流:由热交换引起,ds产:由不可逆因素引起,吸热过程，熵流大于零,放热过程，熵流小于零,绝热过程，熵流等于零,可逆过程，熵产等于零,不可逆过程，熵产大于于零,任何过程，工质的熵产不可能小于零,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,热力系与外界之间依靠温差传递的能量。,3、热量和功量的类比熵概念的引入,2、热量的单位：1cal4.1868J,1、热量的符号规定：,系统向外界放热，,为负；,热量是不规则运动的能量体现,系统从外界吸热，,为正；,熵的定义：,熵的含意：,可逆过程熵计算：,不可逆过程熵计算：,1、某封闭系统经历了一不可逆过程后，系统向外界放热20kJ，同时对外界作功为10kJ，则系统的熵的变化量为。A.零 B.正 C.负 D.无法确定,2、某封闭系统经历了一不可逆循环后，系统向外界放热20kJ，同时对外界作功为10kJ，则系统的熵的变化量为。A.零 B.正 C.负 D.无法确定,熵是状态参数,第二节 功量和热量,传递中的能量,二、热量,一、功量,三、功量与热量,1、都是通过边界传递的能量；都是过程量；2、功传递由压力差推动，比容变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；3、功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量，是规则运动的能量体现；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量，是不规则运动的能量体现。4、功转变为热是无条件的；而热转变为功是有条件、限度的。,第三节 系统的储存能量,一、外部储存能宏观动能与宏观位能,二、内部储存能内能 U u,三、总储存能,在分子的尺度上,包括：内动能包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子的振动动能。温度越高，内部动能越大。内位能由分子间相互作用力形成。大小取决于分子间的距离,即与比容有关,系统比容增大时，内位能增大。对实际气体,内能是状态参数,内能:系统内部各种形式能量的总和,内能的绝对值无法测定,计算中,只涉及到内能的变化量,国际上取水的三相点作为内能的零基准点。,内能系统内的分子无规则运动的热能,第四节 对封闭系统的热力学第一定律,对于热力过程,有,对1kg工质,有,式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；内能增加为正，减小为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。,上式适用于任意过程、任意工质。,二、对可逆过程适用的封闭系统第一定律解析式,上式适用于可逆过程、任意工质。,对微元过程,有,一、封闭系统能量方程热力学第一定律第一解析式,题99，100,一、开口系统稳定流动能量方程热力学第一定律第二解析式,第四节 对开口系统的热力学第一定律,1、流动功,在断面2-2处:系统对外界做功:p2v2 kJ/kg,在断面1-1处:外界必须对流入工质做功:p1v1 kJ/kg,1,pv,一、开口系统稳定流动能量方程热力学第一定律第二解析式,第四节 对开口系统的热力学第一定律,1,1、流动功,2、焓,h=pv+u,比焓就是单位质量工质沿着流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量，是状态参数。,kJ/kg,pv,一、开口系统稳定流动能量方程热力学第一定律第二解析式,第四节 对开口系统的热力学第一定律,3、轴功 wz,工质流经开口系统，使转轴输出的功。,4、开口系统稳定流动能量方程,5、技术功,宏观动能（和位能）的变化量与输出轴功之和,6、热力学第一定律第二解析式,适用于：任意过程、任意工质,正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；,系统对外作功为正，外界对系统作功为负。,二、对可逆过程适用的开口系统热力学一定律第二解析式,适用于：可逆过程、任意工质,1、流动功,2、焓,h=pv+u,kJ/kg,pv,焓增加为正，焓减小为负。,可逆过程可逆过程技术功表示,比较,得到,因为,所以,相当于图上过程线与p轴间围成的面积ab21a,负号表示工质膨胀、压力降低时轴功为正。,对于微元过程：,*一元稳定流动条件,4、开口系统稳定流动能量方程,1）一元流动是指工质的状态参数和流速,仅沿流动方向做一元的变化,与流动方向垂直的同一截面上的各点工质的状态参数和流速是相同的。,2）任意一点的状态参数不随时间变化,3）进入系统的质量等于离开系统的质量,4）进入系统的能量等于离开系统的能量,开口系统示意图,*稳定流动能量方程,或,开口系统示意图,wz,第03章热力学第二定律,第一节 循环及循环的经济性指标,第二节 热力学第二定律的实质及内容,第三节 卡诺循环与逆向卡诺循环,第四节 卡诺定理及其对实际工作的指导意义,第一节 循环及循环的经济性指标,一、循环,工质从初态出发，经过一系列状态变化后，又回到初始状态所完成的一个封闭过程。,二、正循环与逆循环,正循环：按顺时针方向进行；,逆循环：按逆时针方向进行；,循环膨胀功大于压缩功，循环的净功量为正，即系统对外输出机械功。,逆循环的膨胀功小于压缩功，循环净功量为负，即消耗外界机械功，将热量从低温物体传向高温物体。,工质经过一个循环后，工质的所有热力学状态参数都没有发生改变,效果：,效果：,所有的热机循环都是按正循环工作。,制冷循环和热泵循环都是按逆循环工作的。,第一节 循环及循环的经济性指标,一、循环,工质从初态出发，经过一系列状态变化后，又回到初始状态所完成的一个封闭过程。,二、正循环与逆循环,三、热机循环及其热效率,工质从高温热源吸热,工质向低温热源放热,循环净功,热机循环热效率,第一节 循环及循环的经济性指标,一、循环,工质从初态出发，经过一系列状态变化后，又回到初始状态所完成的一个封闭过程。,二、正循环与逆循环,三、热机循环及其热效率,四、逆循环及其工作系数,从低温热源吸热,向高温热源放热,耗功,制冷系数,供热系数,第二节 热力学第二定律的实质及内容,一、实质,说明的是有关热过程进行的方向、条件和限度等问题 的规律，其中方向问题是根本问题。,二、对逆循环的表达,热量可以自发地从高温物体传到低温物体；要使热量从低温物体传到高温物体，必须消耗外界的机械功；制冷系数不可能趋于无穷大。,对逆循环：热量可以自发地从高温物体传向低温物体，但不能自发地从低温物体传向高温物体；但这并不是说热量不能从低温物体传向高温物体，热量从低温物体传向高温物体是有条件的，这个条件就是必须消耗外界机械功；热量从低温物体传向高温物体是有限度的，这个限度就是制冷系数不可能等于无穷大。,逆循环：实现热量由低温物体向高温物体的传递。但必须消耗一定的机械能。实践证明，企图不消耗机械功而实现由低温物体向高温物体传递热量是不可能的。,克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物 体传到高温物体，而不引起其它的变化”。,第二节 热力学第二定律的实质及内容,一、实质,说明的是有关热过程进行的方向、条件和限度等问题 的规律，其中方向问题是根本问题。,二、对逆循环的表达,三、对正循环的表达,热机循环：把热量转换为机械能，总有一部分热量不能转换为机械能，而以废热的形式放给温度较低的环境。实践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温物体的热能连续地完全转换为机械能是不可能的。,开尔文说法：“不可能从单一热源吸取热 量使之完全变为有用功，而不引起其他变化”。,要使热能转化为机械功，必须要有二个（或以上）热源；热效率不可能达到百分之百。,“第二类永动机（单一热源的热机）是不可能制成的”,对正循环：功可以自发地连续地全部转换为热，热不能自发地连续地全部转换为功；但这并不是说，热不能转变为功,热变功是有条件的，这个条件就是必须有二个热源；热转换为功是的限度的，这个限度就是热效率必然小于100%。,克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物 体传到高温物体，而不引起其它的变化”。,“热机的热效率不可能达到100%”,第三节 卡诺循环与逆向卡诺循环,一、可逆循环与不可逆循环,可逆循环：组成循环的过程都是可逆过程,不可逆循环：组成循环的过程有一个不可逆,第三节 卡诺循环与逆向卡诺循环,一、可逆循环与不可逆循环,二、卡诺循环热机的最理想循环,利用两个热源，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热组成的热机循环。,1、卡诺循环组成：,TH,TL,2、卡诺循环热效率：,可见：,q1=TH(s2-s1)q2=TL(s2-s1),卡诺循环的有关结论对工程实践有着非常重要的指导意义！,第三节 卡诺循环与逆向卡诺循环,一、可逆循环与不可逆循环,二、卡诺循环热机的最理想循环,三、逆向卡诺循环制冷循环或热泵循环的最理想循环,利用两个热源，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热组成的逆循环。,1、逆向卡诺循环组成：,2、逆卡诺循环制冷系数：,可见：,q1=T1(s2-s1)q2=T2(s2-s1),第四节 卡诺定理及其对实际工作的指导意义,1、在温度TH的高温热源和温度TL的低温热源之间工作的一切可逆热机，其热效率都相等，与工质的性质无关；,2、在温度TH的高温热源和温度TL的低温热源之间工作的热机循环，以卡诺循环热效率为最高。,一、卡诺定理表述,二、提高热能动力装置热效率的途径,1、尽量提高高温热源的温度。,2、尽量降低低温热源的温度，尽量接近环境温度。,3、尽量减少过程的不可逆性，减少摩擦与传热温差，使实际循环接近可逆循环。,2、提高低温热源的温度，即选择较高的冷库温度，提高蒸发温度。,1、降低高温热源的温度，即选择低温的冷却介质，降低冷凝温度。,3、尽量减少过程的不可逆性，减少摩擦与传热温差，使实际循环接近可逆循环。,三、提高制冷装置制冷系数的途径：,四、提高热泵循环供热系数的途径：,第04章理想气体,第一节 理想气体的定义及物理模型,第二节 理想气体状态方程,第三节 理想气体的比热,第四节 理想气体的内能和焓,第五节 理想气体的定容过程,第六节 理想气体的定压过程,第七节 理想气体的定温过程,第八节 理想气体的绝热过程,第九节 理想气体的多变过程,第一节 理想气体的定义及物理模型,理想气体：分子本身体积忽略不计；分子间作用力忽略不计；气体分子如同弹性质点。,常见的理想气体与实际气体理想气体:氧气、氮气、空气（湿空气）、燃气、空气或燃气中的水蒸气。实际气体:造水机中的水蒸气、制冷装置中的制冷剂蒸气。,实际气体：压力越低或温度越高，越接近理想气体。,同一种气态物质，随温度的升高和压力的降低，其容积增加，分子间的内聚力进一步减小。,刚从液态转变过来的气态物质（蒸气），不能看作理想气体,第二节 理想气体状态方程,一、理想气体的三个实验定律,1、查理定律:,2、盖吕萨克定律：,3、波义耳马略特定律：,或者,同一种理想气体在温度不变的条件下，其绝对压力与比容成反比。,同一种理想气体在压力不变的条件下，其比容与绝对温度成正比。,同一种理想气体在比容不变的条件下，其绝对压力与绝对温度成正比。,比容v 保持不变,压力p 保持不变,温度T 保持不变,1、查理定律:,2、盖吕萨克定律：,3、波义耳马略特定律：,第一节 理想气体状态方程,一、理想气体的三个实验定律,或者,比容v 保持不变,压力p 保持不变,温度T 保持不变,1、查理定律:,2、盖吕萨克定律：,3、波义耳马略特定律：,二、理想气体状态方程,pvRT,R气体常数 与气体种类有关，与状态无关。单位：J/kgK,第二节 理想气体状态方程,一、理想气体的三个实验定律,二、理想气体状态方程（克拉贝隆方程）,pvRT,R气体常数 与气体种类有关，与状态无关。单位：J/kgK,对m kg理想气体,RM=MR=8314 J/kmolK，气体通用常数，,对n kmol理想气体,pV=nMRT=nRMT,M 千摩尔质量 kg/kmol,m=n.M,pVmRT,分为三类：1）质量比热c：取1kg质量作为计量单位，单位为kJ/kg.K2）千摩尔比热cM：取1kmol作为计量单位时，单位kJ/kmol.K3）容积比热c：取标准状态下1m3气体的容积作为计量单位，单位为kJ/Nm3.K。,第三节 理想气体的比热,一、热容（热容量）：,二、比热（比热容）：,cM=M c=22.4c,影响理想气体热容的因素：系统内的物量、气体的性质、加热过程、气体的温度。,物体温度升高1K 所需要的热量，单位kJ/K。,单位物量的物体温度升高1K 所需要的热量。,影响理想气体比热的因素：气体的性质、加热过程、气体的温度。,与压力无关。,三、定压比热与定容比热,、同一种理想气体，只要有相同的初态温度和终态温度，任何过程中其内能的变化都相同。,第四节 理想气体的内能和焓,一、理想气体的内能,、理想气体的内能只与温度有关，仅是温度的单值函数。,、理想气体，任何过程中内能的变化都可表示为,二、理想气体的焓,、理想气体的焓只是温度的单值函数。,、只要有相同的初态温度和终态温度，任何过程中其焓的变化都相同。,、理想气体，任何过程中焓的变化都可表示为,2、3、4、5点温度相同,三、理想气体可逆过程适用的热力学第一定律,对定容过程，外界加入封闭系统的热量全部用来增加系统内能，反之，封闭系统向外界放出的热量全部由系统内能的减少来补偿。,第五节 理想气体的定容过程,状态变化过程中，比容保持不变,一、过程方程式：,二、状态参数之间的关系：,三、过程在状态参数坐标图上的表示：,T-s图上的斜率：,四、过程中的能量转换关系：,v定值,第六节 理想气体的定压过程,一、过程方程式：,二、状态参数之间的关系：,三、过程在状态参数坐标图上的表示：,T-s图上的斜率：,四、过程中的能量转换关系,在状态变化过程中，压力保持不变,p定值,在定压过程中，气体吸收的热量大于对外作功量；理想气体定压过程中的对外做功量，全部来自于所吸收的热量。,一定质量的理想气体在等压作用下，温度从127上升到227，其比容等于原来的 倍：,5/4,第七节 理想气体的定温过程,在状态变化过程中，温度保持不变,一、过程方程式：,二、状态参数之间的关系：,三、过程在状态参数坐标图上的表示：,p-v图上的斜率：,四、过程中的能量转换关系,pv定值,理想气体定温过程中吸热量等于膨胀功；放热量等于压缩功。,一定质量的理想气体在温度保持不变的条件下，若压力表的读数从0.5MPa下降到0.4MPa，其比容等于原来的_倍。,6/5,第八节 理想气体的绝热过程,在状态变化过程中，系统与外界没有热交换,一、过程方程式：,二、状态参数之间的关系：,三、过程在状态参数坐标图上的表示：,p-v图上的斜率：,四、过程中的能量转换关系,pvk定值,对于可逆过程,对于可逆绝热过程,第九节 理想气体的多变过程,一、过程方程式：,特例：,n=0pv0=p=定值定压过程；n=1pv=定值定温过程；n=pv=定值绝热过程；n=p1/nv=p0v=v=定值定容过程。,二、状态参数之间的关系：,pvn定值 n 为全体实数.称为多变指数,三、过程在状态参数坐标图上的表示,第九节 理想气体的多变过程,特例：,n=0pv0=p=定值定压过程；n=1pv=定值定温过程；n=pv=定值绝热过程；n=p1/nv=p0v=v=定值定容过程。,三、过程在状态参数坐标图上的表示,第九节 理想气体的多变过程,n顺时针方向增大；两图的过程线和区间一一对应。dv0,膨胀功量为正；dp0,热量为正；dT0du0，dh0。,第九节 理想气体的多变过程,u=cv(T2T1),不适用于定温过程,对照,多变过程的比热,对于四种典型的热力过程，有:,定压过程：n=0，c=cp；,定温过程：n=1，c=；,绝热过程：n=k，c=0；,定容过程：n=，c=cv。,四、过程中的能量转换关系,第05章水蒸气,第一节 水蒸气的基本概念,第五节 水蒸气表和h-s图,第六节 水蒸气的基本热力过程,第二节 水在定压汽化过程中的五种状态,第三节 水的定压汽化过程的三个阶段,第四节 水蒸气的pv图和Ts图,第一节 基本概念,一、汽化和液化,汽化,沸腾：,蒸发：,饱和蒸汽,饱和水,二、蒸发和沸腾,三、饱和温度和饱和压力,相应的温度和压力称为饱和温度（ts）和饱和压力f(Ps)。,饱和状态：当汽化速度等于液化速度时，汽、液两相处于动态平衡，两相平衡的状态就称为饱和状态。,ts=f(Ps),在饱和状态下，蒸气称为饱和蒸气，液体为饱和液体。,在任何温度下，发生在液体的自由表面上。,在一定温度下，同时发生在水的表面和内部。,第二节 水在定压汽化过程中的五种状态,容器中装有1kg水,a,b,c,d,e,未饱和水：ab，tts，,过热蒸汽：e，tts，,饱和水：b，t=ts，,干饱和蒸汽：d，t=ts，,湿蒸汽：c，饱和水和饱和蒸汽的混合物 t=ts，p、T 不是独立的状态参数。,干度x：1kg湿蒸汽中含x kg的饱和蒸汽,过冷度t=ts-t，,过热度t=t-ts,p、T 是独立的状态参数。,p、T 不是独立的状态参数。,p、T 不是独立的状态参数。,p、T是独立的状态参数。,第三节 水在定压汽化过程的三个阶段,容器中装有1kg水,a,b,c,d,e,第三节 水在定压汽化过程的三个阶段,2）定压汽化阶段b-c-d：饱和水干饱和蒸汽，既是定压又是定温的过程。,水在定压汽化阶段所吸收的单位质量热量,1）定压预热阶段a-b：未饱和水饱和水。,3）定压过热阶段d-e：饱和蒸汽过热蒸汽。,整个水蒸气定压发生过程所需的热量等于三者之和，可用水和水蒸气的焓值变化来计算。,比液体热：水在定压预热阶段所吸收的单位质量热量。,比汽化潜热：,比过热量：水在定压过热阶段所吸收的单位质量热量。,一公斤饱和水在定压下加热变成饱和蒸汽时所吸收的热量,比汽化潜热:干饱和蒸汽的比焓与饱和水的比焓的差值,第三节 水在定压汽化过程的三个阶段,x=0,x=1,x=1,第四节 水蒸气的pv图和Ts图,x=0,x=1,x=1,1、一点二线三区五态。,2、当压力升高时，饱和温度随之升高，汽化过程缩短，比汽化潜热减少，预热过程变长，比液体热增加。,3、临界点上的比汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完成。水的临界参数 pc=22.115MPa tc=374.12 vc=0.003147m3/kg,第四节 水蒸气的pv图和Ts图,当水的温度超过临界温度tc=374.12时，水仅以气态存在。,无论加多大压力，都不能使蒸汽液化。,一、水蒸气表,1、饱和水与饱和水蒸气表,1）按温度排列:,tps、v、h、s、v、h、s,2）按压力排列,pts、v、h、s、v、h、s,湿蒸汽：,v、h、sv、h、sx,2、未饱和水与过热水蒸气表,t、p v、h、s,第五节 水蒸气表和h-s图,一、水蒸气表,第五节 水蒸气表和h-s图,二、水蒸气h-s图,在湿蒸气区内，定压线为一簇倾斜的直线，同时它也是定温线。,定压线向右上方呈发散状。,结构：C临界点，x0线，x1线；定压线、定温线；在饱和区内还有定干度线。,定干度线束是从临界点出发、主体向右下方呈发散状的曲线簇。,所有干度值的定干度线汇交于临界点,第五节 水蒸气的基本热力过程,过程中的能量转换关系,可逆过程,任意过程,一、定容过程,单位质量水蒸气的膨胀功等于零,比内能的变化量等于单位质量水蒸气的交换的热量,二、定压过程,单位质量水蒸气的技术功等于零,比焓的变化量等于单位质量水蒸气交换的热量,三、定温过程,四、绝热过程定熵过程（可逆）,蒸汽在汽轮机内进行膨胀时，,并不吸收热量，,若不计热损失，,可看作是绝热过程。,若没有耗散，是可逆绝热过程。,若考虑耗散，是不可逆绝热过程。,绝热效率（相对内效率）,第06章气体和蒸汽的流动,第一节 稳定流动的基本方程,第二节 喷管和扩压管的流动特性及其截面变化规律,第三节 喷管中的流速和质量流量及其影响因素,第四节 实际应用实例,第五节 绝热节流,第一节 稳定流动的基本方程,假设：状态及流速只沿流动方向变化；各点的状态及流速、流量等都不随时间变化。流动中能量转换过程是可逆的。工质与外界没有热交换,*一元稳定流动条件,1）一元流动是指工质的状态参数和流速,仅沿流动方向做一元的变化,与流动方向垂直的同一截面上的各点工质的状态参数和流速是相同的。,2）任意一点的状态参数不随时间变化,3）进入系统的质量等于离开系统的质量,4）进入系统的能量等于离开系统的能量,第一节 稳定流动的基本方程,假设：状态及流速只沿流动方向变化；各点的状态及流速、流量等都不随时间变化。流动中能量转换过程是可逆的。工质与外界没有热交换,1、连续性方程,2、能量方程,3、状态方程,4、音速方程,马赫数,亚音速,超音速,当地音速,马赫数代表流体流动中的惯性力与弹性力之比。,第二节 喷管和扩压管的流动特性及其截面变化规律,喷管：使高压气流膨胀，压力能转变成宏观动能，获得高速气流。,扩压管：使高速气流的速度降低，压力升高，将动能转变为压力能。,一、喷管和扩压管的流动特性,二、喷管和扩压管的截面变化规律,M=1,喷管,扩压管,第三节 喷管中的流速和质量流量及其影响因素,、流速及其影响因素,任意工质，任意绝热过程,理想气体，任意绝热过程,理想气体，可逆绝热过程,达到最大值,当喷管内的理想气体做可逆绝热流动时，喷管出口流速由气体的种类、进口初参数压力p1和比容v1，以及出口压力p2而定。,第三节 喷管中的流速和质量流量及其影响因素,、流速及其影响因素,二、临界压力比,M=1,流速等于当时音速,临界流动：,压力等于临界压力,对于单原子气体：,对于双原子气体：,对于三原子气体：,临界压力比：,若进口为亚音速流动，当气流的压力下降到约为进口压力的一半时流速等于当地音速。,第三节 喷管中的流速和质量流量及其影响因素,、流速及其影响因素,二、临界压力比,三、质量流量及其影响因素,对于一元稳定流动，喷管中各截面上的质量流量相等，因此，可根据任一截面上的流速、比容和截面面积，用连续性方程计算。,工程上，通常都是按喷管最小截面上的有关参数计算质量流量的。,第三节 喷管中的流速和质量流量及其影响因素,、流速及其影响因素,二、临界压力比,三、质量流量及其影响因素,四、工况变动时气体在喷管中的流速与流量变化,气体在渐缩形喷管中流动，喷管出口的背压与进口压强之比大于临界压强比，若此时降低背压，气体的流速和质量流量将增加。,气体在渐缩形喷管中流动，喷管出口的背压与进口压强之比小于临界压强比，若此时降低背压，气体的流速和质量流量不变。,四、工况变动时气体在喷管中的流速变化,对于收缩形喷管：,第四节 实际应用实例,废气涡轮增压器,第五节 绝热节流,流体流经通道突然缩小的截面后发生压力降低的现象。,由能量方程,即节流前后气体的焓不变。,可得,由于孔口附近的扰动及涡流，造成不可逆损失，因此气流恢复稳定时，p2比节流前稳定气流的压力p1要低。节流过程是典型的不可逆过程。,由于不可逆因素的影响，绝热节流过程中气体的熵将增加。,由于压力下降,比容增加。,对于理想气体,温度和内能不变;对于实际气体,变化比较复杂。,节流汤姆逊效应,节流后，温度降低，即,称为节流冷效应,节流后，温度不变，即,称为节流零效应,节流后，温度升高，即,称为节流热效应,大多数实际气体，常温下节流都处于冷效应区，节流后温度下降。,绝热节流冷效应是工程上获得低温的常用方法。,第07章压缩机的热力过程,第一节 活塞式压缩机的工作原理和示功图,第二节 单级活塞式压缩机的耗功量,第三节 压缩机的容积效率及其影响因素,第四节 多级压缩,第五节 叶轮式压缩机的工作原理及分类,第一节 活塞式压缩机的工作原理和示功图,压缩机是制造压缩气体的设备。从热力学观点看，压缩机是消耗外界机械能,将气体由较低压力压缩到较高压力。,压缩机分类,动作原理和结构,船舶使用的压缩机,二级活塞式空气压缩机:启动主机、辅机；单级活塞式压缩机:冷库制冷和空调；离心式空气压缩机:废气涡轮增压器的压气机中；锅炉和通风用的离心式鼓风机、通风机。,一、活塞式压缩机的工作原理,单级：依靠气体一次流经气缸，达到所需的工作压力。,第一节 活塞式压缩机的工作原理和示功图,1-2:压缩过程。,2-3:排气过程。,3-4:膨胀过程。,4-1:吸气过程。,组成：,特点：,具有余隙容积;有吸、排气阻力。,二、示功图,活塞往复运动一次所消耗的机械功可用示功图上过程线1-2-3-4-1所包围的面积表示。,第二节 单级活塞式压缩机耗功量,理想是指:压缩机活塞到达上止点时，活塞顶面与缸盖底面正好接触而不相撞，即两者间隙为零；气体流