工程热力学课件-培训PPT全套.ppt

工程热力学 培训课件,制 作：,0、绪论 1、基本概念 2、热力学第一定律 3、热力学第二定律 4、理想气体 5、水蒸气和湿空气 6、喷管内的气体流动 7、压气机的热力过程 8、燃气动力循环简介 9、蒸汽动力循环 10、制冷循环简介,目录,课件目录,绪论,0-1 热能及其利用 0-2 工程热力学发展简史 0-3 工程热力学的主要内容,能源是人类社会不可缺少的物质基础之一，人类的历史与其开发利用能源的广度和深度密切相连。 两种基本形式：直接利用和间接利用。,0-1 热能及其利用,热力工程的发展历程简介：大气机、蒸气机及其改进（瓦特）、内燃机、燃气轮机等。 热力学的发展历史： 热素说和热动说之争(牛顿、本杰明. 汤姆逊、戴维)； 热力学第一定律的发现（卡诺、迈耶能量转换、焦耳实验、朗肯热功等当、亥姆霍兹之综述等）； 热力学第二定律的提出（卡诺、克劳修斯、开尔文等）；克劳修斯的贡献及其热寂说的提出； 能斯特及热力学第三定律；凯南的有效能提出等。 几个重要的科学家（卡诺、焦耳、瓦特、开尔文等）。,0-2 工程热力学发展简史,工程热力学的研究对象主要是能量转换，特别是热能转化成机械能的规律和方法，以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的经济性。 主要内容包括： 1、基本概念与基本定律； 2、过程和循环的分析研究及计算方法； 3、常用工质的性质； 4、化学热力学方面的有关内容。 研究方法：宏观（经典）和微观（统计）,0-3 主要内容,热力学第零定律： 假如两物体的温度都等于另外第三个物体，那么这三个物体拥有相同的温度。 热力学第一定律： 热是能的一种，机械能变成热能，或热能变成机械能的时候他们间的比值是一定的。 热力学第二定律： （1）克劳修斯说法：热不能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。 （2）开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。 热力学第三定律： 绝对零度不可达。,热力学四定律,1 基本概念,1-1 本课涉及的几种热能转换(移)过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-5 工质的状态变化过程 1-6 过程功和热量 1-7 热力循环,课件目录,热能动力装置：从燃料燃烧中获得热能，并利用热能得到动力的整套设备。分为蒸汽动力及燃气动力两类装置。工作过程可概括成右图。 制冷装置：利用动力实现热能逆向传递的整套装置。工作过程也可简化成右图，但箭头反向。,1-1 几种热能转换(移)方式简介,热能动力装置工作示意图,（1）图1-2 内燃机装置 示意简图,（2）蒸汽动力装置简图,引入：系统、工质、热源、循环。,（3）燃气轮机装置简图,燃气轮机装置,实物图片：,（4）压缩蒸汽制冷装置简图,热力系统：分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。 外 界：系统周围物质的统称（热源、物质源）。,1-2 热力系统,系统和边界,闭口系统: 与外界有能量交换而无物质交换，又称控制质量。 开口系统: 与外界既有能量又有物质的交换，又称控制体积。 绝热系统: 与外界无热量交换。 孤立系统: 与外界无能量交换又无物质交换，一切作用发生在 系统内部。,热力系统的分类,常用的状态参数有：压力p ，温度T ，体积V ，热力学能(内能)U ，焓H ，熵 S 等 。这里主要讲解压力 p，温度 T，体积V（比容v 和密度）等。 一、温度 一般国际上常用到的温度计量标准有四种：,摄氏(Celsius)温标； 华氏(Faharenheit)温标； 开尔文（Kelvin）温标（热力学（绝对）温标）； 朗肯(Rankine)温标。,1-3 工质的热力学状态 及其基本状态参数,“哥伦比亚”号航天飞机的机身左侧温度在5分钟内上升了60华氏度（约15.6摄氏度？）。（羊城晚报2003.2.3）,摄氏温标和热力学（开尔文）温标间的关系： 华氏温标与摄氏温标的转化关系： 朗肯温标是英制的 热力学（绝对）温标， 它和开尔文温标之间有 如下关系：,（1-1）,（1-2）,（1-3）,二、压力 压力的宏观定义及其微观解释（略）。 压力计量一般有三种标准： 绝对压力（p） ：以绝对真空为起点的压力值。 表压力（pe）：指绝对压力大于大气压力时二者的差值。 真空度（pv）：指大气压力大于绝对压力时二者的差值。,（a）,（b）,（1-4）,（1-5）,三、比体积及密度 比体积（又称比容，v）：单位质量物质的体积。 密度（）：单位体积物质的质量。 即： 显然二者互为倒数。 注意：区分强度量和广延量。,一、平衡状态 不受外界影响时，参数始终保持不变的系统状态。 稳定状态：强调时间上稳定不变。 平衡状态：属于稳定状态，但要求“内外平衡”。 均匀状态：强调空间各点的参数值相同。 注意： （1）本课一般把处于平衡状态的单相物系当作是均匀的， 即此时系统同时处于平衡状态和均匀状态。 （2）简单可压缩热力系统是本课主要研究的热力系统，对于 这类系统而言，两个独立的状态参数可确定一个状态， 其他状态参数都只是这两个独立状态参数的函数。 （3）简单可压缩热力系统的两个状态之间，如果有两个独立 的状态参数对应相等，则可断定这两个状态相同。,1- 4 平衡状态、状态方程式、坐标图,二、状态方程式 指简单可压缩热力系统处于平衡状态，各部分具有相同的参数，并服从一定关系的关系式。 即 或,（1-6）,（1-7）,三、状态参数坐标图 指由热力状态参数所组成的坐标图。 热力系每一平衡状态总可在由任意两个独立的状态参数 所组成的平面坐标图上的一点来表示。 常用的有压容图和温熵图等。如下图1-8：,一、准平衡过程（准静态过程） 要点：1、弛豫时间（系统从平衡破坏到恢复的 时间）相对很短； 2、平衡的破坏程度要相对很小； 3、外界对系统的热和力的刺激趋近于零 （ p 0；T 0）。,1-5 工质的状态变化过程,二、可逆过程与不可逆过程 可逆过程：系统可能沿相同路径回复原状，相互作用 所涉及到的外界也回复原状，不留下任何 改变。 不可逆过程：不满足以上要点的任何一项过程。 三、有关准平衡过程和可逆过程的争论 都是实际过程的理想化，二者是否异同存在不同看法： 1、可逆过程是条件要求更为苛刻的理想化过程，是没有能量耗散的准平衡过程，是一切实际过程的理想极限。准平衡过程只是可逆过程成立的前提条件。可逆过程一定是准平衡过程，反之未必成立。,2、可逆过程和准平衡过程是相同的，表述方式不同，本质一样！有能量耗散时，准平衡过程也不可能成立。当热力过程满足准平衡过程的条件时，它必然没有能量耗散，此时可逆过程的成立条件也已经满足。 3、可逆过程可以在热力学状态参数坐标图用一条实线表示，这是基本公认的。但准平衡过程是否也可以在热力学状态参数坐标图用一条实线表示，这是有所争议的。,一、功的热力学定义 功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果 可表现为举起重物。 约定：系统对外界作功为正，外界对系统作功为负。 二、可逆过程的功 功的数值不仅决定于工质的初态和终态，而且还和过程 的中间的途径有关，是过程量。 对于可逆过程有： 可逆过程可用功：,?,1-6 过程功和热量,（1-8）,（1-9）,功w 如何在p-v 图上表示?,三、过程热量 系统和外界之间仅由于温度不同而传递的能量。体系吸热，热量为正；反之，为负。 系统在可逆过程中与外界的换热量可用下式计算：,（1-11）,（1-10）,注意：区分状态参数和过程量。,一、循环概说 经济性指标 = 得到的收获 / 花费的代价。在参数 坐标图上表现为一闭合的曲线。 二、正向循环 即热动力循环，总的效果表现为热能转化为机械能， 向外界提供动力。在参数坐标图上循环沿曲线顺时针方向 进行的。评价指标是循环的热效率，即：,1-7 热力循环,（1-12）,三、逆向循环 主要应用于制冷循环装置和热泵，分别称为制冷循环 和热泵循环，相应的评价指标分别为制冷系数和热泵系数 （也称供热系数）。 总的效果表现为：耗费机械能（转化为热能），使热能 由低温热源传向高温热源。在参数坐标图上循环沿曲线逆时 针方向进行的。 制冷系数： 热泵系数：,（1-14）,（1-13）,2-1 第一定律的实质 热力学能和总能 2-2 能量的传递和转化 2-4 焓 2-5 热力学第一定律的基本能量方程式 2-6 开口系统能量方程式 2-7 能量方程式的应用,2、热力学第一定律,课件目录,实质：能量守衡定律在热力学的表述。 热工当量的发现具有重要历史意义，但由于其值现在已经变为1，所以它很少用到了。,2-1 第一定律的实质 热力学能和总能,一、热力学能 热力学能包括：内动能、内位能，甚或包括化学能、核能和电磁能等。 本课所讲的热力学能主要包括内动能和内位能，用U (u)表示，单位是焦耳J (J/kg)。 热力学能是个状态参数，即：,（2-1）,二、总能 系统内部储存能和外部储存能的总和，即 热力学能与宏观运动能及位能的总和，称作总 储存能，简称总能。总能 E (e)、动能Ek (ek)、位能 Ep (ep) 。它们间的关系为：,（2-2）,（2-2a）,一、作功和传热 能量从一个物体传递到另一个物体的两种方式。做功总和物体的宏观位移有关。传热就不需要有物体的宏观移动。 二、推动功和流动功 因工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功（pv）。推动功只有在工质流动时才起作用。,2-2 能量的传递和转化,流动功：系统为维持工质流动所需要的功 ，可定义为进出口的推 动功之差。如图： 技术功 ：开口系统技术上可资 利用的机械能之和，是膨胀功与流动 功之差。,推动功,（2-3）,（2-4）,对于可逆过程有：,可逆过程的技术功,（2-4a）,根据上式可在p-v图上表示可逆过程的技术功，如右图中的曲边梯形面积 f-1-2-g-f 所示。,2-4 焓,焓: 比焓 ： 焓是一个状态参数，它可以表示成另外两个独立状态参数的函数，即,（2-5）,（2-6）,（2-7）,2-5 热力学的基本能量方程式,1.进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统中储存能量 的增加： 或 2.第一定律的第一解析式的微元形式是: 对于1kg工质,则有: ， 3.式中热量 ，热力学能变量 和功 都是代数值， 可正可负。,（2-8）,若流动过程中开口系统内部及其边界上各点参数都不随时间而变，称之为稳定流动过程。根据能量守恒可导得稳定流动的能量方程为： 此即第一定律的第二 解析式。其中技术功：,2-6 开口系统能量方程式,开口系统能量平衡,（2-9）,2-7 能量方程式的应用,一、动力机,动力机能量平衡,热力学第一定律的能量方程式在工程上应用很广，而工程中的热力设备工作时多为开口系统，因此这里主要介绍第二解析式的应用。,h1,压气机能量平衡,二、压气机,三、换热器,四、管道,五、节流,节流现象,已知新蒸汽流入汽轮机时的焓h1=3232 kJ/kg，流速 cf1=50 m/s；乏汽流出汽轮机时的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120 m/s。散热损失和位能差可略去不计。试求： （1）每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。 （2）若蒸汽流量是10t/h，求汽轮机的功率。,举例应用,解: 由式（2-16） 根据题意，q = 0 , z2z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功为 其中汽轮机进出口的动能变化只有-5.95 kJ/kg。可见：即使工质流速在百米每秒的数量级，动能的影响仍不大。 工质每小时作功 Wi = qmwi = 9.24 106 kJ/h 故汽轮机功率为,3 热力学第二定律,序言 3-1 热力学第二定律 3-2 可逆循环分析及其热效率 3-3 卡诺定理 3-4 熵参数、热过程方向的判据 3-5 熵增原理 3-6 熵流和熵产 3-7 和 效率,课件目录,本章将讨论热力学第二定律的实质及表述，建立第二定律各种形式的数学表达式，给出过程能否实现的数学判据，重点剖析作为过程不可逆程度的度量孤立系的熵增、不可逆过程的熵产、 损失、熵增的内在联系。,两者关系：相互独立、都是各种现象归纳后的结论 、 共同构成了热力学的理论基础。,序言,3-1 热力学第二定律,一、自然过程的方向性 功热转化 功转热是不可逆过程,其反向过程则不能单独地、自动地进行,热不可能全部无条件地转化为功。,图5-1 摩擦耗散,如果要把热量从低温的A传给高温的B需要付出代价(W)，且不能实现期间的热量等值反传。,有限温差下的传热（BA）是不可逆过程，其中的热量传递是等值的（QBQA）。,有限温差传热,图5-2 不等温传热, 自由膨胀 在膨胀过程中未遇阻力、不对外作功的过程就是自由膨胀，也叫无阻膨胀，它是一种典型的不可逆过程。气体不会自动压缩、返回到原来状态。 混合过程 所有混合过程都是不可逆过程，使混合物中各组分分离要花代价：耗功或耗热。 自然界的自发过程都是有方向的，热力系进行一个自发过程后，虽然可以通过反向人为的非自发过程使系统复原，但后者会给外界留下影响（无法使外界回复原状），因而不可逆是自发过程的重要特性和属性。,热力学第二定律有多种表述形式，这里只介绍其中的两种说法： 克劳修斯说法： 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。（从热量传递的方向性的角度） 开尔文说法: 不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的循环工作的热力发动机。（从热能转化为机械能的角度）,二、热力学第二定律的表述,一、卡诺循环,图5-3 卡诺循环,3-2 可逆循环分析及其热效率,分析此公式，可得出如下几点重要结论： c只决定于T1、T2。 T1、T2， c。 c只能小于1,因T1= 或T2=0 都不能实现。 当 T1=T2 时,c=0。它表明:“凡有温差处皆有动力”。,卡诺循环的热效率：,（3-1）,即双热源间的极限回热循环，其热效率与卡诺循环相同。多变指数n可以为任何自然数，因而在T1和T2之间工作的可逆循环有无数个。这种利用工质排出部分热量来加热工质本身的,方法称为回热。回 热是提高热效率的一种行之有效的方法，被广泛采用。,图5-4 概括性卡诺循环,二、概括性卡诺循环,三、逆向卡诺循环 逆向卡诺循环按工作温度范围也可分为制冷循环和热泵循环，其中各过程中功和热量的计算式与正向卡诺循环相同，只是传递方向相反。它们各自的经济性能评价指标为： 制冷循环的制冷系数为 热泵循环的供暖系数为,这两种循环的工作温度范围有所不同。,（3-2）,（3-3）,四、多热源可逆循环,热源多于两个的可逆循环如右图所示。此循环的平均吸热温度 和平均放热温度 分别定义为：,图5-5 多热源可逆循环,为什么？,此循环的热效率可用 和 表示，其值小于工作在同温限间的卡诺循环的热效率，即：,结论：工作于两个热源间的一切可逆循环（包括卡诺 循环）的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环。,（3-4）,定理一： 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。 定理二： 在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切 不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。,3-3 卡诺定理,卡诺定理有着广泛和重要的意义，任何一种将热能转化为机械能、电能、或其他能量的转化装置（包括热力循环机、温差电池等）都受到热力学第二定律的制约，都必须有热源和冷源，其热效率均不可能超过相应的卡诺循环。,设工质在TH=1 000 K的恒温热源和TL300 K的恒温冷源间按热力循环工作( 见下图 )，已知吸热量为100 kJ ，求热效率和循环净功。,（1）理想情况，无任何 不可逆损失； （2）吸热时有200 K温差，放热时有100 K温差。,例 5-1,图5-6 例5-1附图,（1）在两个热源间工作的可逆循环的热效率同卡诺循环：,又因,所以Wnet = 70 kJ，也是最大循环净功Wnet,max 。,解：,（2）设想热（冷）源和工质间插入中间热源，而将不可逆循环问题转化为温度分别为800 K和400 K的两个中间热源间的可逆循环，则热效率和净功分别为：,综合以上两节，可得出以下有关热效率的重要结论： 在两个热源间工作的一切可逆循环，它们的 相 同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的 温度，且都等于卡诺循环的热效率 ； 温度界限相同，但具有多于两个热源的可逆循环 的 低于卡诺循环的 ； 不可逆循环的 比同样条件下可逆循环的小。,热效率方面的重要结论,什么是“永动机”？,“永动机”即永远能“动”的机器，分为如下三类，前两种属于“天上掉馅饼”，第三类与绝对零度或摩擦有关。 违背热力学第一定律(热效率大于100)。20世纪90年代山东枣庄有人声称“发明”了一个“耗电12kW，可发电36kW”的发电机，但再无音讯。美国专利局已有数以千计的类似专利申请，也尚无成功报道。 违背热力学第二定律(热效率等于100)。如果此类机器能够制造成功，由于太阳能、地热能和海洋热能等都是“无限”多的，那能源危机也就不存在了。 能吸尽一个物体热量，而将其冷却到绝对零度。另外一种说法：无摩擦，利用物体惯性使物体永动。随着科技进步，绝对零度正越来越趋近，但尚未有已经达到的事实见诸于世。,永动机发明成功了？ （南方都市报2004/11/23 A45版）,一位自称是梁星人博士的人宣布： 永动机在中国成功了。只要在启动时用外力推一下，汽车就会利用地球引力的加速度，不停向前，根本不用任何燃油或电能。 自创“反重力原理及其实用技术” 将永恒使地球永动的加速引力，通过电脑，扭曲其引力线束，用在任意粒子上，使之自动作圆周式循环加速永动，此即永动机的永动原理。 1985年以来我国已经有23件“永动机”专利申请，但无一获得授权。,从永动机角度对热力学三定律的诠释,1912年9月，能斯特在热力学新发展一文中，利用永动机的概念对热力学三定律进行了新的诠释： 制造一台可由“无”产生持续热量或外功的机器，是不可能的； 设计一台能将周围的热量转变成外功的机器，是不可能的； 设想出一台能完全吸尽一个物体的热量的机器，也就是能将其冷却到绝对零度，是不可能的。,一、状态参数熵的导出 熵是与热力学第二定律紧密相关的状态参数。它在 判别过程的方向、可逆程度和能否实现等方面有重要的作用，也是热力学第二定律 量化的参数之一。 克劳修斯积分等式： 定义：,图5-7 熵参数导出用图,3-4 熵参数、热过程方向的判据,（3-5）,（3-6）,二、热力学第二定律的数学表达式 （1）克劳修斯积分不等式 （2）热力学第二定律的数学表达式,r,T,（3-7）,（3-8）,（3-9）,（3-10）,可逆绝热过程（12S）即为定熵过程；不可逆绝热过程（12）中，能量耗散的存在（如耗散热）会导致熵增量的产生，这种熵增量叫做熵产（Sg）。即： 能量耗散是熵产的唯一原因。熵产不可能小于零，最低（可逆过程）为零。熵产是过程不可逆程度的量度，过程的不可逆损失会随它的增加而增大。,三、不可逆绝热过程分析（闭口系统）,图5-8 绝热膨胀过程,（3-11）,一、孤立系熵增原理 孤立系和绝热封闭系统的熵变 孤立系和绝热封闭系统内部发生不可逆变化时，其熵只能增大；极限情况（发生可逆变化）熵保持不变， 使其熵减小的过程不可能出现。 孤立系熵增与作功能力损失的关系为： 下面为一孤立系熵增原理举例。,3-5 熵增原理,（3-12）,（3-13）,孤立系中有物体A和B，温度各为TA和TB，这时孤立系的熵增 若为有限温差传热，TATB，则有 若为无限小温差传热，TATB，有,A,B,Q,单纯的传热过程,二、熵增原理的实质 实际过程都不可逆，所以实际的热力过程总是朝着使 系统总熵增大的方向 进行。熵增原理阐明 了过程进行的方向。 孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行的推动 力，也是总熵增大的原因。当自动过程停止进行时， 孤立系统的总熵达到最大值，系统达到相应的平衡状 态，这时 ，即为平衡判据。因而，熵增原 理指出了热过程进行的限度。,熵增原理还指出： 导致孤立系统熵减的过程不可能单独进行，除非 有补偿过程（使孤立系统熵增的过程）伴随发生，以 使孤立系统总熵增大至少保持不变。从而熵增原理揭 示了热过程进行的条件。 熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方 向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。,闭口系（控制质量）熵方程 它表示：控制质量的熵变等于熵流和熵产之和。其中熵流和熵产分别为：,3-6 熵流和熵产,（3-14）,（3-15）,（3-16）,一、能量的可转换性、 和 不同形式能量间的相互转换是受热力学第二定律制约的。机械能和电能可以全部转化为热能，而热能却不能全部转化为机械能或电能。机械能和电能等这类可无限可转换的能量成为 ，习惯上 指“有用功”。而把能量中不可能转化为有用功的部分称为 （或“废热”）。 各种系统和能量都有不同的对外界做有用功的能力，不同温度下的热量转化成有用功的能力也不同。能量可转化为有用功的能力称为能量的品质，能量是其“质”和“量”（多少）的统一。,3-7 和 效率,与环境处于热力不平衡的闭口系或一定量的流动工质，当它们只与环境发生作用（流动工质需要通过稳流热力系）、可逆地变化到与环境平衡时，可分别作出最大的有用功，分别称之为闭口系工质的热力学能 和稳流工质的焓 。 在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高分额称为该能量的 。或者热力系只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡状态时，作出的最大有用功称为该热力系的 。 平衡法为热系统经济分析提供了热力学基础。,热力学中关于 有各种定义：, 热量 温度为T0 的环境条件下,系统（T T0 )所提供 的热量中可转化为有用功的最大值是热量 ，用Ex,Q 表示。,二、热量 和冷量,（3-17）,（3-18）, 冷量,温度低于环境温度T0 的系统（T T0），吸入热量Q0时作出的最大有用功称为冷量 ，用Ex,Q0表示。,（3-19）,（3-20）,三、孤立系中熵增与 损失，能量贬值原理 孤立系熵增等于熵产 表明：环境温度T0一定时，孤立系统 损失与其熵 增成正比。上式同样适用与开口或闭口系统。 孤立系统中进行热力过程时 只会减小不会增大， 极限情况下（可逆过程） 保持不变，这就是能量贬值 原理，即,（3-21）,（3-22）,由于实际过程总有某种不可逆因素，能量中的一部分 不可避免地将退化为 ，而且一旦退化为 就再也无法转变为 ，即能量贬值。因而尽可能地减少 损失是合理用能和节能的方向。,四、 效率 热力过程越接近可逆，该过程造成的 损越小，能量中可用部分的利用程度越高。 效率可定义为：过程进行中实现的 的有效转换或转移与该过程进行导致的 减少量的比值。 与热效率相比， 效率更能从本质上准确地反映热力过程的能量转移或转换的程度。,4 理想气体,4-1 理想气体的概念和状态描述 4-2 理想气体的比热容 4-3 理想气体的热力学能、焓和熵 4-4 理想气体的典型热力过程 4-5 理想气体的多变过程,课件目录,4-1 理想气体的概念和状态描述,理想气体是一种假想气体。在宏观上，它遵守理想气体的三个定律(?)；在微观上，其分子是些弹性的、不具体积的质点，分子间相互没有作用力。 理想气体可看作是实际气体在 时的极限状态，此时分子本身体积远小于其活动空间，内位能可以忽略。 工程中常用的氧气、氮气、空气、燃气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。,一、理想气体的概念,1、理想气体状态方程式(Claypeyron方程)的推导,二、理想气体的状态方程式,显然，上式中的Rg只与气体种类有关，而与气体所处状态无关，故称之为某种气体的气体常数。,根据三大实验定律可知，对单位质量的任一种理想气体而言，均有：,（4-1）,注：式（4-1）可反证之,摩尔（mol）是表示物质的量的基本单位。 摩尔质量( ) ：1mol物质的质量，单位是g/mol或kg/kmol，数值上等于物质的相对分子质量r（过去称分子量）。物质的量n与物质的质量m有以下关系： 1mol气体的体积以Vm 表示，显然,2、摩尔质量和摩尔体积,（4-2）,（4-3）,阿伏加德罗定律指出：同温同压下，各种理想气体的摩尔体积都相同。 根据克拉贝龙方程可知： ，即 与气体状 态无关；由阿伏加德罗定律可知： 也与气体种类无关。 令 ，则R是与理想气体的状态和种类都无关的普适 恒量，称为摩尔气体常数（或通用气体常数）。因而有：,3、气体常数,（4-4）,理想气体的状态方程式的各种形式,针对不同物量，理想气体状态方程的形式也所不同，分别为： 1kg气体 1mol气体 m千克的气体 或 n摩尔的气体,某台压缩机每小时输出3200 m3、表压力pe=0.22 MPa、温度t=156 的压缩空气。设当地大气压力pb=765mmHg，求压缩空气的质量流量qm以及标准状态下的体积流量qv0。,例 3-1,3-2 理想气体的比热容,一、比热容的定义 物体温度升高1K所需的热量称为热容（C ，J/K）。 1kg物质温度升高 1K 所需的热量称为质量热容，又称为比热容c ，J/(kgK)），其定义式为： 或 1mol物质的热容称为摩尔热容Cm, J/（mol K）。 标态下1m3 物质的热容为体积热容C , J/(mN3 K)。 上述三种比热容之间的关系为：,（4-9）,热力设备中，工质往往是在接近压力不变或体积不变的条件下吸热或放热的，因此定压过程和定容过程的比热容最常用，它们分别称为比定压热容和比定容热容，分别以 和 表示。,（4-10）,（4-11）,迈耶公式： 比值 称为比热容比，或质量热容比，它在热力学理论研究和热工计算方面是一重要参数，以 表示。,二、定压热容与定容热容的关系,（4-12）,（4-13）,（4-14）,单原子气体 i3 ，1.67 双原子气体 i5 ， 1.40 多原子气体 i7 ， 1.29 （ i为分子的自由度，多原子气体 “i=7 ”？） 考虑到振动动能，实际值比理论值高且随 着T 和分子的原子数 ，偏差。,三、理想气体的定值比热,3-3 理想气体的热力学能、焓和熵,一、热力学能和焓 二、状态参数熵 （见16节） 三、理想气体的熵变计算,（4-15）,（4-16）,（4-17）,（4-18）,（4-19）,目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转化情况，进而找出影响转化的主要因素。,4-4 理想气体的典型热力过程,即比体积保持不变的过程，过程方程式为: V = Constant 显然，此过程中压力与热力学温度成正比。 由于体积不变，所以定容过程的容积功为零，即：,一、定容过程,（4 - 20）,（4 - 21）,图4-1 定容过程的 p-v 图及 T-s 图,二、定压过程,定压过程是工质压力保持不变的热力学过程。其过程方程式为： 显然，此过程中气体的比体积与绝热温度成正比。 定压过程的技术功为零，即 定压过程的pv图及Ts图（略）,（4-22）,（4-23）,三、定温过程,定温过程是工质温度保持不变的热力学过程（T=定值）。过程方程式为: 定温过程过程功、过程热量、技术功相同，均为： 定温过程也是定热力学能过程、定焓过程： 定温过程的 pv 图及 Ts 图（略）。,（4-24）,（4-25）,四、绝热过程,绝热过程是任一微元过程中系统与外界都无热交换的过程，即 可逆绝热过程又称为定熵过程，其过程方程式为： 其中k为定熵指数，对于理想气体： （？)。 定熵过程的pv图及Ts图（略）。,（4-26）,(一) 多变过程及过程方程式 多变过程是工质的 p和 v 成指数关系的过程,用数学式描述即： 多变过程更为一般化，但并非任意的过程，它仍然依据一定的规律变化。 整个过程服从上面的过程方程，其中 n 为定值，称为多变指数。, 4-5 理想气体的多变过程,（4-27）,理想气体的多变过程中，初、终态参数间关系可根据过程方程及状态方程得出：,（二） 初、终态参数的关系,（4-28）,（4-29）,（4-30）,多变过程的技术功是过程功的n 倍 过程热量： 可见多变过程的比热容为：,（三） 过程功、技术功及过程热量,（4-31）,（4-32）,（4-33）,（四） 多变过程的特性及在 p-v 图，T-s 图上 的表示:,图4-2 多变过程的p-v图及T-s图,定容、定压、定温、定熵四个基本热力过程可看作多变过程的特例。根据多变过程的过程方程不难得知： 当 n = 0 时，即定压过程； 当 n = 1 时，即定温过程； 当 n = k 时，即定熵过程； 当 n = 时，即定容过程； 许多公式可以通过改变n值，就能得到各种特殊过程的相应形式。,（五） 过程综合分析,四种基本热力过程如图所示。可见，n 值按顺 时针方向逐渐增大，由 0 1 K 。,1、过程线的分布规律,图4-3 各种过程的p-v图和T-s图,n=k,n=k,n=1,n=1,n=0,n=0,定温,定容,定压,绝热,定压,定容,绝热,n=k,n=1,1,1,过程功的正负以定容线为界，右侧或右下区域 过程功大于零；反之过程功小于零。 过程热量的正负以定熵线为分界，右侧或右上 区域为加热过程；反之为放热过程。 理想气体热力学能（或焓）的增减以定温线为 分界，上侧或右上区域，热力学能（或焓）是增大 的；反之热力学能（或焓）减小。,3、理想气体可逆过程计算公式列表（略）,2、坐标图上过程特性的判定,5 水蒸气,序言 5-1 纯物质的热力学面及相图 5-2 水的定压加热汽化过程 5-3 水和水蒸气的状态参数 5-4 水蒸气的基本过程 5-5 湿空气性质简介,水蒸气一直热力系统中应用最广泛的主要工质。在热力系统中用作工质的水蒸气距液态不远，工作过程中常有集态的变化，故不宜作理想气体处理。 本章主要介绍水蒸气产生的一般原理、水和水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用以及水蒸气热力过程中功和热量的计算。,序言,大家知道一般物质的三态和水的三态。热力学面即是以p, v, T表示的物质各种状态及其转变的曲面（见下图）。, 5-1 纯物质的热力学面及相图,水的热力学面【z=f(x,y) 是面函数】,饱和线、三相线和临界点,四个线：三个饱和线、一个三相线；一个点：临界点,纯物质的p-T相图,汽相和液相,因固相不流动，我们更关心汽液两相！,冰蓄冷,Gibbs相律(P204),处于饱和状态(?)的蒸汽和液态水分别称为饱和蒸汽和饱和水。此时，汽、液的温度和压力均相同，分别称为饱和温度Ts( )和饱和压力( )。,三相点是其相图上三条相平衡曲线的交点。根据吉布斯相律可知，三相点的独立强度量数为零。此时水三相点的压力和温度是确定的（比体积呢？），分别是:,水的汽相和液相,工程上所用的水蒸气通常是水定压沸腾汽化而 产生的。 水在定压加热下的状态变化为： （1）最初 ，处于过冷水(或未饱和水)状态； （2）t升至ts ，尚无水汽化，达到饱和水状态； （3） , 部分水汽化，进入湿饱和蒸汽状态；（4） ,水全部汽化，达到(干)饱和蒸汽状态；（5）温度升高（ ），进入过热蒸汽状态。,5-2 水的定压加热汽化过程,当水在 时定压加热，两相区缩为一点， 、 ， 如下图中点C所示。此点称为水的临界点。,图7-2 定压加热过程的p-v和T-s图,水的加热汽化过程在pv 图和Ts 图上可归纳为 三个区： 过冷水区、湿蒸汽区（湿区）和过热蒸汽区（过热区）； 两条线（合称为物态分界线）： 饱和水线（下界线）和饱和蒸汽线（上界线） ； 五个状态： 过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和 过热蒸汽。,干度x定义为：1kg湿蒸汽中含有的饱和蒸汽量（kg）。 其中余下的（1x）kg则为饱和水。,3. 有没有500C的水？,1. 溜冰冰刀使用后会变得湿漉漉的吗？,2. 北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相？,4. 有没有-3 的蒸汽？,5. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其加热，状态会如何变化？（需考虑到v与vcr的大小）,6. 当 时，水定压加热会如何变化？,问题思考,一、零点的规定 根据国际水蒸气会议的规定，选定水的三相点， 即273.16K的液相水作为基准点，规定在该点状态下 的液相水的热力学能和熵为零。 二、温度为0.01、压力为P的过冷水,(当压力不高时),5-3 水和水蒸气的状态参数,（5-1）,三、温度为t、压力为p的饱和水 四、压力为P 的干饱和蒸汽 汽化潜热,（5-2）,（5-3）,五、压力为P 的湿饱和蒸汽 因 、 相关，故通常联合干度 x 决定此时 状态:,还记得什么是干度吗？,（5-4）,（5-5）,（5-6）,六、压力为P 的过热蒸汽 当饱和蒸汽继续在定压下加热时，温度开始升 高，超过 而成为过热蒸汽。其超过 之值称为 过热度，即 。其比熵： 式中：c为水的比热容，cp为过热蒸汽的比定压热容。,水蒸气的基本热力过程也是定容、定压、定温和 定熵四种，其中以定压和绝热过程较为常用。求解这些热力过程的任务在于确定：(1)初态和终态的参数； (2)过程中的热量和功。 分析计算水蒸气状态变化过程的一般步骤如下： 根据初态的两个已知参数，常为（p，t）或（p，x）、（t，x），查得初态的其他参数。 根据过程特征及一个终态参数确定终态，再确定终态的其他参数。 根据已求得的初、终态参数计算 q、及w等。,5-4 水蒸气的基本过程,一、 概述 二、 湿空气的重要参数 三、 湿空气的焓湿图,5-5 湿空气性质简介,（1）湿空气中的水蒸气凝集成的液相水或固相冰 中不含有空气； （2）空气的存在不影响水蒸气与凝聚相的相平 衡，相平衡温度为水蒸气分压力所对应的 饱和温度。,分析湿空气做如下假设：,湿（干）空气：含有（不含有）水蒸气；,一、概 述,1、未饱和空气和饱和空气,2、露点td 定压冷却线与上界线的交点(点B)处的温度。,饱和湿空气（干空气饱和水蒸气，如点C、G、B等）。未饱和湿空气（干空气过热水蒸气，如点A）。,故的大小反映了湿空气的吸湿能力。 当psp时 (t很高的情况下）：,当01 , ,空气越干燥，吸取水蒸气能力越强。 当=0为干空气。 当=1时，pv=ps既为饱和湿空气。,相对湿度：,1、湿空气的相对湿度,二、湿空气的重要参数,含湿量d：1kg干空气所带的水蒸气的质量。 有下面公式:,在干燥、吸湿等过程中，干空气只是载体，因此湿空气的含湿量、焓、体积等状态参数均以单位质量干空气为基准计量的。,2、湿空气的含湿量,湿空气的比焓：,湿空气的焓值以0时的干空气和0时的饱和水为基准点，单位是kJ/kg（干空气）。在常温低压下，若温度变化范围不大，则有：,3、湿空气的焓,三、湿空气的焓湿图,在一定的总压力下，湿空气的状态可用两个独立的参数表示，如焓和含湿量、温度和含湿量、焓和温度等，其它参数均可以用它们的解析式表示。因而，可以选取两个独立的状态参数为坐标，制作湿空气的线图，利用线图来确定某一状态下有关参数的值。 湿空气的焓湿图正是其中一类线图，下页的焓湿图是针对总压力为0.1MPa时的情况。,pv (kPa),湿空气的h-d图,含湿量d kg/kg(干空气),h,135度,h,d,一组平行纵坐标的 直线群。 d=0时为 干空气线。,1、等d 线：,一组与横坐标成135 （为使各曲线组不致 太拥挤）的平行直线。,2、等 h 线：,等湿线与等焓线,h,一组斜率为正，且互不平行直线 。,t,h,d,d,t 则等t线斜率越大。,3、等温线,一组向上凸的曲线，当与t=100等温线相交后向上折与等d线重合。 饱和线上部为未饱和区，其下部为雾区； 由于干空气的d=0， 0，故h 轴即 0的线。,t,h,d,4、等相对湿度线,由上式可知： 当p一定时，水蒸气的分压力线就是等湿线。由上式确定的pVf (d)关系曲线画在=100%等线下方。,h,d,h,5、水蒸气分压力线,热风循环烘箱,带式干燥机,冷却塔水出口温度可能 比空气进口温度 还低吗？为 什么？,冷却塔是利用蒸发冷却原理，使热水降温以获得工业循环冷却水的节水装置，湿空气在塔内进行的是升温、增 湿、焓值增大的过程，出口处可达到饱和状态。,冷却塔实物图,圆形逆流式冷却塔,横流式玻璃钢冷却塔,6 气体与蒸汽的流动,序言 6-1 稳定流动的基本方程式 6-2 促使流速改变的条件 6-3 喷管的计算,课件目录,序 言,工程中，常要处理气体和蒸汽在管路设备 （如喷管、扩压管、节流阀）内的流动过程。 本章主要讨论气体在流经喷管等设备时气 流参数变化与流道截面积的关系及流动过程中 气体能量传递和转化等问题。下面介绍一些相关产品和工程实例。,6-1 稳定流动的基本方程式,一、连续性方程,上式称为稳定流动的连续性方程。它描述了流道内流体的流速、比体积和截面积之间的关系，表明：流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差。,（6-1）,在任一流道内作稳定流动的气体或蒸汽，服从稳定流 动能量方程式，若没热量交换，又不作功，其微元过程， 写为 上式是研究喷管内能量变化的基本关系式，它既适用 于可逆过程，也适用于不可逆过程。,二、稳定流动能量方程式,（6-2）,气体在绝热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速 降低为零的过程称为绝热滞止过程。此时任意截面上气体 的焓和气体流动动能的和为常数。当气体绝热滞止时速度 为零，故 绝热滞止对气流所起的作用与绝热压缩无异，用相同 方法计算其他滞止参数。,（6-3）,气体在稳定流动过程中若与外界没有能量交换，且气体 流经相邻两截面时各参数是连续变化的，同时又无摩擦和扰 动，则过程是可逆绝热过程。 上式原则上只适用于理想气体定比热容可逆绝热流动过 程，但也用于表示变比热容的理想气体和（ k 为过程范围 内的平均值）实际气体（ k 为经验值）。,三、过程方程式,（6-4）,在研究气体流动时，通常把气体的流速与当地声速 的比值称为马赫数，用符号 Ma 表示：,（适用于理想气体）,四、声速方程,（6-5）,（6-6）,马赫数是研究气体流动特性的一个重要的数值。 根据气流速度与当地声速之间的大小关系（即Ma数与 1的大小关系），把流动分为如下三种：,亚声（音）速流动（Ma1）,从力学观点来说，要使工质流速改变必须有 压力差。只要喷管进出口截面上有足够的压力差， 不管过程是否可逆，气体在喷管中的流速总会增 大。但若流道截面面积的变化能与气体体积变化 相配合，那么膨胀过程的不可逆损失会减少，喷 管出口截面上的气体流速就会更大。,6-2 促使流速改变的条件,上式即为促使流速变化的力学条件。这说明 气体在流动中如流速增加，则压力必然降低；如 压力升高，则流速必降低。,能否用能量方程和过程方程推导之？,一、力学条件,（6-7）,上式揭示了定熵流动中气体比体积的变化律和流速变化率之间的关系与气流马赫数有关。 可见流速变化时气流截面面积的变化规律不但与流速的高低（与当地声速比较）有关，还与喷管 还是扩压管有关（ 的正负 ）。,仍可用能量方程和过程方程推导之。,可由连续方程和上式导出。,二、几何条件,（6-8）,（6-9）,对喷管的要求是： 对亚声速气流要做成渐缩喷管； 对超声速气流要做成渐扩喷管； 对气流由亚声速连续增加至超声速时要做成缩放 喷管（又称拉伐尔喷管）。,图8-1 喷管 ( dp0 , dcf0 ),Ma1,Ma1,Ma1,Ma1,Ma1,dA0 渐缩,dA0 渐扩,dA0 缩放,一、流速计算及其分析 计算流速的公式 状态参数对流速的影响（ ）,6-3 喷管的计算,（6-10）,（6-11）, 临界压力比 流速达到当地声速时工质的压力与滞止压力之比 称为临界压力比，常用 表示。可以证明：,截面上工质的压力与滞止压力之比等于临界压力比 是气流速度从亚声速到超声速的转折点。从上式可知： 临界压力比仅与工质的性质有关。,（6-12）,对于理想气体，如取定值比热容，则 双原子气体的 k1.4，cr0.528。 对于水蒸汽，如取过热蒸汽的 k1.3， 则cr0.546。 对于干饱和蒸汽，如取 k1.135，则cr0.577。,几种常用情况下的临界压力比如下：,虚线在什么情况下能出现？,由上式可知：当A2及进口截面参数保持不变时，流量qm仅随出口截面压力与滞止压力之比而变，如右图示。,二、流量计算,（6-13）, 外型选择 当 时采用渐缩喷管；当 时 采用缩放喷管。,在给定条件下进行喷管设计时，应保证喷管外型和截面尺寸符合气流在可逆膨胀中体积变化的需要，以减少不可逆损失，使气流在喷管中得到充分膨胀。一般先确定喷管的几何形状，再按照给定的流量计算截面尺寸。,三、喷管外型选择和尺寸计算, 尺寸计算 （1） 渐缩喷管 ：主要是出口截面面积 （2） 缩放喷管：需求得 Amin ，A2 ，及扩展部分 长度 l 。,d2,dmin,l,图8-4 缩放喷管的顶锥角,（8-14）,7 压气机的热力过程,7-1 单级活塞式压气机的工作原理和 理论耗功量 7-2 多级压缩和级间冷却 7-3 叶轮式压气机的工作原理,课件目录,7-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量,单级活塞式压气机,f1：进气过程； 12：压缩过程； 2g：排气过程。 面积1-2-g-f-1：压缩 过程的耗功。,一、工作原理,活塞式压气机示功图,压气机耗功应以技术功的绝对值计： 分析右图可得：,二、压气机的理论耗功,压缩过程的p-v图和T-s图,7-2 多级压缩和级间冷却,两级压缩、中间冷却压气机示意图（a）,气体逐级在不同气缸中被压缩，每经过一次压缩以后就在中间冷却器中被定压冷却到压缩前的温度，然后进入下一级气缸继续被压缩。 压气机总的耗功为各级压缩过程的耗功之和。,基本原理：,两级压缩、中间冷却压气机示意图（b）,分级压缩中间冷却的优点,省去与面积2-2-3-3-2相当的压缩功； 压气过程中气体的最高温度降低，使工作安全性能提高； 每一级压气过程的增压比降低，提高容积效率，进而提高了压气机的生产能力 。,为使压缩机总的耗功最小，应选择最佳中间压力。可以证明：对于带有中间冷却的两级压缩，其中间压力应为始末压力的几何平均数，即各级压缩比相同。这一结论也可推广到多级压缩的情况，设共有m级压缩，则有：,(7-1),此时压气机消耗的总功为：,按上述原则选择中间压力还可得到以下有利结果：, 每级压气机所需的功相等。 每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同。 每级向外排热量相等，而且每一级的中间冷却器 向外排热量也相等。,(7-2),工程常用压气机定温效率 做为活塞式压气机性能的优劣指标，其定义为：当压缩前气体的状态相同、压缩后气体的压力相同时，可逆定温压缩过程所消耗的功 和实际压缩过程所消耗的功 的比值。即：,活塞式压缩机的评价指标：,(7-3),7-3 叶轮式压气机的工作原理,叶轮式压气机 分离心式与轴流式等。下面是两种设备的相关设备图。 一、离心式压气机 主要介绍一下其核心部件（转子）及其整体组装图。,1、离心式压气机的转子,二、轴流式压气机,三、叶轮式压气机的工作原理,叶轮式压气机的特点： 离心式产量小，压力高。轴流式流量大，压力低。 叶轮式产气量大，每级增压比小，而且容易造成较大的摩擦损失。,叶轮式压气机压缩过程的热力学解释：,叶轮式压气机的压缩过程,叶轮式压气机的评价指标：,(7-4),8 燃气动力循环简介,8-1 分析动力循环的一般方法 8-2 活塞式内燃机实际循环的简化 8-3 活塞式内燃机的理想循环 8-4 燃气轮机装置循环 8-5 燃气轮机装置的定压加热实际循环,一、实际工作循环理想化成可逆循环； 二、找出影响循环热效率的主要因素及提高循环效率的措施； 三、分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因以及改进方法。,8-1 分析动力循环的一般方法,其中：c为卡诺循环热效率； t为内部可逆循环的热效率, 0为相对热效率, T为循环相对内部效率。,循环的经济性评价（内部热效率）：,（8-1）,8-2 活塞式内燃机实际循环的简化,右图是四冲程柴油机（混合加热）的示功图，包括：0-1吸气冲程、1-3压缩冲程、3-1 膨胀冲程、1-0排气冲程。,其中：0、3是上死点； 1、1是下死点； 2-3-4是注燃过程。 2-3-4：燃烧过程； 5-1-0：排气过程。,四冲程柴油机的示功图,一、实际循环的示功图（p-V图）,二、实际循环的理想化过程, 燃烧过程 可逆定容或（和）定压吸热过程； 工质比热为定值的理想气体（空气）； 膨胀和压缩过程可逆绝热（等熵）过程； 忽略摩擦阻力及节流损失，认为进、排气过程的 推动功抵消，两个过程重合，进而把开式循环抽象成闭式循环。,通过上述简化，实际循环可理想化为以空气为工质的可逆循环，且按加热方式可分为：,当两个相同尺寸发动机比较时，MEP大的比MEP小的可产生更多净输出功。,有效压力：,Otto循环（定容加热） Diesel循环（定压加热） Sabathe循环（混合加热）,（8-2）,这三种循环的图示 见下节相关内容。,8-3 活塞式内燃机的理想循环,一、混合加热理想循环（Sabathe循环）,混合加热理想循环的p-v图和T-s图,上式说明： t随和的增大而提高。 t随的增大而降低。,混合加热循环的热效率为:,（8-3）,二、定压加热理想循环（Diesel 循环）,又称荻塞尔循环，相当于1时的混合加热循环情况。,其t随的增大而提高，随的增大而降低。,热效率公式 （略）,定压加热理想循环的p-v图和T-s图,三、定容加热理想循环(Otto循环),定容加热理想循环又称奥托循环，相当于预胀比1时的混合加热循环。,上式说明，t随压缩比的增加而提高。,热效率:,定容加热理想循环的p-v图和T-s图,（8-4）,8-4 燃气轮机装置循环,一、燃气轮机装置简介,分压气机、燃烧室和燃气轮机三个部分。,若比热容为定值，则循环热率为：,定压加热理想循环,8-5 燃气轮机装置的定压加热实际循环,如果设压缩和膨胀过程仍是等熵的，则定压加热的实际循环为12341。利用压缩机的绝热效率 和燃气轮机的相对内部效率 ，可把循环内部热效率表示为：,燃气轮机装置实际循环的T-s图,（8-5）,越大，i越高。 和T、c,s一定时，i 随有一极大值。 压缩和膨胀过程的不可逆性,i。,分析上式可以得出如下结论：,9 蒸汽动力循环装置,9-1 简单蒸汽动力装置循环 -朗肯循环 9-2 再热循环 9-3 回热循环 9-4 热电合供循环 9-5 几种与蒸汽有关的动力循环,火力发电中的能量转换,锅 炉,发电机,化学能,热能,机械能,电能,一、工质为水蒸气的卡诺循环 二、朗肯循环及其热效率 三、蒸汽参数对热效率的影响 四、有摩阻的实际循环,9-1 简单蒸汽动力装置循环 -朗肯循环,一、工质为水蒸气的卡诺循环,动力循环以蒸汽为工质