热工基础总复习解剖课件

总复习总复习(Overall Review)1.系统系统(Thermodynamic System):A quantity of matter or a region in space chosen for study.（系统就是指被选做研究对象的物体或空间。）（系统就是指被选做研究对象的物体或空间。）2.平衡状态平衡状态(Equilibrium State)A system in equilibrium experiences no changes with time when it is isolated from its surroundings.所谓平衡状态就是指在所谓平衡状态就是指在没有外界影响没有外界影响的情况下，系统的情况下，系统的状态的状态不随时间而发生变化不随时间而发生变化。Basic Concept3.准准 静静 态态 过过 程程(Quasi-static Process)在在无限小势差推动无限小势差推动下的由下的由连续平衡态连续平衡态组成的过组成的过程，就是准静态过程。程，就是准静态过程。When a process proceeds in such a manner that the system remains infinitesimally close to an equilibrium state at all times,it is called a quasi-static or quasi-equilibrium process.4.可逆过程可逆过程(Reversible process)系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系统系统与与外界外界同时同时恢恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可可逆过程逆过程。A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings.That is,both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.o自发过程自发过程(Spontaneous Process)不需要任何外界作用而不需要任何外界作用而自动自动进行的过程。进行的过程。A process which can happy naturally without the interference from the surroundings.5.循环循环(Cycle)If a system returns to its initial state at the end of the process,it is said a system have undergone a cycle.系统经历了一系列状态变化过程，又回到了原来状态，称为热力循环。与体系发生质、能交换的物系。与体系发生质、能交换的物系。系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。外界外界(surrounding)：边界边界(boundary)：6.热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质）外界与环境介质 3）边界可以是：）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的7.CLOSED SYSTEMS AND CONTROL VOLUMESoSystem:A quantity of matter or a region in space chosen for study.oSurroundings:The mass or region outside the systemoBoundary:The real or imaginary surface that separates the system from its surroundings.oThe boundary of a system can be fixed or movable.oSystems may be considered to be closed or open.oClosed system(Control mass):A fixed amount of mass,and no mass can cross its boundaryoOpen system(control volume):A properly selected region in space.oIt usually encloses a device that involves mass flow such as a compressor,turbine,or nozzle.oBoth mass and energy can cross the boundary of a control volume.oControl surface:The boundaries of a control volume.It can be real or imaginary.9u 闭口系（闭口系（closed system）（控制质量（控制质量CM）没有质量越过边界没有质量越过边界 u开口系（开口系（open system）（控制体积（控制体积CV）通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换按系统与外界质量交换10 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）闭口系与系统内质量不变的区别；闭口系是始终不交换质量，所以质量肯定不变；闭口系是始终不交换质量，所以质量肯定不变；质量保持不变也有可能是恒流系统（时刻进出质质量保持不变也有可能是恒流系统（时刻进出质量相等）。量相等）。2）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：u绝热系（绝热系（adiabatic system）与外界无热量交换与外界无热量交换;u 孤立系（孤立系（isolated system）与外界无任何形式的相互作用（如质与外界无任何形式的相互作用（如质量、能量、作功等）。量、能量、作功等）。3.按能量交换按能量交换111 2 3 4 m Q W 1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界 孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系124.简单可压缩系（简单可压缩系（simple compressible system）最重要的系统最重要的系统 ！u由可压缩物质组成的有限物质系统，系统内无化学反应。由可压缩物质组成的有限物质系统，系统内无化学反应。u这种系统与外界这种系统与外界可逆功可逆功交换只有交换只有容积变化功容积变化功（膨胀功或压（膨胀功或压缩功）一种形式。缩功）一种形式。u这种系统只交换热量和一种准静态的容积变化功，这种系统只交换热量和一种准静态的容积变化功，或者说和外界只可能进行热能和机械能交换。或者说和外界只可能进行热能和机械能交换。容积变化功容积变化功 压缩功压缩功膨胀功膨胀功 131-3 工质的热力学状态和基本状态参数工质的热力学状态和基本状态参数 热力学状态热力学状态 工质在热力学变化过程中的某个瞬间所呈现的宏工质在热力学变化过程中的某个瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。状态参数状态参数 用来用来描述工质所处描述工质所处平衡状态平衡状态的宏观物理量的宏观物理量 1状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平平衡态衡态才有状参，系统有才有状参，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如一、热力学状态和状态参数一、热力学状态和状态参数二、状态参数的特性和分类二、状态参数的特性和分类14三、系统状态相同的充分必要条件三、系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件：系统两个状态相同的充要条件：所有所有状态参数一一对应相等状态参数一一对应相等 简单可压缩系简单可压缩系两状态相同的充要条件：两状态相同的充要条件：两个独立的两个独立的状态参数对应相等，因为这种状态参数对应相等，因为这种系统，两个独立状参确定后，其他系统，两个独立状参确定后，其他4个状参可以由个状参可以由这这2个状参推导出。个状参推导出。状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态确定，则状态参数也确定，反之亦然151-4 平衡状态平衡状态1定义：如果定义：如果在不受外界影响的条件下，在不受外界影响的条件下，系统的状态能够系统的状态能够始终始终保持不变保持不变（状态参数不随时间改变），则系统的这种状态称（状态参数不随时间改变），则系统的这种状态称为平衡状态。为平衡状态。热平衡热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，则系统处于组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，则系统处于热平衡。热平衡。力平衡力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移，则系统处于力组成热力系统的各部分之间没有相对位移，则系统处于力平衡。平衡。u系统热力平衡的充分必要条件系统热力平衡的充分必要条件 系统同时达到热平衡和力平衡系统同时达到热平衡和力平衡。一、平衡状态一、平衡状态161-4 平衡状态平衡状态u工程热力学通常只研究工程热力学通常只研究平衡状态平衡状态。u热力平衡系统特点：热力平衡系统特点：处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破坏。态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破坏。一、平衡状态一、平衡状态u不平衡系统特点：不平衡系统特点：处于不平衡状态的系统，由于各部分之间的传热和位移，处于不平衡状态的系统，由于各部分之间的传热和位移，其状态将随时间而改变，改变的结果一定是传热和位移逐其状态将随时间而改变，改变的结果一定是传热和位移逐渐减弱（如果不再受到外界影响），直至完全停止；所以，渐减弱（如果不再受到外界影响），直至完全停止；所以，不平衡状态系统，在没有外界条件的影响下，总会自发地不平衡状态系统，在没有外界条件的影响下，总会自发地趋于平衡状态趋于平衡状态。172.2.平衡与均匀平衡与均匀平衡：时间上平衡：时间上 均匀：空间上均匀：空间上 u均匀并非系统处于平衡状态的必要条件；均匀并非系统处于平衡状态的必要条件；u平衡不一定均匀（如气液两相并存的热力平衡不一定均匀（如气液两相并存的热力平衡系统），单相平衡态则一定是均匀的。平衡系统），单相平衡态则一定是均匀的。183.3.平衡与稳定平衡与稳定u稳定状态：参数不随时间变化，不考虑参数保持不变稳定状态：参数不随时间变化，不考虑参数保持不变是如何实现的。是如何实现的。u平衡状态：是在没有外界作用下实现参数保持不变。平衡状态：是在没有外界作用下实现参数保持不变。稳定但存在不平衡势差稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化去掉外界影响，则状态变化若以（热源若以（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系统，又如何？为系统，又如何？u稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。则为平衡状态则为平衡状态191.1.准平衡（准静态）过程引入准平衡（准静态）过程引入平衡状态平衡状态状态不变化状态不变化能量不能转换能量不能转换非平衡状态非平衡状态无法用状态参数简单描述无法用状态参数简单描述热力学引入热力学引入准平衡（准静态）准平衡（准静态）过程过程1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 一、准平衡过程一、准平衡过程没有工质状态变化，所以不能实现热能与机械能的相互转化没有工质状态变化，所以不能实现热能与机械能的相互转化203 3）准静态过程实际意义）准静态过程实际意义既是平衡，又是变化。既是平衡，又是变化。既是平衡，又是变化。既是平衡，又是变化。既既既既可以用状态参数描述可以用状态参数描述可以用状态参数描述可以用状态参数描述，又，又，又，又可进行热功转换可进行热功转换可进行热功转换可进行热功转换。疑问：疑问：理论上准静态应无限缓慢，工理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？程上怎样处理？准静态过程的工程条件：准静态过程的工程条件：破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间 （外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间 （驰豫时间）（驰豫时间）u有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程 一般的一般的工程过程工程过程都可认为是准静态过程。都可认为是准静态过程。212.2.准静态过程定义准静态过程定义 有无限接近平衡状态的状态组成的有无限接近平衡状态的状态组成的过程过程称为称为准静态准静态过程过程。3.3.准静态与平衡态的区别准静态与平衡态的区别 平衡态平衡态p=0,T=0p=0,T=0；准静态；准静态p0,T0p0,T0 4.4.准静态过程特征准静态过程特征 平衡态的破坏离平衡态非常近，或者说破坏量平衡态的破坏离平衡态非常近，或者说破坏量非常小；非常小；破坏平衡态的速度远远小于工质内部分子运动破坏平衡态的速度远远小于工质内部分子运动的速度。的速度。22一、功的定义和可逆过程的功一、功的定义和可逆过程的功 1功的力学定义：功的力学定义：力力 在力方向上的位移。在力方向上的位移。2功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。效果可表现为举起重物。3可逆过程功的计算可逆过程功的计算功是过程量，与初状态、末状态、功是过程量，与初状态、末状态、过程有关；过程有关；功可以用功可以用p-v图上过程线与图上过程线与v轴包围的面轴包围的面积表示。所以积表示。所以p-v图称为示功图。图称为示功图。1-6 功和热量功和热量23 系统对外作功为系统对外作功为“+”外界对系统作功为外界对系统作功为“-”5功和功率的单位：功和功率的单位：附：附：4功的符号约定：功的符号约定：24二、热量二、热量1定义：定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而 通过边界传递的能量通过边界传递的能量。2符号约定：系统吸热符号约定：系统吸热“+”；放热放热“-”3单位：单位：4计算式及状态参数图计算式及状态参数图u热量是过程量热量是过程量（T-s图上）表示图上）表示25四、四、热量与功的异同：热量与功的异同：u均为通过边界传递的能量；均为通过边界传递的能量；u功是有规则的宏观运动能量的传递，传递由压力差推功是有规则的宏观运动能量的传递，传递由压力差推动，比体积变化是作功标志，作功过程中往往伴随着能动，比体积变化是作功标志，作功过程中往往伴随着能量形态的转化；量形态的转化；u热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传递由温差推动，比熵变化是传热的标志，传热过程中不递由温差推动，比熵变化是传热的标志，传热过程中不出现能量形态的转化。出现能量形态的转化。u功功u都是能量传递的度量，均为过程量（不是状态量）；都是能量传递的度量，均为过程量（不是状态量）；热热 是无条件的；是无条件的；u热热功功 是有条件、限度的。是有条件、限度的。261-7 热力循环热力循环一、一、定义定义：u过程：是指热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历过程：是指热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。的全部状态的总和。u循环：是封闭的过程，也就是说，循环是这样的过程：热循环：是封闭的过程，也就是说，循环是这样的过程：热力系从某一状态开始，经过一系列中间状态后，又回复到原力系从某一状态开始，经过一系列中间状态后，又回复到原来的状态。循环的特点：来的状态。循环的特点：封闭的热力过程，且一切状态参数恢复原值，即：封闭的热力过程，且一切状态参数恢复原值，即：循环是一种特殊的过程。循环是一种特殊的过程。27二二.循环和过程循环和过程u循环由过程构成循环由过程构成;u全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环；全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环；u若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则该循环为不可若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则该循环为不可逆循环。逆循环。不可逆循环不可逆循环 可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环28三、动力循环（正向循环）三、动力循环（正向循环）u工质完成一个循环后，对外作出正的净功（工质完成一个循环后，对外作出正的净功（1-2-3-4-1）；）；u输出净功的原因：膨胀过程线的位置高于压缩过程线。输出净功的原因：膨胀过程线的位置高于压缩过程线。将热能转化为机械能的循环称为正向循环（也叫热动力将热能转化为机械能的循环称为正向循环（也叫热动力循环），它使外界得到功。如内燃机、蒸汽轮机、喷气式发循环），它使外界得到功。如内燃机、蒸汽轮机、喷气式发动机等。在动机等。在p-v图和图和T-s图上都是按顺时针方向进行的。图上都是按顺时针方向进行的。29三、动力循环（正向循环）三、动力循环（正向循环）u要是膨胀过程线高于压缩过程线就需要：要是膨胀过程线高于压缩过程线就需要：在膨胀开始前或在膨胀开始前或膨胀过程中与高温热源接触，从中吸入热量膨胀过程中与高温热源接触，从中吸入热量；而；而在压缩过程在压缩过程开始前或在压缩过程中与低温热源接触，放出热量开始前或在压缩过程中与低温热源接触，放出热量。u这也是为什么我们使用的热动力设备，都是工质在膨胀前这也是为什么我们使用的热动力设备，都是工质在膨胀前加热，压缩前放热。加热，压缩前放热。动力循环热效率：动力循环热效率：30四、四、逆向循环逆向循环 将热量从低温热源传给高温热源的循环叫做逆向循环，将热量从低温热源传给高温热源的循环叫做逆向循环，一般来讲逆向循环必然消耗外功，如制冷循环（冰箱、制一般来讲逆向循环必然消耗外功，如制冷循环（冰箱、制冷空调）、空调的热泵循环。在冷空调）、空调的热泵循环。在p-v图和图和T-s图上都是按逆图上都是按逆时针方向进行的。时针方向进行的。u工质完成一个循环后，外界向工质输入功（工质完成一个循环后，外界向工质输入功（1-2-3-4-1）；）；u输出净功的原因：膨胀过程线的位置低于压缩过程线。输出净功的原因：膨胀过程线的位置低于压缩过程线。31四、四、逆向循环逆向循环u要是膨胀过程线低于压缩过程线就需要：要是膨胀过程线低于压缩过程线就需要：工质在吸热前进工质在吸热前进行降温过程，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量，行降温过程，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量，然后工质再在冷库中吸热膨胀然后工质再在冷库中吸热膨胀；之后，；之后，在压缩机的作用下，在压缩机的作用下，将工质压缩，使其温度升高到能向高温热源放热的温度。将工质压缩，使其温度升高到能向高温热源放热的温度。制冷系数制冷系数:供热系数：供热系数：32u热能热能装置装置第第1 1章章 复习总结复习总结u系统系统u状态状态u过程过程u循环循环不断做功不断做功不断交换热量不断交换热量3323 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式u 加入热力系的能量总和加入热力系的能量总和热力系输出的能量总和热力系输出的能量总和=热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量u热力学第一定律热力学第一定律能量既不会产生也不会消亡，能量既不会产生也不会消亡，它们只会从一种形式转化为另一种形式，或从一它们只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体上转移到另一个物体上，在转移和转化的个物体上转移到另一个物体上，在转移和转化的过程中，它们的总量保持不变。过程中，它们的总量保持不变。理解思路：如果转移和转化过程中有能量消失或增加，则上理解思路：如果转移和转化过程中有能量消失或增加，则上式不成立！式不成立！34u讨论：讨论：2）对于可逆过程对于可逆过程3）对于循环对于循环4）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+”、“”、数值大小。、数值大小。1 1）适用条件：任何工质）适用条件：任何工质;任何过程；任何过程；35u等式右边等式右边均源自于工质在状态变化过程中通过膨胀而实施的均源自于工质在状态变化过程中通过膨胀而实施的热能转变成的机械能。热能转变成的机械能。等式左边等式左边是工质在过程中的容积变化功。是工质在过程中的容积变化功。因此上式说明因此上式说明,工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功能总和等于膨胀功。五、稳定流动能量方程式分析五、稳定流动能量方程式分析考虑到考虑到 ，所以：，所以：工质机械能变化工质机械能变化维持工质流动维持工质流动所需的流动功所需的流动功工质对机工质对机器作的功器作的功36u由于机械能可全部转变为功由于机械能可全部转变为功,所以，等式右边第所以，等式右边第1 1项与第项与第3 3项项之和是技术上可资利用的功之和是技术上可资利用的功,称之为技术功称之为技术功,用用w wt t表示：表示：五、稳定流动能量方程式分析五、稳定流动能量方程式分析工质机械能变化工质机械能变化维持工质流动维持工质流动所需的流动功所需的流动功工质对机工质对机器作的功器作的功考虑到考虑到q-u=w,q-u=w,则：则：37五、稳定流动能量方程式分析五、稳定流动能量方程式分析对于可逆过程对于可逆过程,则：则：在微元过程中在微元过程中,则：则：u由上分析可知，若由上分析可知，若dpdp为负为负,即即过程中过程中工质压力降低工质压力降低,则技术功为正则技术功为正,此时此时工质对机器作功工质对机器作功;反之机器对工质作功。反之机器对工质作功。蒸汽轮机、燃气轮机属于前一种情况蒸汽轮机、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活塞式压气机和叶轮式压气机属于后一种情况。一种情况。38五、稳定流动能量方程式分析五、稳定流动能量方程式分析引进技术功概念后引进技术功概念后,稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式,则：则：对于质量为对于质量为m m 的工质的工质,则：则：对于微元过程对于微元过程,则：则：对于可逆过程对于可逆过程,则：则：39 3-1 理想气体理想气体三、摩尔质量和摩尔体积三、摩尔质量和摩尔体积三、摩尔质量和摩尔体积三、摩尔质量和摩尔体积u摩尔体积（摩尔体积（m3/mol）1 mol 气体的体积，以Vm 表示，显然：很明显：不同压力和温度下，1mol气体的体积不相同！u阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律实验测得在标准状态标准状态(p0=1.013 25105 Pa,T0=273.15 K)下,1 mol 任意气体的体积为0.022 414 1 m3,即：阿伏伽德罗定律：同温、同压下阿伏伽德罗定律：同温、同压下,各种各种气体的摩尔体积都气体的摩尔体积都相同相同。注意：注意：1mol物质的质量（物质的质量（=分子质量分子质量=摩尔质量）一摩尔质量）一般不相等般不相等。阿伏伽德罗定律含义：同温、同压下同温、同压下,相同数量分子（或相同数量分子（或相同相同mol数量）数量）气体的体积都相同气体的体积都相同。40 3-1 理想气体理想气体四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数u1 kg 理想气体的状态方程的两侧同乘以摩尔质量理想气体的状态方程的两侧同乘以摩尔质量M：其中其中u阿伏加德罗定律：阿伏加德罗定律：同温、同同温、同压下压下,各种各种气体的摩尔体积都气体的摩尔体积都相同相同。若以若以1 和和2 分别代表两分别代表两种不同种类的气体种不同种类的气体,当当p1=p2、T1=T2 时时,则：则：Vm1=Vm2u两种气体的两种气体的M 与与Rg 的乘积的乘积相同相同,而气体的种类又是任选而气体的种类又是任选的的,因而因而(MRg)1=(MRg)2=MRg。M、Rg 各自都与气各自都与气体的状态无关（与气体的性质体的状态无关（与气体的性质有关）有关）,可以断定可以断定:MRg是既与是既与状态无关状态无关,也与气体性质无关也与气体性质无关的普适恒量的普适恒量,称为称为摩尔气体常摩尔气体常数数,以以R 表示表示。R 的数值可取的数值可取任意气体在任意状态下的参数任意气体在任意状态下的参数确定。确定。41四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数四、摩尔气体常数u摩尔气体常数摩尔气体常数,以以R 表示表示。R 的数值可取任意气体在任意状态下的数值可取任意气体在任意状态下的参数确定。如用标准状态的参数来确定的参数确定。如用标准状态的参数来确定R值：值：u由由R的值和的值和R=MRg可求得各种气体常数可求得各种气体常数Rg的值，即：的值，即：如空气的摩尔质量如空气的摩尔质量M为为28.97103kg/mol，所以，空气的气体，所以，空气的气体常数常数Rg=287.0 J/(kg K)五、不同情况理想气体状态方程表达式五、不同情况理想气体状态方程表达式五、不同情况理想气体状态方程表达式五、不同情况理想气体状态方程表达式u不同物量时：不同物量时：4232 理想气体的比热容理想气体的比热容定义：定义：c与过程有关与过程有关c是温度的函数是温度的函数分类：分类：按物量按物量u热量是过程量热量是过程量,因而因而比热容也和过程特性有关比热容也和过程特性有关,不同的热力过程不同的热力过程,比热容也不相同比热容也不相同。一、比热容一、比热容(specific heat)定义和分类定义和分类质量热容（比热容）质量热容（比热容）c J/(kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容体积热容（标准状态下）（标准状态下）C J/（m3K）(volumetric specific heat capacity)摩尔热容摩尔热容 Cm J/（molK）(mole specific heat capacity)43按过程按过程质量定压热容（比定压热容）质量定压热容（比定压热容）质量定容热容（比定容热容）质量定容热容（比定容热容）及及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式比热容一般表达式442.cV定容过程定容过程 dv=0若为理想气体（若为理想气体（）：）：温度的函数温度的函数代入式（代入式（A）得）得比热容的一般表达式比热容的一般表达式453.cp据一般表达式据一般表达式若为理想气体若为理想气体Cp是温度函数是温度函数dp=0464.4.迈耶公式迈耶公式迈耶公式迈耶公式5.5.讨论讨论1)cp与与cV均为温度函数均为温度函数,但但cpcV恒为常数：恒为常数：Rg（对于同一（对于同一种气体来说）。种气体来说）。对于理想气体：对于理想气体：4733 理想气体理想气体热力学能、焓和熵热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓理想气体热力学能和焓仅是温度仅是温度的函数的函数2)一、理想气体的热力学能和焓一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力因理想气体分子间无作用力48讨论讨论：如图（等温线如图（等温线bdc上）上）：u重要结论：对于理想气体重要结论：对于理想气体,任何一个过程的任何一个过程的热力学能变化量热力学能变化量都都和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等;任何一个过任何一个过程的程的焓变化量焓变化量都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等。都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等。49因而因而,对于理想气体的任何一种过程对于理想气体的任何一种过程,下列各式都成立下列各式都成立:u根据热力学第一定律解析式：根据热力学第一定律解析式：定容过程膨胀功为零定容过程膨胀功为零,热力学能变化量与过程热量相等热力学能变化量与过程热量相等,即：即：定压过程技术功为零定压过程技术功为零,焓变化量与过程热量相等焓变化量与过程热量相等,即：即：2.理想气体热力学能和焓变化量计算式理想气体热力学能和焓变化量计算式50二、状态参数熵二、状态参数熵1.定义定义2.理想气体的熵是状态参数理想气体的熵是状态参数式中式中:q qrevrev为为1kg 1kg 工质在微元可逆过程中与热源交换的热量工质在微元可逆过程中与热源交换的热量;T T 是传热时工质的热力学温度是传热时工质的热力学温度;ds ds是此微元过程中是此微元过程中1 kg 1 kg 工质的熵变工质的熵变,称为比熵变。称为比熵变。对于理想气体对于理想气体,将可逆过程热力学第一定律解析式将可逆过程热力学第一定律解析式q=q=c cp pdT-vdp dT-vdp 和状态方程和状态方程v=RgTv=RgT/p/p代入熵的定义式代入熵的定义式,得得:u熵是状熵是状态参数态参数51三、理想气体的熵变计算三、理想气体的熵变计算1.熵是状态参数熵是状态参数,就可用其他任意两个独立的状态参数表示就可用其他任意两个独立的状态参数表示,如（如（p，T）、（、（v，T）或（或（p，v）等等52定比热定比热5334 水蒸气的饱和状态和相图水蒸气的饱和状态和相图一、一、汽化和液化汽化和液化(vaporization and liquefaction)汽化：汽化：由液态到气态的过程由液态到气态的过程蒸发蒸发：在液体表面进行的汽化过程在液体表面进行的汽化过程液化液化：由气相到液相的过程由气相到液相的过程沸腾沸腾：在液体表面及内部进行在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。的强烈汽化过程。u水蒸气具有容易获得、有适宜的热力性质、无污染等优点水蒸气具有容易获得、有适宜的热力性质、无污染等优点，是热力系统中应用的主要工质。是热力系统中应用的主要工质。u热力系统的作为工质的热力系统的作为工质的水蒸气水蒸气距液态不远，工作过程中有集距液态不远，工作过程中有集态变化，所以态变化，所以不宜作为理想气体不宜作为理想气体来处理。来处理。54二、二、饱和状态饱和状态(Saturated state)当汽化速度当汽化速度=液化速度时，系统液化速度时，系统处于处于动态平衡动态平衡，宏观上气、液两相，宏观上气、液两相保持一定的相对数量保持一定的相对数量饱和状态饱和状态。饱和状态的温度饱和状态的温度饱和温度饱和温度，ts(Ts)(Saturated temperature)饱和状态的压力饱和状态的压力饱和压力饱和压力，ps（Saturated pressure）加热，使温度升高如加热，使温度升高如 t，保持定，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之值，系统建立新的动态平衡。与之对应，对应，p变成变成ps。所以所以一一对应一一对应，只有一个独立变量，即，只有一个独立变量，即如如55 t/02050100120150p/MPa0.0 006 1120.0 023 3850.0 123 4460.1 013 3250.198 4830.47 57156 三、三、几个名词几个名词 饱和液饱和液处于饱和状态的液体处于饱和状态的液体：t=ts 干饱和蒸汽干饱和蒸汽处于饱和状态的蒸汽处于饱和状态的蒸汽：t=ts 未饱和液未饱和液温度低于温度低于所处压力下所处压力下饱和温度饱和温度的液体的液体：t ts,t ts=d 称过称过 热度。热度。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽饱和液和饱和液和干饱和蒸汽干饱和蒸汽的混合物的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：使未饱和液达饱和状态的途径：57干度干度（湿度湿度 y=1x）x01饱和液饱和液湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或或 x 表示。表示。58预热预热汽化汽化过热过热t ts35 水定压加热汽化过程水定压加热汽化过程一、水定压加热汽化过程一、水定压加热汽化过程 工程上所用的水蒸气通常是工程上所用的水蒸气通常是水在保持压力近似不变的条件水在保持压力近似不变的条件下通过下通过沸腾汽化沸腾汽化而产生的。而产生的。59二、水定压加热汽化过程的二、水定压加热汽化过程的p-v图及图及T-s图图一点一点临界点临界点两线两线上界限线上界限线下界限线下界限线三区三区液液汽液共存汽液共存汽汽五态五态未饱和水未饱和水饱和水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽60p 可用的公式有：可用的公式有：61一、一、理想气体可逆多变过程方程式理想气体可逆多变过程方程式42 理想气体的可逆多变过程理想气体的可逆多变过程n为常数，可以为为常数，可以为-无穷到无穷到+无穷无穷的任意常数（多变指数）的任意常数（多变指数）在在log p-logV 图上有图上有log p=-nlnV+c常数常数n称为多变指数称为多变指数62在在log p-logV 图上有图上有log p=-nlnV+c=常数常数 多变过程多变过程常数常数u理想气体的基本热力过程是可逆多变过程的特例；理想气体的基本热力过程是可逆多变过程的特例；63三、在三、在p-v图及图及T-s图上表示图上表示64四、四、w，wt和和q65q=多变过程多变过程比热容比热容66七、多变过程的能量关系七、多变过程的能量关系w/q膨胀，吸热，压缩膨胀，吸热，压缩,放热放热膨胀，放热，压缩膨胀，放热，压缩,吸热吸热热力学规定：热力学规定：系统吸热系统吸热“+”，放热，放热“-”；系统对外作功为系统对外作功为“+”，外界对系统作功为，外界对系统作功为“-”67七、多变过程的能量关系七、多变过程的能量关系w/q膨胀过程膨胀过程(w 0),必须对气体加热必须对气体加热(q 0);压缩过程压缩过程(w 0),气体必定对外放热气体必定对外放热(q 0)。u若1 n 1,即w 与q 同号,且|w|q|。这种多变膨胀过程输出的过程功大于气体的吸热量,根据能量守恒原则,气体的热力学能一定减少,故温度降低;反之,这类多变压缩过程消耗的过程功大于气体的放热量,热力学能一定增大,故温度升高。68七、多变过程的能量关系七、多变过程的能量关系w/q膨胀过程膨胀过程(w 0),气体必须对外放热气体必须对外放热(q 0);压缩过程压缩过程(w 0)。u高温时气体的定熵指数高温时气体的定熵指数并非定值并非定值,通常通常,温度愈高温度愈高值愈小。值愈小。如柴油机的膨胀过程如柴油机的膨胀过程,开始时温度高达开始时温度高达1800 左右左右,膨胀终了仍有膨胀终了仍有600 左右。左右。在此范围内气体的平均定熵指数在此范围内气体的平均定熵指数av=1.321.33,而该过程的平均膨胀多变指而该过程的平均膨胀多变指数约为数约为n=1.221.28,1n 0,所以所以q0，必然为吸热工程，且输出，必然为吸热工程，且输出的过程功大于气体的吸热量，气体的热力学能一定减小，温度降低。又如柴油的过程功大于气体的吸热量，气体的热力学能一定减小，温度降低。又如柴油机的压缩过程机的压缩过程,空气温度通常不超过空气温度通常不超过300400 ,这时这时=1.4,而平均压缩多变而平均压缩多变指数约为指数约为n=1.321.37,1n,因因w 0,故故q 0,即工质膨胀对外输出即工质膨胀对外输出功功;反之则反之则w 0、q 0,必为加热过程必为加热过程;反之则反之则s 0、q 0(h 0),工质的热力学能工质的热力学能(或焓或焓)是增大的是增大的;反之则反之则u 0(h 0),其热力学能其热力学能(或焓或焓)减小。减小。72 2.坐标图上过程特性的判定坐标图上过程特性的判定u例如例如,=1.4 的某种气体的某种气体,按按n=1.6 的多变压缩过程工作的多变压缩过程工作,可根据可根据d v 0,n 先在先在p-v 图、图、T-s 图上画出过程线图上画出过程线,上图中以点划线示出。从图中可看出：上图中以点划线示出。从图中可看出：该过程线处于该过程线处于w 0 的区域的区域,故为耗功、吸热、升温、升压过程。故为耗功、吸热、升温、升压过程。u习惯上习惯上,以为气体吸热则温度升高以为气体吸热则温度升高,放热则温度降低。其实不然放热则温度降低。其实不然,只是那些只是那些cn 0 的过程有此特性的过程有此特性,这时这时d T 与与q 同号。另外同号。另外,cn 0 的过程的过程,1 n 100不可能不可能热二律否定第二类永动机（热二律否定第二类永动机（从从单一热源单一热源取热并使之完取热并使之完全变为功的热机全变为功的热机）t=100不可能不可能热二律的实质热二律的实质 自发过程都是具有方向性的自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然，说明共同本质表述之间等价不是偶然，说明共同本质 若想逆向进行，必付出代价若想逆向进行，必付出代价,代价为多少方可进代价为多少方可进行行?1.卡诺循环卡诺循环 Carnot Cycle 法国工程师卡诺法国工程师卡诺 (S.Carnot)，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环热二律奠基人热二律奠基人 Carnot Cycle is a a particular cycle that has the best possible efficiency,which is important in practice.It sets an upper limit on what is possible for real engines.效率最高效率最高5.3 Carnot Cycle and Carnot Theorem (卡诺循环及卡诺定理卡诺循环及卡诺定理)等温膨胀等温膨胀绝热膨胀绝热膨胀pvHeat is transferred to the working fluid during 1-2(Qh)and heat is rejected during 3-4(Ql).(1)an isothermal expansion at high temperature Th （在高温h 下的等温吸热过程）(2)an adiabatic expansion（可逆绝热膨胀过程）(3)an isothermal compression at low temperature Tl （在低温l下的等温放热过程）(4)an adiabatic compression （可逆绝热压缩过程）卡诺循环卡诺循环 Carnot Cycle 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率T1T2Rcq1q2wThermal efficiency of Carnot CycleApplying first law,For Isothermal Process of Ideal gas:(对理想气体的等温过程对理想气体的等温过程)Thermal efficiency of Carnot Cycle(卡诺循环的热效率卡诺循环的热效率)For ideal gaspv在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机可逆热机的热效率恒高于的热效率恒高于不可逆热机不可逆热机的热效率的热效率（卡诺循环是可逆循环卡诺循环是可逆循环）；）；The efficiency of an irreversible heat engine is always less than that of a reversible one operating between the same two thermal reservoirs.2.Carnots Theorems(卡诺定理卡诺定理)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的的一切可逆热机有相同的热效率，而与工质一切可逆热机有相同的热效率，而与工质无关，与热机类型无关无关，与热机类型无关。The efficiencies of all reversible heat engines operating between the same two thermal reservoirs are the same.2.Carnots Theorems(卡诺定理卡诺定理)For a Carnot engine,the efficiency simplifies to This is the highest efficiency a heat engine operation between the two thermal energy reservoirs at temperatures and can have.The thermal efficiencies of actual and reversible heat engines operating between the same temperature limits compares as follows(1)卡诺定理指明了热变功的最高效率卡诺定理指明了热变功的最高效率 The Carnot Theorem indicates the maximum thermal efficiency of heat engine,which converts heat into work.3.The significance of the Carnot Theorems(卡诺定理的意义卡诺定理的意义)(2)卡诺定理指明可以通过卡诺定理指明可以通过提高高温热源的温度提高高温热源的温度,降低低温冷源的温度降低低温冷源的温度或或减少过程的不可逆因素减少过程的不可逆因素等方式来提高热效率等方式来提高热效率 The Carnot Theorem point out thermal efficiency can be improved by means of raising the temperature of high temperature thermal reservoir,lowering the temperature of lower temperature reservoir,or reducing irreversibilities.(3)卡诺热效率表明了热量的最大可用能卡诺热效率表明了热量的最大可用能 The Carnot thermal efficiency value reveals the maximum amount of high temperature thermal energy which can be converted to work.(4)卡诺定理表明能量不仅有数量的差别，还有品质卡诺定理表明能量不仅有数量的差别，还有品质的高低的高低 The Carnot Theorem indicates that energy has quality as well as quantity.功量比热量更可贵功量比热量更可贵，因为它可以，因为它可以100%地转化地转化为热量，而热量只能部分转化为功。为热量，而热量只能部分转化为功。Work is a more valuable form of energy than heat since 100%of work can be converted to heat,but only a fraction of heat can be converted to work.u热源温度越高，热量的品质就越高热源温度越高，热量的品质就越高,其可转化其可转化为的可用能就越大。为的可用能就越大。The higher the temperature,the higher the quality of thermal energy.(5)基于卡诺定理基于卡诺定理,才证明熵是一个状态参数才证明熵是一个状态参数 It is based on Carnot theorem that entropy is investigated to be a property.()卡诺定理举例卡诺定理举例 A 热机是否能实现热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能可能 如果：如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能不可能500 kJ例题例题:Ts4.工作在相同温限范围工作在相同温限范围内内的任意可逆循环与卡诺循环的任意可逆循环与卡诺循环For any reversible cycle and Carnot cycle working between the same temperature differenceT1T2TM1TM2s2s1温熵图温熵图5.Entropy(熵熵)p a 1 2 2 b vFor every small reversible cycleThen,Entropy is defined as上式中上式中q为绝对值。为绝对值。若改用代数值若改用代数值,qL 为负值为负值,上式可写为：上式可写为：Thatis：Thus,for every reversible process:.Clausius Inequality(克劳修斯不等式克劳修斯不等式)p a 1 2 2 b vFor every small irreversible cycle上式中上式中q为绝对值。为绝对值。若改用代数值若改用代数值,qL 为负值为负值,上式可写为：上式可写为：Thatis：Clausius Inequality：u克劳修斯积分等于零为可逆循环,小于零为不可逆循环,而大于零的循环则不能实现。这就是用于判断循环循环是否可逆的热力学第二定律的数学表达式。克劳修斯不等式克劳修斯不等式例题例题 A 热机是否能实现热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能可能 如果：如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能不可能500 kJ注意：注意：热量的正和负是站在循环的立场上热量的正和负是站在循环的立场上 7.Entropy Change during an Irreversible Process(不可逆过程的熵变不可逆过程的熵变)From Clausius Inequality,we know:Thatis：uThe above equation states that the entropy changes of a system during irreversible processes are always greater than the integral of from the initial to the final state.uIt means that the entropy change in an irreversible process is greater than the heat added to the system divided by the heat source temperature.7.Entropy Change during an Irreversible Process(不可逆过程的熵变不可逆过程的熵变)uThe equality holds for an reversible process and the inequality for an irreversible process.for every reversible process:for every irreversible process:uThe above equation can serve as a criterion in determining whether a process is reversible,irreversible,or impossible.5.4 The increase principle of Entropy and Entropy Equation（熵增原理与熵方程）（熵增原理与熵方程）1.Performance of Entropy(熵的性质熵的性质)(1)we defineEntropy is a state property.Any substance possesses this property.(熵是一个状态参数，任何物熵是一个状态参数，任何物质都具有熵这个参数）质都具有熵这个参数）It depends only on state.(它仅取决于状态）它仅取决于状态）(