第一篇工程热力学基础知识课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程热力学,研究能量（热能）性质及其转换规律的学科,/,工程热力学研究能量（热能）性质及其转换规律的学科/,1,工程热力学,研究,主要内容,热力学,基本定律,常用工质的,热力性质,分析计算实现热能和机械能相互转换,的各种,热力过程,和,热力循环,，阐明提,高转换效率的正确途径,/,工程热力学研究主要内容 热力学基本定律/,2,参考资料,1,陈培陵,.,汽车发动机原理,M.,人民交通出版社,2004.,2,张西振,吴良胜,.,发动机原理与汽车理论,M.,人民交,通出版社,2004.,3,沈维道,.,工程热力学（第,3,版）,M .,高等教育出版社,2001.,/,参考资料1陈培陵.汽车发动机原理M.人民交通出版社,3,第一节 气体的热力性质第二节 热力学第一定律第三节 气体的热力过程第四节 热力学第二定律,第一章 工程热力学基础知识,/,第一节 气体的热力性质第二节 热力学第一定律第三节,4,一、气体的基本状态参数,二、热力系统、平衡态和热力过程,三、理想气体的状态方程式,四、工质的比热,第一节 气体的热力性质,/,一、气体的基本状态参数第一节 气体的热力性质/,5,一、气体的基本状态参数,1.,工质,1,）工质：,热能 机械能,2,）工质的选择：,热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的,体积,变化来实现的，常选,气态物质,作为工质。,3,）气态工质：,气体,和蒸气,媒介物质,/,一、气体的基本状态参数1. 工质1）工质：热能,6,2.,气体的状态参数,1,）定义：,标志气体热力状态的各个物理量,2),状态参数,压力,温度,比容,内能,焓,熵,基本状态参数,/,2.气体的状态参数 1）定义：标志气体热力状态的各个物理量,7,1),定义：,气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。,2),真空度：,p,0,p,g,p,p,v,p,大气压力线,只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！,（,1,） 压力,p,表压力,绝对压力,g,p,/,1)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。p0pgp,8,表示气体冷热程度的物理量,摄氏温度：用,t,表示，单位为,热力学,(,开尔文或绝对,),温度：用,T,表示，单位为,K,只有热力学温度才是状态参数,！,（,2,） 温度,T,/,表示气体冷热程度的物理量 摄氏温度：用 t 表示，单位为只,9,1,）比容：,单位质量的物质所占有的体积。,式中,V,体积 ；,m,质量。,2,）,密度：,单位容积的物质所具有的质量 。,（,3,） 比容,v,/,1）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中 V体积,10,二、热力系统、平衡态和热力过程,1.,热力系统,1,）,热力系统：,在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象。,2,）,外界：,与该系统有相互作用的其它系统,。,3,）,边界：,系统与外界的分界面 。,边界的性质：,可以是真实的，,也可以是假想的；,可以固定也可以移动。,/,二、热力系统、平衡态和热力过程 1.热力系统1 ）热力系统：,11,4,）,分类,封闭系统：,绝热系统：,孤立系统：,开口系统：,系统与外界无物质交换,系统与外界有物质交换,系统与外界无热量交换,系统与外界无任何相互,作用，既无物质交换，,也无能量交换,/,4 ）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界,12,2.,平衡态,系统中气体各部分的,温度,和,压力,必须均匀一致，并且,不随时间,的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。,3.,热力过程,1,）热力过程：,热力系统从一个状态向另外一个状态变化时所经历的全部状态的总和 。,2,）内平衡过程 ：,热力系统从一个平衡状态连续经历一系列平衡的,中间状态,过渡到另外一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。,3,）内不平衡过程,/,2. 平衡态 系统中气体各部分的温度和压力必须均,13,4,）可逆过程：,系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。,p,v,1,2,2,1,v,2,v,1,W,可逆过程是,无摩擦、无温差的内平衡过程,p,1,p,2,/,4）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，,14,三、理想气体的状态方程,理想气体：,气体内部其分子不占有,体积,，,分子间又没有,吸引力,的气体。,1kg,理想气体 ：,m,kg,理想气体：,R,气体常数,，大小取决于气体的种类 。,/,三、理想气体的状态方程 理想气体：气体内部其分子不占有体积,15,四、工质的比热,比热：,单位量的物质作单位温度变化时所,吸收,或,放出,的热量。,2.,表达式：,3.,定容比热：,气体在,容积不变,的条件下被加热,时的比热 ， 。,定压比热：,气体在,压力不变,的条件下被加热,时的比热 ， 。,/,四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所2. 表达,16,4.,比热比：,（,绝热指数,）,（,等熵指数,）,，,5.,梅耶公式：,R,K,K,C,p,1,-,=,/,4. 比热比：， 5. 梅耶公式：RKKCp1-=/,17,能量转换与守恒定律,第二节 热力学第一定律,热力学第一定律,热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。,热能 机械能,相互转换,/,能量转换与守恒定律第二节 热力学第一定律 热力学第一定,18,一切物质都具有能量，能量既不可能,创造,，也不可能,消失,，它只能在一定的条件下从,一种形式,转变为,另一种形式,，而在转换中，能量的,总量恒定不变,。,能量转换与守恒定律,进入系统的能量离开系统的能量,=,系统储存能的变化,/,一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消,19,主要内容：,一、功、热量和内能,二、封闭系统能量方程式,三、开口系统稳定流动能量方程式,四、熵及温熵图,/,主要内容：一、功、热量和内能 /,20,一、功、热量和内能,1.,功,功不是热力状态的参数，,是一个过程量,。,A,w,/,一、功、热量和内能 1. 功功不是热力状态的参数，Aw/,21,2.,热量,3.,内能,热量为正,热量为负,系统吸热,系统放热,过程量,工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。,对于理想气体：内能是温度的,单值,函数 ，工质的内能,是一个,状态参数,。,m,kg,工质的内能,：,1kg,工质的内能：,/,2. 热量3. 内能热量为正系统吸热过程量工质的内能：工质内,22,二、封闭系统能量方程式,已知：,1kg,工质封闭在气缸内,进行一个可逆过程的,膨胀作功。,/,二、封闭系统能量方程式 已知：/,23,三、开口系统稳定流动能量方程式,已知：,1kg,工质在开口系统中作,稳定流动,，,-,界面为进口，,-,界面为出口，假设系统在该过程中从外界吸入的热量为,q,，对外输出功为,w,sh,。,w,sh,q,Z,1,p,1,v,1,C,1,C,2,Z,2,p,2,v,2,0,/,三、开口系统稳定流动能量方程式已知：wshqZ1p1v,24,2.,焓：,3.,开口系统能量方程式：,mkg,工质的焓,:,1kg,工质的焓,:,焓,=,内能,+,推进功,推进功：,开口系统与外界之间因为工质流动而传,递的机械功。对于单位质量工质，,推进功,等于,pv,。,/,2. 焓：3. 开口系统能量方程式：mkg工质的焓: 1kg,25,四、熵及温熵图,d,w=p,d,v,p,v,1,2,v,2,v,1,d,v,a,）,P,-,v,图,d,q=T,d,s,T,s,1,2,s,2,s,1,d,s,b,）,T,-,S,图,/,四、熵及温熵图 dw=pdvpv12v2v1dv,26,1.,熵的定义：,熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时绝对温度所得的比值。,2.,熵的性质,1,）熵是一个状态参数；,2,）只有在平衡状态下，熵才有确定值；,3,）与内能和焓一样，通常只求熵的变化量，而不必求熵的绝对值；,4,）熵是可加性的量；,5,）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传递方向；,6,）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。,/,1. 熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传,27,第三节 气体的热力过程,热力过程,基本,一般,定容过程,定压过程,绝热过程,等温过程,/,第三节 气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝,28,一、定容过程,工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。,p,v,1,2,2,s,T,2,1,2,/,一、定容过程工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv1,29,二、定压过程,p,v,1,2,2,T,s,2,1,2,v,定值,p,定值,工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。,T,2,T,1,/,二、定压过程pv122Ts212 v定值 p 定值,30,二、定压过程,p,v,1,2,2,T,s,2,1,2,定容,定压,工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。,/,二、定压过程pv122Ts212定容 定压工质在变化过,31,三、定温过程,p,v,1,2,2,T,s,1,2,2,工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。,/,三、定温过程pv122Ts122工质在变化过程中温度保,32,四、绝热过程,p,v,1,2,2,T,s,1,2,2,系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。,等熵过程,：可逆的绝热过程。,d,q,=0,/,四、绝热过程pv122Ts122系统与外界没有热量交换,33,五、多变过程,凡工质按,定值而变化的热力过程称为多变过程,。,n,0,1,K,n,多变指数,定压,等温,绝热,定容,/,五、多变过程凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n,34,第四节 热力学第二定律,一、热力循环与循环热效率,二、热力学第二定律的几种表达,三、卡诺循环与卡诺定理,四、孤立系统的熵增原理,/,第四节 热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学,35,一、热力循环与循环热效率,1),定义：,工质从初态出发，经过一系列的变化又回到初态的封闭过程，简称循环。,1.,热力循环,正向循环,：把热能转变为机械能的循环（,热机循环,） 。,2),分类,逆向循环,：依靠消耗机械能而将热量从低温热源传向高温热源的循环（热泵循环） 。,/,一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列,36,p,v,1,2,T,s,1,2,3),热机循环,/,pv12Ts123)热机循环/,37,p,v,1,2,a,b,v,1,v,2,W,1,W,2,T,s,1,2,a,b,s,1,s,2,Q,1,Q,2,3),热机循环,W,/,pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23),38,2.,循环热效率,/,2. 循环热效率 /,39,二、,热力学第二定律的几种表达,表述：,1,）不可能创造出只从热源吸热作功而不向冷源放热的热机。,2,）热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。,根据长期制造热机的经验总结出：为了连续的获得机械能，必须有两个热源，热机工作时，从高温热源取得热量，把其中一部分转变为机械能，而另一部分传给低温热源，这是实现热功转换的必要条件。,根据长期制造制冷机的经验总结出：不管利用什么机器，都不可能不付代价的实现把热量由低温物体转移到高温物体,。,/,二、热力学第二定律的几种表达表述： 根据长期制,40,三、,卡诺循环与卡诺定理,1.,卡诺循环,/,三、卡诺循环与卡诺定理1. 卡诺循环/,41,1,）卡诺循环的组成,工作于两个热源间的，由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆正向循环。,2,）卡诺循环的热效率,/,1）卡诺循环的组成 工作于两个热源间的，,42,2.,卡诺定理,定理一：,在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。,定理二：,在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。,/,2. 卡诺定理定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一,43,2,）指出了热机实现热功转换的条件：,必须具有两个或两个以上温度不同的热源。,3,）指出了提高热机热效率的根本途径：,提高热源的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。,卡诺定理的意义：,1,）给出了循环热效率的极限值。,/,2）指出了热机实现热功转换的条件：必须具有两个或两个以上温度,44,在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使系统熵增大的方向进行，在极限情况（即可逆过程）下，系统的熵保持不变。,四、,孤立系统的熵增原理,判断自然界一切自发过程实现的可行性,/,在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都,45,总结,2.,热力学第一定律,3.,气体的热力过程,4.,热力学第二定律,功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开口系统能量方程式；熵及温熵图。,4,个基本热力过程。,热力循环、循环热效率；卡诺循环、卡诺定理。,1.,气体的热力性质,状态参数；热力系统；平衡态；热力过程；比热。,/,总结2.热力学第一定律功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开,46,作业,1.,名词解释：,热力过程 ；内平衡过程；可逆过程；熵；,比热；推进功；热力循环；循环热效率,2.,绘出四个基本热力过程所对应的 图和 图，,并分别计算,定压过程,和,定温过程,下的,w,、,q,、,u,、,s,。,3.,复习：,工程热力学基础知识。,4.,预习：,第一节发动机理论循环。,/,作业1.名词解释：2.绘出四个基本热力过程所对应的,47,