1、2014.9.132014.9.132014.9.13热能及其利用热能及其利用 热能的动力利用热能的动力利用 热能的直接利用热能的直接利用2014.9.13当今世界两大研究热点问题：当今世界两大研究热点问题： 节节 能能 环环 保保 可再生能源：酒精、木材等可再生能源：酒精、木材等 不可再生能源：石油、煤炭不可再生能源：石油、煤炭2014.9.132014.9.132014.9.132014.9.132014.9.13冰箱(机械能热能)飞机 (热能机械能) 汽车(热能机械能)热电厂 (热能机械能) 工程热力学和传热学工程热力学和传热学的研究内容及其在科学技术和的研究内容及其在科学技术和 工程中
2、的应用工程中的应用2014.9.13特别是在下列技术领域大量存在、特别是在下列技术领域大量存在、工程热力学和传热学工程热力学和传热学问题问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术生命科学与生物技术工程热力学和传热学工程热力学和传热学在生产技术等众多领域中在生产技术等众多领域中的应用十分广泛：的应用十分广泛：2014.9.13在几个特殊领域中也有许多应用：在几个特殊领域中也有许多应用：a a
3、 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）冷却；）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机化学火箭）；太阳能高空无人飞机2014.9.13b b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存组
4、织与器官的冷冻保存d d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存贮存e e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/ /热泵；热泵；高温水源热泵高温水源热泵f f 新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池2014.9.13一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程热能动力装置蒸汽动力装置内燃动力装置燃 气 进燃 气 进口口排入大气排入大气1.内燃动力装置2014.9.132.蒸汽动力装置2014.9.13二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程蒸发器
5、q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀 12342014.9.13研究对象：研究对象：热能与机械能相互转换的规律和方法以及 提高转换效率的途径。基本内容：基本内容：1）基本概念和定律； 2）工质的性质和过程； 3）工程应用；方法：方法： 1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学) 2）微观方法；(微观热力学或统计热力学)2014.9.13研究对象：研究对象：传热学是研究由温差引起的热量传递规律 的科学。实际问题分为两大类：实际问题分为两大类： 1）确定设备所应有的热传递速率 2）确定设备所要求的温度分布热传递分为三种基本方式热传递分为三种基本方式: 热传导、热对流、热辐射2014.9.13 传热学与热力学
6、的区别传热学与热力学的区别热力学热力学 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。传热学传热学 关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。热力学：传热学：tm)(),(fzyxt水，M220oC铁块, M1300oC2014.9.132014.9.13边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。QW图1 膨胀中的燃气系统的边界图2 流动中的工质系统的边界2014.9.13系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热质、功、热1 1）工质流入工质流出QW
7、系统边界图 3 开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统2014.9.13 闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不 一定都是闭口系统QW图4 膨胀中的燃气系统的边界2014.9.13冷源QW图5 把冷源包括在内的绝热系统2014.9.13图7 孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA2014.9.131）单相系和复相系）单相系和复相系2）2014.9.132014.9.13功和热量是过程量功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。2014.9.132.状态参数分类状态参数分类强度量尺度量压力、温度体积、热力学能、焓、熵基本参数导出参数压力、温度、体积热力学能、焓
8、、熵2014.9.133.基本状态参数基本状态参数相对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）2014.9.13Pg=PPbPv= Pb P 当PgPb时，取Pb =0.1 温度的数值表示法温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）热力学温标t(C)=T(K)-273.152014.9.13 =1/v2014.9.13一、准静态过程（准平衡过程）一、准静态过程（准平衡过程）图1 说明准静态过程用图 弛豫时间：弛豫时间：恢复平衡所需要的时间2014.9.13 二、二、可逆过程可逆过程可逆过程必定是准静态过
9、程，准静态过程不一定可逆。无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。2014.9.13隔板图2 自由膨胀2014.9.13 隔板图3 不同工质混合2014.9.13三、三、状态方程和状态参数坐标图状态方程和状态参数坐标图),(210),(Tvpfp1p2v1v2 图4 准静态过程在p-v图上的表示vP122014.9.13vP1234制冷循环热泵循环2014.9.13代价效果（收益）工作系数 1QWtWQ2WQh1Q1为与高温热源交换的热量， Q2为与低温热源交换的热量2014.9.132014.9.13一、实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用二、第一
10、定律的表述 输入系统的能量系统输出的能量= 系统储存能量的变化能量： 传递中的能量-功和热量-过程量 储存的能量-内部和外部状态参数决定-状态量 （内能）2014.9.13能量转换和守恒定律： 自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能量不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化和转换，且在转化和转换的过程中能量的总值保持不变。热力学第一定律： 任一过程中系统内能的增加等于该过程所吸收的热量和外界对它所做功之和。2014.9.13储存能量： 内部储存能-内部状态参数决定 外部储存能-外部状态参数决定一、内部储存能一、内部储存能热力学能热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称为“热力学能”符
11、号：U u (单位质量热力学能）单位：kJ kJ/kgu=U/mu=f(t,v)2014.9.13三、系统的总储存能（总能） E=U+ e=u+ 封闭系统，传递的能量有两种：功和热量2014.9.13一、功一、功1. 1. 热力学定义：热力学定义：21FdxwFdxw 燃气燃气进口进口排入大气排入大气2014.9.13 当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功。则外界对系统作
12、了功。2. 2. 体积功：体积功：工质体积改变时所做的功系统对外作功 0w外界对系统作功 0w功是过程量功是过程量单位：J、kJ2014.9.13AdxPwout为比体积变化。dvAdx foutfoutFPAAPFAPPA或dxFPAdxwfvpFfppoutdxAp1234dv图 1 封闭系统的膨胀功APoutdxFwdxFPdvwfvfpdvwFf则，即可逆过程若021Pdvw2014.9.13)(vfP 23411)(2121AdvvfPdvw面积可逆过程膨胀功可以用p-v图上过程曲线与v轴所围面积表示。可逆过程对外做的膨胀功最大。vpFfppoutdxAp1234dv图 1 封闭系统
13、的膨胀功Bc0 ,0wdv时0 ,0wdv时0 ,0wdv时功是过程量212121)(mwPdvmmvPdPdVW对于mkg工质2014.9.13二、热量二、热量热量热量是除功以外，通过边界系统与外界之间传递是除功以外，通过边界系统与外界之间传递的能量。的能量。热量也是过程量符号规定：系统从外界吸热为正；Q0 系统向外界放热为负。Q0单位：J、kJ2014.9.13QW热源 功源WUQUWQ 或wuq单位质量工质wduq微元过程吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界对系统作功 0w2014.9.131.适用于任意工质、任意过程，各项为代数量。2.q、 w分别为各
14、个吸热、作功过程的代数和。3.U=U2-U1可逆过程：pdvw pdvduq21pdvuq21pdVUQ任意工质、可逆过程2014.9.13vpA12B例3-1 有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1回到初态1，并且kJWkJUUkJQBA5 10 50121221试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。2014.9.13解:kJUUQWAA401050)(122121 0dUWQkJWWWBA355401221kJWQ35vpA12BkJWkJUUkJQBA5 10 50121221是膨胀过程2014.9.13质量守恒方程力学定
15、律 三个定律能量守恒方程一元稳定流动一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而变化。2014.9.131kg工质：进入系统带入能量：1112111,21vPgzwueg推动功流出系统带出能量：2222222,21vPgzwueg推动功吸热： q作功： ws（轴功）（轴功）2014.9.13)21(111211qvPgzwug0)21(222222sgwvPgzwusggwzzgwwvpuvpuq)()(21)()(1222111222121.技术功技术功zgwpvwz
16、zgwwvpvpuqwgggs221222221121)()()(21)()(1)()(21122212zzgwwwwggst若动能、位能变化很小，可以忽略，则stww sgwzgwpvpdvw22121)(（轴功）（轴功）（膨胀功）（膨胀功）2014.9.13（技术功）（技术功）Wt（轴功）（轴功）Ws（膨胀功）（膨胀功）W（流动功或推进功）（流动功或推进功）PV2014.9.13twpvpdvw)(2121212121212121)()(vdpdpvpdvpdvpvdpdvpvpdvwt可逆过程2.焓焓状态参数twvpuvpuq)()(111222pvuh比焓J/kgpVUH总焓JmhH
17、2014.9.13tsggwhhqwwwhhq122212)(2112tsgwdhqwdwdhq221微元过程vdpdhq可逆过程)(2112vdphhq积分形式2014.9.13开口系统的典型设备开口系统的典型设备: :1.换热器：如锅炉、冷凝器等2.喷管和扩压管3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机4.消耗功的装置：如泵、压缩机5.节流装置：如膨胀阀2014.9.130sw0)(212212ggww12hhq适用于任意工质、任意过程0)(21222112sggwwwvdp可逆过程可逆过程0v0dp为可逆流动条件12流入流出Q)()(2112221212tsggwhhwwwhhq工质流经换热
18、器时所吸收的热量全部用来增加工质的焓值；反之，亦反。工质流经换热器时所吸收的热量全部用来增加工质的焓值；反之，亦反。特点：与外界没有轴功交换、工质流速变化不大特点：与外界没有轴功交换、工质流速变化不大2014.9.13Wg2Wg111112222流入流出喷管扩压管Wg1流入0q0sw2122)(2112hhwwgg12ggww21hh 喷管12ggww12hh 扩压管2122)(2112vdpwwgg可逆流动可逆流动12ggww210 , 0vdpdp喷管)()(2112221212tsggwhhwwwhhq工质在喷管中所增加的动能全部由工质焓值的减少来补偿；在扩压管中相反。工质在喷管中所增加
19、的动能全部由工质焓值的减少来补偿；在扩压管中相反。特点：来不及与外界进行热交换特点：来不及与外界进行热交换 无轴功交换无轴功交换2014.9.13流入流出12ws)()(2112221212tsggwhhwwwhhq21hhwsq=0 wt=wS0)(212212ggww21hhws气轮机输出的轴功是由流动工质的焓值转换而来的气轮机输出的轴功是由流动工质的焓值转换而来的特点：来不及与外界进行热交换特点：来不及与外界进行热交换 流速变化不大流速变化不大特点：是汽轮机的逆过程特点：是汽轮机的逆过程2014.9.1321hh 0)(212212ggww0sw0q)()(2112221212tsggw
20、hhwwwhhq特点：来不及与外界进行热交换，特点：来不及与外界进行热交换， 无轴功交换，工质动能变无轴功交换，工质动能变 化与焓的数值相比可忽略。化与焓的数值相比可忽略。2014.9.1312hhq2122)(2112hhwwgg21hhws21hh 换热器喷管和扩压管汽轮机和压缩机节流装置smhhwg/1 .93810)23402780(2)(23212略去入口流速kgkJh/27801kgkJh/23402smwg/201例3-2 已知：smwhhwgg/3 .9382010)23402780(2)(22322112解：2014.9.13kgkJhh/43821kgkJhhq/13043
21、856822hkgqQqm/5 .32113041800膨胀阀蒸发器122解：kgkJh/4381kgkJh/5682例3-5 已知：2014.9.13)()(21122212zzgwwwwggst（技术功）（技术功）Wt、（轴功）（轴功）Ws（膨胀功）（膨胀功）W、（流动功或推进功）（流动功或推进功）PVtwpvpdvw)(21twhhq12吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界对系统作功 0w符号关系：符号关系：wuq（开）（开）（闭）（闭）讨论：讨论：2014.9.13能量守恒与转换定律在热力学中的应用能量守恒与转换定律在热力学中的应用 换热器、换热器、节
22、流装置等节流装置等12hhq2122)(2112hhwwgg21hhws21hh 2014.9.13举例1： 一闭口系统从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ， 而系统对外作功为30kJ，如图。 （1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功15kJ，求过程中系统与外界传递的 热量。 （2）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1，外界对系统作功6kJ，求该过 程中系统与外界传递的热量。 （3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。举例2：空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是P1=0.1MPa,V1=0.845 m3/kg
23、；压缩后的参数是P2=0.8MPa,V2=0.175m3/kg。假定在压缩过程中 1kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟 产生压缩空气10kg。求： （1）压缩过程中对每公斤气体所作的功； （2）每生产1kg的压缩气体所需的功； （3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？2014.9.132014.9.13 基本要求：基本要求：1。深刻领会热力学第二定律的实质（两种说法）；。深刻领会热力学第二定律的实质（两种说法）；2。熟练掌握。熟练掌握卡诺循环和卡诺定律；卡诺循环和卡诺定律；3 3。掌握克劳修斯不等式；掌握克劳修斯不等式；4。掌握熵的概念、定义、计算和应用
24、，熵增原理；。掌握熵的概念、定义、计算和应用，熵增原理；5。了解提高循环效率的基本途径、。了解提高循环效率的基本途径、2014.9.13克劳修斯说法克劳修斯说法“不可能把热量从低温物体传到高温物体，不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生而不产生其它变化。其它变化。”开尔文说法开尔文说法“不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功，不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功，而不产生其它的变化。而不产生其它的变化。”2014.9.13可逆循环可逆循环：循环的各过程均为可逆过程，相应的热机 为可逆热机。卡诺循环：卡诺循环：，由定温吸热、绝热膨胀、定温放热、绝热压缩四个可逆过程组成。pv3
25、T112q14T2q2Ts12342014.9.13121211TTqqc1qwtT1为高温热源的温度，T2为低温热源（冷源）的温度 “ “在温度为在温度为T T1 1的高温热源和温度为的高温热源和温度为T T2 2的低温热源之间工作的的低温热源之间工作的一切一切，其热效率相等其热效率相等，与工质的性质无关；，与工质的性质无关； 在温度为在温度为T T1 1的高温热源和温度为的高温热源和温度为T T2 2的低温热源之间工作的的低温热源之间工作的，以，以卡诺循环的热效率为最高。卡诺循环的热效率为最高。”2014.9.13121211TTQQc2014.9.13两热源间的循环两热源间的循环121q
26、qt1212TTqq1122TqTq121TT02211TqTqq2取代数值取代数值T为热源温度为热源温度“=”表示可逆，“0 吸热 ds0 放热 ds=0 无热交换可逆的绝热过程为等熵过程3.熵产是过程不可逆性的度量。2014.9.13例例2 在压力为0.1013MPa时，用500K的恒温器把1kg、100 C的水加热成为100 C的水蒸汽，需要热量2257kJ/kg，试求这一过程中工质比熵流，比熵的变化量和比熵产。解：)/(514.45002257KkgkJTqsf)/(048.615.2731002257KkgkJTqsww)/(534.1514.4048.6KkgkJsssfwg201
27、4.9.13TQdS0Qd0isodS孤立系统熵增原理是指孤立系统或绝热系统的总体熵孤立系统熵增原理是指孤立系统或绝热系统的总体熵是永远不会减小的，而孤立系统中的个别物体（子是永远不会减小的，而孤立系统中的个别物体（子系统）的熵是可以增加、减小或不变的，与过程有系统）的熵是可以增加、减小或不变的，与过程有关。关。2014.9.131. 1. 熵产可作为过程不可逆性的度量。（孤立熵产可作为过程不可逆性的度量。（孤立系统的熵增即为熵产）系统的熵增即为熵产）2. 2. 根据孤立系统熵的变化可判断过程进行的根据孤立系统熵的变化可判断过程进行的方向（可逆、不可逆、不能实现）。方向（可逆、不可逆、不能实现
28、）。3. 3. 孤立系统的平衡条件为孤立系统的平衡条件为：0max,isoisoisodSSS或，不能实现，不可逆，可逆000isoisoisodSdSdS2014.9.13例例3 已知已知A、B、C3个热源的温度分别为个热源的温度分别为500k、400k和和 300k，有可逆机在这，有可逆机在这3个热源间工作。若可逆机从个热源间工作。若可逆机从 A热源净吸人热源净吸人3000kJ热量，输出净功热量，输出净功400kJ，试求，试求 可逆机与可逆机与B、C两热源的换热量，并指明方向。两热源的换热量，并指明方向。例例4 欲设计一热机，使之能从温度为欲设计一热机，使之能从温度为973k的高温热源吸的
29、高温热源吸 热热2000kJ，并向温度为，并向温度为303k的冷源放热的冷源放热800kJ。问此。问此 循环能否实现？循环能否实现？2014.9.13两种说法。两种说法。卡诺循环：卡诺循环：，由定温吸热、绝热膨胀、定温放 热、绝热压缩四个可逆过程组成。 （2 2）卡诺定理：）卡诺定理：在温度为在温度为T T1 1的高温热源和温度为的高温热源和温度为T T2 2的低温热源之的低温热源之 间工间工 作的一切作的一切，其热效率相等，与工质的性质无关；在温度，其热效率相等，与工质的性质无关；在温度 为为T T1 1的高温热源和温度为的高温热源和温度为T T2 2的低温热源之间工作的的低温热源之间工作的
30、，以卡，以卡 诺循环的热效率为最高。诺循环的热效率为最高。 （3 3）提高循环热效率的基本途径。）提高循环热效率的基本途径。(T1 ,T2 (T1 ,T2 ；减少不可逆性）；减少不可逆性）0Tq2112)(revTqdss21TQdSffgSSSS12TQdS0isodSgfSSSS)(12121211TTqqc2014.9.132014.9.13 基本要求：基本要求：1。熟练掌握理想气体的定义、比热容、热力学能、。熟练掌握理想气体的定义、比热容、热力学能、焓和熵焓和熵 等基本概念及基本定义式和应用比热容计算热量等基本概念及基本定义式和应用比热容计算热量的方法的方法；2。熟练掌握理想气体的热力
31、过程、热力过程的基本。熟练掌握理想气体的热力过程、热力过程的基本方程式方程式 以及基本计算分析方法；以及基本计算分析方法； （p、v、T、u、s、h、q、w、wt 之间的相互换算）之间的相互换算）3。熟练掌握理想气体的熟练掌握理想气体的P-V图、图、T-S图，并能结合热图，并能结合热力过程力过程 进行分析计算。进行分析计算。2014.9.13热力学中，把完全符合热力学中，把完全符合 及热力学能仅为温度的函数及热力学能仅为温度的函数 的气体，称为的气体，称为理想气体理想气体；否则称为实际气体。；否则称为实际气体。RTpv )(Tuu 1kg气体气体RTpv R R为为气体常数气体常数 , ,与气
32、体种类有关。与气体种类有关。)(8314KkgJMMRRM“M“M，为气体的摩尔质，为气体的摩尔质量量”单位物量物体在准静态过程中温度升高单位物量物体在准静态过程中温度升高1K1K（或（或1 1 C C）所需要的热量所需要的热量 称为称为“比热容比热容”。dTqc比定压比定压( (质量质量) ) 热容：热容：比定容比定容( (质量质量) ) 热热容：容：)()(KkgJkdTqcpp)()(KkgJkdTqcvv2014.9.131. 1. 曲线关系曲线关系21ttcdtq112200tctcmm1500,211200的平均比热容，见表到和到表示温度自tCtCccmm2. 2. 直线关系直线关
33、系)(2)(12212121ttttbadtbtacdtqtttt)(22121ttbacm直线关系平均比热容见表5-2，注意：表中t用（t1+t2）代入)(1221ttcm3. 3. 定值比热容定值比热容)(9 .20,KkmolkJcpM单原子气体单原子气体: :双原子气体：双原子气体：)(3 .29,KkmolkJcpM三原子气体：三原子气体：)(7 .37,KkmolkJcpM)(12ttcq2014.9.13温度相同的状态点其热力学能和焓就相同。wduq微元(通式）：dtcduvdtcdhppdvdtcqvvdpdtcqp理想气体可逆过程：vdvRTdTcdsv21pdvw21vdp
34、wt膨胀功技术功迈耶方程：迈耶方程：RccvpRccvp或或tsgwdhqwdwdhq221（闭口系统）（开口系统）可逆过程：2014.9.13RTupvuhRdTduRTuddh)(dTcduvdTcdhpdTRcRdTdTcdTcvvp)(迈耶方程：迈耶方程：RccvpRccvp或或2014.9.13revTqds)(pdvdTcqvdvTpTdTcdsvRTpvvdvRTdTcdsv1212ln212121vvRTdTcvdvRTdTcssTTvvTTvv2014.9.13121212lnlnvvRTTcssv121212lnlnvvcppcsspv121212lnlnppRTTcssp
35、2014.9.13例例5-45-4 试求空气在自由膨胀中比熵的变化量，已知初试求空气在自由膨胀中比熵的变化量，已知初态空气态空气的温度为的温度为 ，体积为，体积为 ，膨胀终了的容积，膨胀终了的容积 。1T1V122VV 解：解：取整个容器内的空气为孤立系统（系统与外界无功、热及物质交换）wuuq)(1200wq12uu 121212lnlnvvRTTcssv)(1989. 02ln287. 0lnln121212KkgkJVVRmVmVRss12TT 即：2014.9.13目的：目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律，以及热能与机械能之间的转换情况，进而找出影响它们转换的主要因素。对象：对象：
36、讨论理想气体的可逆过程研究热力过程的方法及具体步骤：研究热力过程的方法及具体步骤：1. 过程方程 ,一般写成 的形式。 2. 利用状态方程和过程方程推出初、终状态参数之间的关系式3. 在p-v图和T-s图上表示出该过程曲线。4. 该过程热力学能、焓、熵的变化以及功和热量。)(vfp Constpvn)(12ttcuv)(12ttchp121212lnlnvvRTTcssv21pdvw21vdpwt21pdvuq21vdphq2014.9.13二、二、 定容过程定容过程1过程方程常数v2初、终状态参数关系3p-v图及T-s图1212TTppRTpv21vv pv122Ts212vvCTsT)(曲
37、线斜率vdvRTdTcdsv2014.9.13Ts212bcVaVbVcsbscbcvvTTvbcvvRvdvRTdTCSScblnVbcSS bcvv 4、能量转换1）过程功0dv210pdvwv2121,)(ppvvdpwvt2）热量)(12ttCqvv)(12ttCqvmv102012tCtCqtvmtvmv21pdvuquqv定容线向右水平移动时，比容增大2014.9.13三、三、 定压过程定压过程1过程方程常数p2初、终状态参数关系3p-v图及T-s图1212TTvvRTpv21pp pvTs212ppCTsT)(曲线斜率122vpcc pvcTcT在T-s图上，同一温度下定容线比定
38、压线的斜率大121212lnlnppRTTcssp2014.9.13Ts212bcpapbpcsbscbcppTTpbcppRpdpRTdTCSScblnpbcSS bcpp 4、能量转换1）过程功0dp21,0vdpwpt2112)(vvppdvwp2）热量)(12ttcqpmp)(12ttcqmpp102012tctcqtpmtpmp21vdphqhqp定压线向左水平移动，压力增加2014.9.13四、四、 定温过程定温过程1过程方程常数常数， Tpv2初、终状态参数关系2112ppvvRTpv21TT 3p-v图及T-s图pv122654312234Ts曲线斜率vpvpT)(2014.9
39、.134、能量转换1）过程功2）热量212121112112lnlnlnppvpppRTvvRTdvvRTpdvwTpv122654312234Ts21211221,lnlnvvRTppRTdppRTvdpwTtTtTww,0)(12ttcuvm0)(12ttchpm21112112,lnlnlnppvpppRTvvRTwwqTtTT2014.9.13五、五、 绝热过程绝热过程1过程方程常数kpvvpcck绝热指数，其数值随气体的种类和温度而变vpcc 1k对于空气和燃气，4 . 1k2初、终状态参数关系kvvpp)(2112常数kpvRTpv12112)(kvvTTkkppTT11212)(
40、2014.9.133p-v图及T-s图定温pv1226543122Ts曲线斜率vpkvps)(在P-v图上，绝热线比定温线陡4能量转换1）过程功)1 (1)(1 )(11)11(1121212211121111212111TTkRTTTkRvpvpkvvkvpvdvvppdvwkkkkks2014.9.13)(1 1)(1 111211211kkksppkRTvvkRTwkvvpp)(211212112)(kvvTTkkppTT11212)(skkkkstkwppkRTkTTkkRTpdppvvdpw)(1 1)1 (1112112112121111,ttsswhwhwuwu 0 0或或2）热
41、量0s 0q2014.9.131. 1. 过程方程：过程方程：kn、10分别为定容、定压、定温、绝热过程Constpvnn称为多变指数2. 2. 初、终状态参数间的关初、终状态参数间的关系：系：nvvpp)(211212112)(nvvTTnnppTT11212)(2014.9.133. 3. 热力学能、焓、熵的变化热力学能、焓、熵的变化：)(1)(1212TTkRTTcuv)(1)(1212TTkkRTTchp12121212121212lnlnlnlnlnlnvvcppcppRTTcvvRTTcsspvpv)(12TTchp)(12TTcuv1kRcv1kkRcpRccvpkccvp/20
42、14.9.134. 4. 功、热量：功、热量：)(121TTnRwnwTTnnRwt)(121多变指数为n的多变过程，技术功是体积功的n倍)(112TTcnknqvn)(111 ( )(1()(1)(12122112TTncRcTTnRcTTnRTTcwuqvvvvnvncnknc1)(12TTcqnn2014.9.13例例5-55-5 某空气压缩机，进口处空气的压力为某空气压缩机，进口处空气的压力为0.10.1MPaMPa，温度为，温度为27 27 C，压缩后空气的压力为压缩后空气的压力为0.50.5MPaMPa。若压缩过程为：。若压缩过程为：（1 1）绝热过程（）绝热过程（2 2）等温过程
43、（）等温过程（3 3）多变指数为）多变指数为n=1.25n=1.25的多变过程，试求压缩的多变过程，试求压缩1kg1kg空气时压气机消耗的功及所空气时压气机消耗的功及所放出的热量。设比热为定值。放出的热量。设比热为定值。2014.9.13pvTsnn+ - + - - + + - n=0n=0n=0n=0n= 1n= 1n= 1n= 1n= kn= kn= kn= knnnnConstpvn2014.9.13三条分界线：定容线：右侧，体积功为正； 左侧，体积功为负。定温线：上方，温度增加； 下方，温度降低。绝热线：右侧，吸热； 左侧，放热 。npvnnn+ - + - n= 1n= kn=0n
44、=0n= 1n= kTsnnn= kn= kn= 1n= 1n=0n=0- + + - 已知某一膨胀过程的n值为1n0，u0 2014.9.13例例5-55-5：汽缸与活塞间封闭有1kg空气，经历一多变压缩过程，消耗压缩功300kJ，气体的比体积缩小为原来的1/7.5，压力增加到原来的9.3倍。已知该气体的k=1.4和Cv=0.716kJ/(kgK)。试按定比热容计算过程的多变指数、气体被压缩的终温、气体热力学能和熵的变化量，以及过程中气体与外界交换的热量。解：解：1.计算多变指数nvvpp)(21122112lnlnvvnpp107. 15 . 7ln3 . 9ln)ln()ln(2112v
45、vppn2.计算终温RTpv24. 15 . 73 . 9112212vpvpTT1224. 1TT 2014.9.1311112172. 0)24. 1 (716. 0)(TTTTTcuv300172. 01Twuq11112471. 0)24. 1 (716. 01107. 14 . 1107. 1)(1TTTTTcnknqv11471. 0300172. 0TTKT56.4661KT53.57823.计算气体热力学能和熵的变化量kgkJTTcuv34.80)56.46653.578(716. 0)(12kgkJvvcppcspv424. 05 . 7ln716. 04 . 13 . 9l
46、n716. 0lnln12124.计算气体与外界的热交换量kgkJwuq66.21930034.802014.9.13 ( p、v、T、u、s、h、q、w、wt 之间的相互换算之间的相互换算 )P-V图、图、T-S图图npvnnn+ - + - n= 1n= kn=0n=0n= 1n= kTsnnn= kn= kn= 1n= 1n=0n=0- + + - dtcduvdtcdhp121212lnlnvvRTTcssv常数v常数p常数常数， Tpv常数kpvConstpvnRTpv 21pdvuq21vdphq21pdvw21vdpwt2014.9.132014.9.131。熟练掌握水蒸汽的有关
47、基本概念：。熟练掌握水蒸汽的有关基本概念：（1）饱和水（饱和温度、饱和压力）饱和水（饱和温度、饱和压力）（2）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽）（3）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点（4） 一点、两线、三区、五态一点、两线、三区、五态2。熟练掌握水蒸汽的热力性质、水定压汽化过程和水蒸汽的。熟练掌握水蒸汽的热力性质、水定压汽化过程和水蒸汽的 P-V图、图、T-S图图3。掌握水蒸汽表和利用水蒸汽表进行五态的相关基本计算。掌握水蒸汽表和利用水蒸汽表进行五态的相关基本计算4。掌握水蒸汽的。掌握水蒸汽的h-S图和基本热力
48、过程计算图和基本热力过程计算基本要求：基本要求：2014.9.13RTbvvap)(2范德瓦尔方程实际气体的热力学能和焓不仅是温度的函数，且与体积有关，所以比热容也是温度和体积的函数。Rccvp水蒸汽的热力学能、焓和熵通过查图和表求得。实际气体的状态方程：理想气体：RTpv )(Tuu 水蒸汽：-实际气体（不能用理想气体的状态方程）2014.9.13汽化和液化汽化蒸发沸腾饱和蒸汽饱和蒸汽饱和水饱和水饱和状态饱和状态相应的温度和压力称为饱饱和温度（和温度（ts）和饱和压力饱和压力，两者一一对应。 ts =f(P)2014.9.13容器中装有1kg水，MPap1 . 0C0atkgmva3001.
49、 00avpvTs100vabab100 xv100v cddc100vee2014.9.13ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavc d五个状态五个状态：（1）a：未饱和水：未饱和水（过冷水），t ts , 过热度t = t- ts , p、T 是独立的状态参数，单相均匀系= f ( p , T )。2014.9.13三个阶段：三个阶段：1）定压预热阶段定压预热阶段a-b：未饱和水变为饱和水。比液体热：2）定压汽化阶段定压汽化阶段b-c-d：饱和水变为干饱和蒸汽，既是定压又是定温的相变加热过程。比汽化潜热：3）定压过热阶段定压过热阶段d-e：饱和蒸汽变成过热蒸汽，比过热
50、热：Stooplassabhhdtcq0面积bssbdhhr 面积dsdeshhdtcqttpS 面积supssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavc d2014.9.13x=0 x=0 x=1x=1p0vsT0CC湿蒸汽区湿蒸汽区湿蒸汽区湿蒸汽区过热蒸汽区过热蒸汽区过热蒸汽区过热蒸汽区未饱和水区未饱和水区未饱和水区未饱和水区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、 饱和水的比体积随压力的升高略有增加，而饱和蒸汽的比体积则随压力的升高明显的减小。 4、临界点上的比汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完
