工程熱力學-工程師培訓

1、工程熱力學基礎工程熱力學基礎要求：要求： 熱力系統(tǒng)、工質、功、熱量、內能和熵等概念，熱力系統(tǒng)、工質、功、熱量、內能和熵等概念，理想氣體和卡諾循環(huán)等。理想氣體和卡諾循環(huán)等。 熱力學第一和第二定律，圖和圖，熱力學第一和第二定律，圖和圖，理想氣體的熱力過程和發(fā)動機的理想循環(huán)。理想氣體的熱力過程和發(fā)動機的理想循環(huán)。 傳熱學：熱量傳遞方式、物質的導熱特性 第一節(jié)第一節(jié) 氣體的狀態(tài)及狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)及狀態(tài)方程一、熱力系統(tǒng)一、熱力系統(tǒng)1 1、在熱力學中，從若干個物體、在熱力學中，從若干個物體中規(guī)劃出所要研究的對象，稱中規(guī)劃出所要研究的對象，稱為為熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)；熱力系熱力系外界外界界面界面2 2、工質：

2、、工質：在熱力設備中用來實現(xiàn)熱能與其它在熱力設備中用來實現(xiàn)熱能與其它形式的能量交換的物質。形式的能量交換的物質。熱力設備通過工質狀態(tài)的變化實現(xiàn)與外界的熱力設備通過工質狀態(tài)的變化實現(xiàn)與外界的能量交換。能量交換。二、熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)二、熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)1 1、熱力狀態(tài)：、熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。宏觀物理狀況。熱力平衡狀態(tài)：熱力平衡狀態(tài)：當外界條件不變系統(tǒng)內狀態(tài)長時當外界條件不變系統(tǒng)內狀態(tài)長時間不變，即具有均勻一致的間不變，即具有均勻一致的P P、V V、T T。2 2、狀態(tài)參數(shù)：、狀態(tài)參數(shù)：用來描述氣體熱力狀態(tài)的物理量用來描述氣體熱力狀態(tài)的物

3、理量基本狀態(tài)參數(shù)：基本狀態(tài)參數(shù)：可直接測量的狀態(tài)參數(shù)，包括：可直接測量的狀態(tài)參數(shù)，包括：壓力壓力(P)(P)、比容、比容()()、溫度、溫度(T)(T)。主要狀態(tài)參數(shù)：主要狀態(tài)參數(shù)：壓力壓力P P、比容、比容、溫度、溫度T T、內能、內能、熵、熵、焓焓。基本狀態(tài)參數(shù)：基本狀態(tài)參數(shù)：1 1、比容、比容 ：m m3 3/kg/kg 。定義：定義：單位質量的物質所占的容積：單位質量的物質所占的容積： =V/M=V/MV-V-物質的容積物質的容積,m,m3 3; M-; M-物質的質量，物質的質量， kgkg。比容的倒數(shù)是？比容的倒數(shù)是？2 2、壓力、壓力P P ：PaPa，MpaMpa、kPakPa

4、。定義：定義：系統(tǒng)單位面積上受到的垂直作用力。系統(tǒng)單位面積上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 壓力的測量壓力的測量3 3、溫度、溫度T T ：K K。定義：定義：表征物體的冷熱程度表征物體的冷熱程度（氣體分子的平均氣體分子的平均動能越大）動能越大）三、理想氣體的狀態(tài)方程三、理想氣體的狀態(tài)方程 1 1、理想氣體：、理想氣體：氣體分子本身不占有體積，分子之間氣體分子本身不占有體積，分子之間無相互作用力的氣體。無相互作用力的氣體。 2 2、理想氣體的狀態(tài)方程：、理想氣體的狀態(tài)方程： P=RT PV= mRT P=RT PV= mRT 或或PV= nRT PV= nRT 對空氣，對空氣

5、，R=0.287kJ/kgR=0.287kJ/kgK 1K 1摩爾理想氣體在零攝摩爾理想氣體在零攝氏度和氏度和1 1標準大氣壓下的體積，等于標準大氣壓下的體積，等于22.413822.413810103 3米米3 3/ /摩爾。普適氣體常數(shù)摩爾。普適氣體常數(shù) R=8.31441R=8.31441焦耳焦耳/ /摩爾摩爾開開 3 3、壓容圖、壓容圖 氣體的狀態(tài)也可用氣體的狀態(tài)也可用P-VP-V圖上的一個點圖上的一個點表示，比較直觀。表示，比較直觀。 【摩爾質量摩爾質量】常稱為克分子量。一定質量的某種物質，如果用克作質量的單位，其數(shù)值恰好等于該物質的分子量的大小時，那么，這一定數(shù)值的質量就叫做1“摩

6、爾質量”。例如，碳是單原子分子，因此12克的碳就稱為1摩爾質量的碳；氧是雙原子分子，即由兩個氧原子組成一個氧分子，因此，32克的氧就稱為1摩爾質量的氧；氫也是雙原子分子，因此2克的氫也稱為1摩爾質量的氫。 在相同的溫度和壓力下，濕空氣比干空氣的密度大? 大氣壓（濕空氣壓力）=干空氣分壓+水蒸氣分壓 在熱力學中，常溫常壓下的干空氣可認為是理想氣體。而濕空氣中的水蒸氣由于處于過熱狀態(tài)，而且數(shù)量很少，分壓力很低，比容較大，可近似地當作理想氣體。第二節(jié)第二節(jié) 熱力過程及過程量熱力過程及過程量 一、熱力過程一、熱力過程 熱力系統(tǒng)從一個平衡狀熱力系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的變態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的變

7、化歷程。化歷程。 P-VP-V圖上圖上, ,一個點表示一個點表示氣體的一個熱力狀態(tài)氣體的一個熱力狀態(tài); ;一條曲線表示一個熱一條曲線表示一個熱力過程。力過程。二、膨脹功二、膨脹功（）（）氣體在熱力過程中由于體氣體在熱力過程中由于體積發(fā)生變化所做的功（又積發(fā)生變化所做的功（又稱為稱為容積功容積功）規(guī)定：規(guī)定：熱力系統(tǒng)對外界做功為正，外界對熱熱力系統(tǒng)對外界做功為正，外界對熱力系統(tǒng)做功為負。力系統(tǒng)做功為負。由由W=PdVW=PdV得：得： dVdV00，膨脹，膨脹,W0,W0， 系統(tǒng)對外界做功；系統(tǒng)對外界做功； dVdV00，壓縮，壓縮,W0,W0,W0壓縮壓縮,W0,W0,Q0,0,Q0,吸熱吸熱

8、; ;dsds0,Q0,0,Q0放熱放熱Q0【熱力學第零定律熱力學第零定律】 若兩個熱力學系統(tǒng)中的任何一個系統(tǒng)都和第三個熱力學系 統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么，這兩個熱力學系統(tǒng)也必定處于熱平衡。 熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。 溫度相等是熱平衡之必要的條件。 一、熱力學第一定律一、熱力學第一定律表述為表述為：當熱能與其它形式的能量相互轉換時，能的總當熱能與其它形式的能量相互轉換時，能的總量保持不變。量保持不變。對于一個熱力系統(tǒng)：對于一個熱力系統(tǒng)： 進入系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量- -離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 = =系統(tǒng)內部儲存能量的變化量系統(tǒng)內部儲存能量的變化量熱力學第一定律是能量轉換與守恒定

9、律在熱力學上的具體應用，熱力學第一定律是能量轉換與守恒定律在熱力學上的具體應用，它闡明了熱能和其它形式的能量在轉換過程中的守恒關系。它闡明了熱能和其它形式的能量在轉換過程中的守恒關系。 它表達工質在受熱作功過程中，熱量、作功和內能三者之間的平它表達工質在受熱作功過程中，熱量、作功和內能三者之間的平衡關系。衡關系。第三節(jié)第三節(jié) 熱力學第一定律熱力學第一定律二、內能二、內能- -工質內部所具有的各種能量總稱工質內部所具有的各種能量總稱宏觀能量包括：宏觀能量包括：微觀能量即系統(tǒng)的微觀能量即系統(tǒng)的內能內能，包括：，包括：宏觀能量宏觀能量微觀能量微觀能量內動能內動能內位能內位能內位能內位能與分子間的距離

10、、吸引力有關與分子間的距離、吸引力有關, ,是比容的函數(shù)是比容的函數(shù)；內動能內動能包括移動動能、轉動動能和振動動能，包括移動動能、轉動動能和振動動能，是溫度的單是溫度的單值函數(shù)。值函數(shù)。對于理想氣體，不考慮分子間的位能，故內能只對于理想氣體，不考慮分子間的位能，故內能只是分子的內動能，僅與溫度有關，是分子的內動能，僅與溫度有關，是溫度的單值函是溫度的單值函數(shù)數(shù)，用符號用符號u u表示，單位表示，單位J J。系統(tǒng)本身所具有的能量包括：系統(tǒng)本身所具有的能量包括：動能動能位能位能機械能機械能三、閉口系統(tǒng)的能量方程三、閉口系統(tǒng)的能量方程1 1、定義、定義: : 與外界沒有質量交換的系統(tǒng)。與外界沒有質量

11、交換的系統(tǒng)。 2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W對于微元過程：對于微元過程：Q=dUQ=dU+W+W對于對于1kg1kg工質：工質：q=u+w q=u+w （/Kg)/Kg)閉口系統(tǒng)能量方程閉口系統(tǒng)能量方程以上各項均為代數(shù)值，可正可負或零，且以上各項均為代數(shù)值，可正可負或零，且不受過程的性質和工質性質的限制。不受過程的性質和工質性質的限制。焓 H=U+pV 焓=流動內能+推動功焓H沒有明確的物理意義：表示流動工質所具有的能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量在大氣內進行的化學反應，壓強一般保持常值，則有H = U + pV規(guī)定放熱反應的焓取負值。 熵S為系

12、統(tǒng)的混亂度 dH=dHTdSVdp 四、理想氣體的比熱四、理想氣體的比熱1 1、比熱的定義和單位、比熱的定義和單位熱容量：熱容量：向熱力系統(tǒng)加熱（或取熱）使之溫度向熱力系統(tǒng)加熱（或取熱）使之溫度升高（或降低）升高（或降低）1K1K所需的熱量所需的熱量, ,用用C C表示。表示。比熱：比熱：單位質量工質的熱容量，用單位質量工質的熱容量，用c c表示。即表示。即c=C/m c=C/m 單位單位J/(kgKJ/(kgK）或）或c=dq/dTc=dq/dT（單位質量的物質（單位質量的物質作單位溫度變化時吸放的熱量）作單位溫度變化時吸放的熱量） 2 2、比熱與過程的關系、比熱與過程的關系功量和熱量都是過

13、程量，故比熱與過程有關。功量和熱量都是過程量，故比熱與過程有關。熱力過程中最常見的加熱過程是保持壓力不變熱力過程中最常見的加熱過程是保持壓力不變和容積不變，因此比熱也相應的分為和容積不變，因此比熱也相應的分為定壓質量定壓質量比熱比熱和和定容質量比熱定容質量比熱，分別以符號，分別以符號c cP P 和和c c 表表示。絕熱指數(shù)：示。絕熱指數(shù)：K= cK= cP P / c / c 3 3、比熱與氣體性質、溫度的關系、比熱與氣體性質、溫度的關系 實驗證明，多數(shù)氣體的比熱隨溫度的升高而增大，實驗證明，多數(shù)氣體的比熱隨溫度的升高而增大，但為使計算簡便，不考慮比熱隨溫度的變化，即但為使計算簡便，不考慮比

14、熱隨溫度的變化，即采用定采用定值比熱（或定比熱）值比熱（或定比熱）。 五、理想氣體內能的計算五、理想氣體內能的計算 在保持系統(tǒng)容積不變的加熱過程中，加熱量為：在保持系統(tǒng)容積不變的加熱過程中，加熱量為： q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由熱力學第一定律由熱力學第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1) )內能是一狀態(tài)量，與熱力過程無關，且理想氣體的內內能是一狀態(tài)量，與熱力過程無關，且理想氣體的內能只是溫度的函數(shù)，故上述公式適用于任何熱力過程能只是溫度的函數(shù)，故上述公式適用于任何熱力過程。且且 w =0w =0，第四節(jié)第四節(jié) 理想氣

15、體的熱力過程理想氣體的熱力過程工程熱力學把熱機循環(huán)概括為工質的熱力循環(huán)，熱力循環(huán)分成幾個工程熱力學把熱機循環(huán)概括為工質的熱力循環(huán)，熱力循環(huán)分成幾個典型的熱力過程典型的熱力過程定容、定壓、定溫和絕熱定容、定壓、定溫和絕熱稱為基本熱力過程。稱為基本熱力過程。一、定容過程一、定容過程1 1、定義：、定義：過程進行中系統(tǒng)的容積（比容）保持不變過程進行中系統(tǒng)的容積（比容）保持不變的過程。的過程。2 2、過程方程式：、過程方程式：=常數(shù)常數(shù)3 3、參數(shù)間的關系：、參數(shù)間的關系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2, , P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 2即：加入工質的

16、熱量全即：加入工質的熱量全部轉變?yōu)楣べ|的內能。部轉變?yōu)楣べ|的內能。由由 PV=RTPV=RT 知，知，P/T=P/T=常數(shù)常數(shù)，所以：所以：5 5、過程曲線、過程曲線等容加熱等容加熱溫度升高溫度升高等容放熱等容放熱溫度降低溫度降低二、定壓過程二、定壓過程 1 1、定義：、定義：過程進行中系統(tǒng)的壓力保持不變。過程進行中系統(tǒng)的壓力保持不變。 2 2、過程方程式：、過程方程式：P=P=常數(shù)常數(shù)3 3、參數(shù)間的關系：、參數(shù)間的關系：由由/T=/T=常數(shù)常數(shù) 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 2由熱力學第一定律：由熱力學第一定律：c cp p=c=c+

17、R+ R 邁耶公式邁耶公式c cp p/c/c=k=k絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)5 5、過程曲線、過程曲線等壓加熱等壓加熱對外做功對外做功溫度升高溫度升高21等壓放熱等壓放熱對內做功對內做功溫度降低溫度降低2T-s圖上，等壓曲線要比等容曲線平坦（說明在達到相同氣體溫圖上，等壓曲線要比等容曲線平坦（說明在達到相同氣體溫度下，定壓過程要比定容過程吸收更多的熱量）。度下，定壓過程要比定容過程吸收更多的熱量）。三、定溫過程三、定溫過程1 1、定義：、定義：過程進行中系統(tǒng)的溫度保持不變過程進行中系統(tǒng)的溫度保持不變的過程。的過程。2 2、過程方程式：、過程方程式： T=T=常數(shù)常數(shù)3 3、參數(shù)間的關系：、參數(shù)間的關

18、系： P=RT=P=RT=常數(shù)常數(shù)P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、過程量的計算、過程量的計算： T=常數(shù)常數(shù) 所以所以 u=0由由 q=w+ u可得：可得： q=w加入系統(tǒng)的熱量全部轉換為系統(tǒng)對外界做的功。加入系統(tǒng)的熱量全部轉換為系統(tǒng)對外界做的功。5 5、過程曲線、過程曲線等溫壓縮等溫壓縮對外放熱對外放熱等溫膨脹等溫膨脹 吸熱吸熱22四、絕熱過程四、絕熱過程 1 1、定義：、定義：過程進行中系統(tǒng)與外界沒有熱量的傳遞過程進行中系統(tǒng)與外界沒有熱量的傳遞（ q=0 s= q/T=0，故也稱定熵過程，故也稱定熵過程 ）。）。 2 2、過程方程式：、過程方程式：PvPvk k= =常數(shù)常

19、數(shù)（推導略）（推導略） K= c cp p/c/c：絕熱指數(shù)：絕熱指數(shù)即：外界對系統(tǒng)所做的功全部用來增加系統(tǒng)的內能。即：外界對系統(tǒng)所做的功全部用來增加系統(tǒng)的內能。5 5、過程曲線、過程曲線絕熱壓縮絕熱壓縮溫度升高溫度升高絕熱膨脹絕熱膨脹溫度降低溫度降低 五、多變過程五、多變過程 在實際的熱力過程中，在實際的熱力過程中，P P、T T的變化的變化和熱量的交換都存在，不能用上述某一特殊和熱量的交換都存在，不能用上述某一特殊的熱力過程來分析，需用一普遍的、更一般的熱力過程來分析，需用一普遍的、更一般的過程即的過程即多變過程多變過程來描述。來描述。 1 1、過程方程式、過程方程式：PvPvn n= =

20、常數(shù)常數(shù)n:n:多變指數(shù)。多變指數(shù)。 等壓過程；等壓過程；n=1,Pv=n=1,Pv=常數(shù)常數(shù) 等溫過程；等溫過程；n=k,Pvn=k,Pvk k= =常數(shù)常數(shù)絕熱過程；絕熱過程；n=,v=n=,v=常數(shù)常數(shù) 等容過程。等容過程。n=0,P=n=0,P=常數(shù)常數(shù)2 2、各過程在、各過程在P-vP-v圖上的比較圖上的比較等壓線等壓線:壓力升高部分壓力升高部分壓力降低部分壓力降低部分等容線等容線: :膨脹部分膨脹部分壓縮部分壓縮部分等溫線等溫線: :溫度升高部分溫度升高部分溫度降低部分溫度降低部分絕熱線絕熱線: :吸熱部分吸熱部分放熱部分放熱部分n=1n=1n=kn=kn=n= nW0WQQ2m2

21、mQQ2v2v所以：所以： tvtvtmtmtptp三、活塞式內燃機理想循環(huán)的比較三、活塞式內燃機理想循環(huán)的比較1 1、在等壓縮比、在等壓縮比 、等加熱量、等加熱量Q1條件下條件下2 2、在循環(huán)的最高溫度、最高壓力相同的條件下、在循環(huán)的最高溫度、最高壓力相同的條件下在在T-ST-S圖上比較三種循圖上比較三種循環(huán)的加熱量和放熱量，環(huán)的加熱量和放熱量，可以看出：可以看出： 放熱量放熱量q q2 2都相同，而都相同，而加熱量為：加熱量為： Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 實際內燃機中，由實際內燃機中，由于壓縮比選取的不同，于壓縮比選取的不同，有：有：tmtm tptptvtv熱力系統(tǒng)的分

22、類熱力系統(tǒng)的分類（據(jù)界面上物質和能力交換的情況分）（據(jù)界面上物質和能力交換的情況分） 閉口系統(tǒng)：閉口系統(tǒng)：與外界無質量交換的系統(tǒng)；與外界無質量交換的系統(tǒng)； 開口系統(tǒng)：開口系統(tǒng)：與外界有質量交換的系統(tǒng)；與外界有質量交換的系統(tǒng)； 絕熱系統(tǒng)：絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換的系統(tǒng)；與外界無熱量交換的系統(tǒng)； 孤立系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)：與外界即無質量交換，又無與外界即無質量交換，又無 熱量交換的系統(tǒng)。熱量交換的系統(tǒng)。壓力的測量壓力的測量 當系統(tǒng)的壓力高當系統(tǒng)的壓力高于大氣壓力時，于大氣壓力時， 用用壓力表壓力表測量測量。P=PP=Pb b+P+Pg g P: P:系統(tǒng)壓力系統(tǒng)壓力（絕對壓力）；（絕對壓力）；P Pb

23、 b: :大氣壓力；大氣壓力；P Pg g: :表壓力（壓力表壓力（壓力表讀數(shù)）。表讀數(shù)）。壓力的測量壓力的測量當系統(tǒng)的壓力低于當系統(tǒng)的壓力低于大氣壓力時，用大氣壓力時，用真真空表空表測量。測量。P=Pb-Pv PvPv：真空表讀數(shù)：真空表讀數(shù)。由于表壓力和真空由于表壓力和真空度隨大氣壓力的變化度隨大氣壓力的變化而變化，而變化，所以只有絕所以只有絕對壓力才能作為系統(tǒng)對壓力才能作為系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。的狀態(tài)參數(shù)。濕度 絕對濕度：一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質量，克/立方米。 相對濕度相對濕度：水蒸氣的飽和度有多高。相對濕度為100%的空氣是飽和的空氣。在一定溫度和壓力下，絕對濕度和飽和絕對濕度之比

24、稱為該溫度下的相對濕度。 在同樣多的水蒸氣的情況下溫度升高相對濕度就會降低。因此在提供相對濕度的同時也必須提供溫度的數(shù)據(jù)。通過相對濕度和溫度也可以計算出露點。 含濕量d單位質量干空氣的濕空氣所含有的水蒸氣的質量。單位g/kg(干空氣)?！韭饵c露點】 空氣中的水蒸氣由于冷 卻而達到飽和時的溫度。 當氣溫與露點的差值越小，表示空氣越接近飽和，空氣的相對濕度則越高。例如，在某一氣壓下，測得空氣的溫度是20，露點是12，從表中查到20時的飽和蒸汽壓為2328Pa（17.54毫米汞柱），12時的飽和蒸汽壓為1402.3Pa（10.52毫米汞柱） 空氣的相對濕度60 當大氣的相對濕度大時露點高，相對濕度小則露點低。傳熱 傳熱的基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射 熱傳導：不涉及物質轉移，熱量從高溫傳遞給相接觸的低溫，簡稱導熱。 熱對流：不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。 熱輻射：物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。熱量可以在真空 中直接傳遞。 每一物體都具有與其絕對溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環(huán)境對它的輻射熱。輻射和吸 收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。 導熱系數(shù) 1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（K,C）,在1小時內，通過1平方米面積傳遞的熱