華北電力《工程熱力學(xué)》教案

《工程熱力學(xué)》教案

課程編號00300460總學(xué)時72|總學(xué)分5

先修課程高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理適合專業(yè)熱能與動力工程專業(yè)

所屬院系部能源與動力工程學(xué)院所屬教研室工程熱物理教研室

第一講緒論......................................................................1

0-1熱能及其利用.............................................................I

0-2熱力學(xué)發(fā)展簡史...........................................................1

0-3學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要意義.................................................1

0-4如何學(xué)好工程熱力學(xué).......................................................1

第二講基本概念1................................................................................................................................2

1-1熱力系統(tǒng).................................................................2

1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)...........................................................2

1-3平衡狀態(tài).................................................................3

第三講基本概念2................................................................................................................................4

1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程.......................................................4

1-6過程功和熱量.............................................................4

1-7熱力循環(huán).................................................................4

第四講熱力學(xué)第一定律1...................................................................................................................6

2-1熱力學(xué)第一定律的本質(zhì).....................................................6

2-2熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能..................................................6

2-3熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式................................................6

第五講熱力學(xué)第一定律2...................................................................................................................7

2-4開口系統(tǒng)能量方程.........................................................7

2-5穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例................................................7

第六講理想氣體的性質(zhì)1....................................................................................................................8

3-1理想氣體狀態(tài)方程.........................................................8

3-2比熱容....................................................................8

第七講理想氣體的性質(zhì)2..................................................................................................................10

3-3理想氣體的熱力學(xué)能、烙、端..............................................10

第八講理想氣體的性質(zhì)3..................................................................................................................12

3-4理想氣體混合物..........................................................12

第九講理想氣體的熱力過程1.........................................................................................................13

4-1研究熱力過程的目的及一般方法............................................13

4-2定壓、定容和定溫過程....................................................13

第十講理想氣體的熱力過程2.........................................................................................................15

4-3可逆絕熱過程............................................................15

4-4多變過程.................................................................15

第十一講熱力學(xué)第二定律1..............................................................................................................17

5-1熱力學(xué)第二定律..........................................................17

5-2卡諾循環(huán)與卡諾定理......................................................17

第十二講熱力學(xué)第二定律2.............................................................................................................19

5-3皤和熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式..........................................19

5-4場方程與孤立系統(tǒng)焙增原理...............................................20

第十三講熱力學(xué)第二定律3......................................................21

5-5系統(tǒng)的作功能力（火用）及嫡產(chǎn)與作功能力損失.............................21

第十四講熱力學(xué)第二定律4......................................................23

5-6火用平衡方程及火用損失.................................................23

第十五講實際氣體性質(zhì)及熱力學(xué)一般關(guān)系式1.....................................24

6-1理想氣體狀態(tài)方程用于實際氣體偏差.......................................24

6-2范德瓦爾方程和R-K方程.................................................24

6-3雄里（Virial）方程.......................................................24

6-4對應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖..............................................24

第十六講實際氣體性質(zhì)及熱力學(xué)一般關(guān)系式2.....................................25

6-5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)....................................................25

6-6熱力學(xué)能、焰和嫡的一般關(guān)系式............................................26

6-7比熱容的一般關(guān)系式......................................................26

第十七講水和水蒸氣的熱力性質(zhì)及熱力過程1.....................................27

7-1飽和溫度和飽和壓力......................................................27

7-2水定壓加熱汽化過程......................................................28

7-3水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)......................................................28

第十八講水和水蒸氣的熱力性質(zhì)及熱力過程2.....................................29

7-4水蒸氣圖表..............................................................29

7-5水蒸氣的基本過程........................................................29

第十九講氣體與蒸汽的流動1....................................................31

8-1穩(wěn)定流動的基本方程式....................................................31

8-2促使流速改變的條件......................................................31

第二十講氣體與蒸汽的流動2....................................................33

8-3噴管計算一流速計算及分析...............................................33

8-4噴管設(shè)計................................................................33

第二十一講氣體與蒸汽的流動3..................................................35

8-5有摩擦的絕熱流動........................................................35

8-6絕熱節(jié)流................................................................35

第二十二講壓氣機的熱力過程I..................................................36

9-1單級活塞式壓氣機工作原理和理論耗功量...................................36

9-2余隙容積的影響..........................................................36

第二十三講壓氣機的熱力過程2..................................................38

9-3多級壓縮和級間冷卻......................................................38

9-4葉輪式壓氣機工作原理....................................................38

第二十四講氣體動力循環(huán)1......................................................39

10-1分析動力循環(huán)的一般方法................................................39

10-2活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化.............................................39

10-3活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)................................................39

10-4活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較..................................40

第二十五講氣體動力循環(huán)2......................................................42

10-5燃?xì)廨啓C裝置循環(huán).......................................................42

10-6燃?xì)廨啓C裝置定壓加熱’實際循環(huán)..........................................42

2

10-7提高燃?xì)廨啓C裝置熱效率的熱力學(xué)措施....................................43

第二十六講蒸汽動力裝置循環(huán)1...................................................................................................44

11-1簡單蒸汽動力裝置循環(huán)...................................................44

第二十七講蒸汽動力裝置循環(huán)2...................................................................................................46

11-2再熱循環(huán)...............................................................46

11-3回?zé)嵫h(huán)...............................................................46

第二十八講蒸汽動力裝置循環(huán)3..................................................................................................48

11-4熱電合供循環(huán)...........................................................48

11-5燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)......................................................48

第二十九講制冷循環(huán).............................................................51

12-1逆向卡諾循環(huán)...........................................................51

12-2壓縮空氣制冷循環(huán).......................................................51

12-3回?zé)崾綁嚎s空氣制冷.....................................................52

12-4壓縮蒸汽制冷循環(huán).......................................................52

12-5熱泵循環(huán)...............................................................53

第三十講濕空氣1............................................................................................................................54

13-1概述....................................................................54

13-2相對濕度和含濕量.......................................................54

13-3濕空氣的燧-濕圖........................................................54

第三十一講濕空氣2........................................................................................................................56

13-4濕空氣過程及其應(yīng)用.....................................................56

第三十二講化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)1.......................................................................................................57

14-1概述....................................................................57

14-2熱力學(xué)第一定律在化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用....................................57

14-3絕熱理論燃燒溫度.......................................................58

第三十三講化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2.......................................................................................................59

14-4化學(xué)平衡與平澳常數(shù).....................................................59

14-5離解與離解度，平衡移動原理.............................................59

14-6化學(xué)反應(yīng)方向判據(jù)及平衡條件.............................................60

教案執(zhí)筆:

教案審核:

制定日期:

3

第二講基本概念1

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握工程熱力學(xué)的基本概念，狀態(tài)參數(shù)的微分和積分特性，基本狀態(tài)參數(shù)(p,T,v)的性質(zhì)

和計算，理解平衡和穩(wěn)定、平衡和均勻的關(guān)系。

二、教學(xué)重點

狀態(tài)參數(shù)的微分和積分特性及其應(yīng)用；絕對壓力的計算；熱力學(xué)絕對溫度和攝氏溫度的關(guān)系。

三、教學(xué)難點

狀態(tài)參數(shù)的微分特性：全微分。

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

1-1熱力系統(tǒng)

1.系統(tǒng)與邊界

熱力系統(tǒng)：人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。

系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：開口系、閉口系：非絕熱系、絕熱系：非絕功系、絕功系：非孤

立系、孤立系。

按物理化學(xué)性質(zhì)分：均勻系、非均勻系

按工質(zhì)種類分：單元系、多元系

按相態(tài)分：單相、多相

2.工質(zhì)

定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。

3.熱源

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。

1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)

狀態(tài)參數(shù)的積分特征；狀態(tài)參數(shù)的微分特征

強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)。如壓力p、溫度T

廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)?？杉有?/p>

1.壓力p

絕對壓力p

表壓力pe(pg)

真空度pv

當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b

常用單位：

lkPa=103Pa

1bar=l^Pa

lMPa=106pa

latm=760mmHg=1.013X10,Pa

1mmHg=133.3Pa

lmmH2O=9.81Pa

1at=Ikgf/cm2=9.80665X104Pa

2.溫度T

熱力學(xué)第零定律：如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處

于熱平衡。

溫度的熱力學(xué)定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同,

用于描述此宏觀特征的物理量稱為溫度。

2

常用溫標(biāo)：攝氏°C、華氏F、開氏K

3.比體積v

定義：單位質(zhì)量工質(zhì)的體積。又稱為比容。

1-3平衡狀態(tài)

1.定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系

統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

2,平衡與穩(wěn)定

穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定

3.平衡與均勻

平衡：時間上；均勻：空間上

平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的

4.狀態(tài)方程

狀態(tài)方程：基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T）之間的關(guān)系

狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)

5.坐標(biāo)圖

簡單可壓縮系N=2,平面坐標(biāo)圖

常見p-v圖和T-s圖

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：掛圖、模型、投影

3

第三講基本概念2

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握工質(zhì)的狀態(tài)變化過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程）的定義和條件，會計算可逆過程的功和

熱量，理解正向循環(huán)和逆向循環(huán)的性能指標(biāo)（熱效率、制冷系數(shù)、熱泵系數(shù)）。

二、教學(xué)重點

可逆過程的定義和實現(xiàn)條件；引入可逆過程概念的重要意義；功和熱量的計算；正向循環(huán)和

逆向循環(huán)的性能指標(biāo)（熱效率、制冷系數(shù)、熱泵系數(shù)）；在P-V圖上表示功和T-S圖表

示熱量。

三、教學(xué)難點

可逆過程的概念、P-V圖和T-S圖

六、教學(xué)內(nèi)容和要點

1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程

1.準(zhǔn)靜態(tài)過程

破壞平衡所需時間（外部作用時間）＞＞恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）

2.可逆過程

定義：系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留卜任何

痕跡，則此過程為可逆過程。

準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程

引入可逆過程的意義

1-6過程功和熱量

1.功的力學(xué)定義：力和在力方向上的位移的乘積

準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功

mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功：5W=pAdl=pdV

1kg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功：6w=pdv

2.熱量

定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。

符號約定：系統(tǒng)吸熱"+”；放熱

單位：J或kJ

熱量與T-s圖

1-7熱力循環(huán)

定義：熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。

正循環(huán)：順時針方向，凈效應(yīng)：對外作功、吸熱

熱效率：

二收益二凈功二W

”而一而為

逆循環(huán)：逆時針方向,凈效應(yīng)：對內(nèi)作功、放熱

1）制冷循環(huán)：制冷系數(shù)

二收益二吸熱二一

2）制熱循環(huán)（熱泵循環(huán)）：制熱系數(shù)、熱泵系數(shù)、供暖系數(shù)

4

收益二放熱二0

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：投影

5

第四講熱力學(xué)第一定律1

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)，熱力學(xué)能U和系統(tǒng)總能，掌握開口和閉口系統(tǒng)的能量方程

二、教學(xué)重點

熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)、格的定義及物理意義，能量方程。

三、教學(xué)難點

焰的物理意義；膨脹功、技術(shù)功、推動功、軸功（內(nèi)部功）的關(guān)系。

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

2-1熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)

本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用

修滋

要想得到功，必須花費熱能或其他能量。

熱一律又可表述為“第一類永動機是不可能制成的”

2-2熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能

U代表儲存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量。

內(nèi)儲存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能〉

包括：分子動能（移動、轉(zhuǎn)動、振動）

分子位能（相互作用）

核能

系統(tǒng)總能

E=U+Ek+E產(chǎn)U+mc2/2+mgz

2-3熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

閉口系能量方程的通式

mkg工質(zhì)3Q=dU+3W

Q=AU+W

1kg工質(zhì)8q=du+3w

q=Au+w

開口系能量方程的通式

mkg工質(zhì)3Q=dH+8W

Q=AH+W

1kg工質(zhì)8q=dh+8w（

q=Ah+wt

適用條件：1）任何工質(zhì)2）任何過程

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：幻燈

6

第五講熱力學(xué)第一定律2

一、教學(xué)目標(biāo)

穩(wěn)定流動能量方程及其應(yīng)用

二、教學(xué)重點

能量方程的應(yīng)用、絕熱節(jié)流和噴管的能量紡方程

三、教學(xué)難點

非穩(wěn)定流動的能量方程應(yīng)用，充氣問題、放氣問題

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

2-4開口系統(tǒng)能量方程

?*\(c2、.2+、?

Q=mh-\-------Fgz

2

27oul7in

穩(wěn)定流動能量方程

12

0=A/z+—Ac+Az+ws

適用條件：任何流動工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動過程

2-5穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例

應(yīng)用I：透平(Turbine)機械

ws="Ah=hi-h：>0

輸出的軸功是靠焰降轉(zhuǎn)變的

應(yīng)用2：壓縮機械

Ws="Ah=hi-h2<0

輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)檠娴?/p>

應(yīng)用3：換熱設(shè)備

g=△/?=4一九

應(yīng)用4：絕熱節(jié)流

hi=112

絕熱節(jié)流過程，前后h不變，但h不是處處相等

應(yīng)用5：噴管和擴壓管

,19.1

4十］C;=/?2+5C22

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法、

教學(xué)手段：投影

7

第六講理想氣體的性質(zhì)1

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握理想氣體狀態(tài)方程、理想氣體的比熱，比熱的基本關(guān)系式，熱量的計算

二、教學(xué)重點

理想氣體狀態(tài)方程、比熱的基本關(guān)系式，利用定值比熱計算熱量

三、教學(xué)難點

比熱的基本關(guān)系式

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

3-1理想氣體狀態(tài)方程

V=nRT

pV=mRoT

R與Rg的區(qū)別

R——通用氣體'常數(shù)(與氣體種類無美)R=83I45J/(kmol.k)

Rg=R/M

M-----摩爾質(zhì)量

3-2比熱容

定義：單位物品的物質(zhì)升高1K或PC所需的熱晶

c:質(zhì)量比熱容kJ/(kg.k)

Cm:摩爾比熱容kJ/(kg.k)

C:容積比熱容kJ/(Nm\k)

Cm=Mc=22.414C'

卜(乳二(乳

理想氣體比熱基本關(guān)系式

=-火

力

絲

=-力

8

】?按定比熱計算理想氣體熱容

2.利用真實比熱容積分

3.利用平均比熱容表

4.平均比熱直線式

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：投影

9

第七講理想氣體的性質(zhì)2

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握理想氣體的U、h、s的性質(zhì)和計算

二、教學(xué)重點

理想氣體的u、h、s的計算

三、教學(xué)難點

理想氣體的s參數(shù)的計算公式推導(dǎo)

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

3-3理想氣體的熱力學(xué)能、培、端

一.理想氣體的u

du=Cvdt=CvdT適用于理想氣體任何過程

1.cv=const△u=cvAt=CvAT

2.c、，為真實比熱

3.Cv為平均比熱

4.若為空氣，直接查附表

二.理想氣體的焰

h=uIpv=uIRT

三、理想氣體的燧

端的簡單引入

do=------〃，號

T

端的說明

1、嫡是狀態(tài)參數(shù)

2、端的物理意義：燧體現(xiàn)了可逆過程、傳熱的大小與方向

3、符號規(guī)定

系統(tǒng)吸熱時為正Q>0dS>0

系統(tǒng)放熱時為負(fù)Q<0dS<0

4、用途：判斷熱量方向、計算可逆過程的傳熱量

理想氣體的焙

cdTdv

ds=—v——+R—

Tv

_c*Tdp

TP

dvdp

=%—+，——

vp

若定比熱

10

△As=c.[In—+Kin—%

1v.

=C-lni-/?ln^-=rIn-^-Fc;ln-^-

PZ四P匕Pl

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法、實驗法

教學(xué)手段：儀器、投影

1!

第八講理想氣體的性質(zhì)3

一、教學(xué)目標(biāo)

掌握混合氣體的分壓力定律和分容積定律，各種成分的計算，分壓力的計算，平均氣體

常數(shù)和平均分子量的計算，混合氣體的質(zhì)量比熱和摩爾比熱。

二、教學(xué)重點

分壓力的概念和計算

三、教學(xué)難點

各成分之間的美系

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

3-4理想氣體混合物

一.混合氣體的分壓力定律和分容積定律

1.道爾頓分壓力定律

分壓力——組分氣體處在與混合氣體相同容積、相同溫度單獨對壁面的作用力。

P=S分壓力定律

2.分容積定律

分容積——組分氣體處在與混合氣體同溫同壓單獨占有的體積。

丫=￡匕分體積定律

二、混合氣體成分

I.質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.體積分?jǐn)?shù)

3.摩爾分?jǐn)?shù)

4.各成分之間的關(guān)系

a）Xj—CPj

-Rg混x_M

"JwW--X?--v?

5.分壓力的計算：Pi=X/

6.利用混合物成分求M混和Rg混

a）已知質(zhì)量分?jǐn)?shù)

b）已知摩爾分?jǐn)?shù)

7.混合氣體的比熱

Cp=Z%（r）

G=2＞凡（為

Cpm=ZxCpj￡T）

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：投影

12

第九講理想氣體的熱力過程1

一、教學(xué)目標(biāo)

以第一定律為基礎(chǔ)，理想氣體為工質(zhì)，分析定壓、定容、定溫過程中能量轉(zhuǎn)換、傳遞關(guān)系,

揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及熱量和功量的計算

二、教學(xué)重點

各個過程中功量的計算，各個熱力過程在P-V、T-S圖上的表示

三、教學(xué)難點

在T-S圖上區(qū)分定壓過程和定容過程

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

4-1研究熱力過程的目的及一般方法

2）方法和手段

求出過程方程及計算各過程初終態(tài)參數(shù)。

根據(jù)第一定律及理想氣體性質(zhì)計算過程中功和熱。

畫出過程的p-v圖及T-s圖，幫助直觀分析過程中參數(shù)間關(guān)系及能量關(guān)系。

4-2定壓、定容和定溫過程

一、定容過程（v二常數(shù)）

1.過程方程

n=±co匕=v2

RgEWPip、

V.1=—2—%/=——r—ri=—

P\P214

2.Au、Ah和As

AW=cv|；；（7；-7；）M=CpM-7；）

3.w、wt和q

w=1pdv-o

叱=一]＞礪=MP-P2)

q-Aw+w=Aw=(Tds-cv|^(7^—7])

二.定壓過程

1.過程方程

〃=0Px=P2

工=幺

工T2

13

2.Au、Ah和As

△〃=C幫億-I)△〃=c陰伍-1)

2dT

、fA、T、

As=14，于=入$=仆彳

3.w、wi和q

w-p(y2-vj“=0

q=A/?+wt=A/?=JTds=cp式(一()

三、定溫過程

I.過程方程

n=\T]=T2

PM

1二=(=不=小％=P2V2

og

2.△u、Ah和As

Aw=OA/?=0

As=f\?v—+/?,In—=>Av=/?,In—

JlTgv,sv,

3.w、wt和q

w-j〃du=j-^<lv=RQIn—

wt=一｛vd〃=-J1=-R<,(In—

心二+ih=+宏=>c\=處=R!

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法、實驗法

教學(xué)手段：投影

第十講理想氣體的熱力過程2

一、教學(xué)目標(biāo)

以第一定律為基礎(chǔ)，理想氣體為工質(zhì)，分析可逆絕熱過程和多變過程中能量轉(zhuǎn)換、傳遞關(guān)系,

揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及熱量和功量的計算。

二、教學(xué)重點

可逆絕熱過程中初終態(tài)參數(shù)的關(guān)系、功的計算

三、教學(xué)難點

在P-V圖上區(qū)分定溫線和可逆絕熱線、多邊比熱、多變過程在坐標(biāo)圖上的表示

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

4-3可逆絕熱過程

1.過程方程

pvk=const

2.初、終態(tài)之間的關(guān)系

PF：=%尺

尹M

3.Au>Ah和As

△〃二.|其心一T）=〃（n）一）

Ah=c^（T2-Ti）=h（T2）-h（Tl）

s2=5,Av=0

4.w、wl和q

/、一K-\

-Pl'

vv=|i>dv=j1-^-dv=pIv；j1-

K~\

K

=-A//=/2-/2=—j-/?（7；-7；）=^

wf=q-Ah12g

4-4多變過程

1.過程方程

pvn=const

2.初、終態(tài)之間的關(guān)系

PF：=

15

3.Au、Ah和As

AU=CV\^（T2-T^\h=c^（T2-Tx）

4.w、wl和q

RI

卬=消（1人;rrWY）

H-K、

q=-一I）

七、采用的教學(xué)方法和手段

八、教學(xué)方法：講述法、討論法

九、教學(xué)手段：投影

16

第十一講熱力學(xué)第二定律1

一、教學(xué)目標(biāo)

理解熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)，第一定律和第二定律的區(qū)別，掌握卡諾循環(huán)的定義，卡諾循環(huán)

熱效率的計算及指導(dǎo)意義。逆向卡諾循環(huán)的計算。掌握卡諾定理及其應(yīng)用。

二、教學(xué)重點

理解第二定律的實質(zhì)，卡諾循環(huán)熱效率的計算

三、教學(xué)難點

多熱源可逆循環(huán)的概念

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

5-1熱力學(xué)第二定律

一、自發(fā)過程的方向性

I）自發(fā)過程有方向也；

2）自發(fā)過程的反方向過程并非不可進行，而是要有附加條件：

憶一?-----1

/Ti

3）并非所有不違反第定律的過程均可進行。

二.第二定律的兩種典型表述

1.克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。

2.開爾文一普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機，只從一個熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為

功，而不在外界留下任何影響。

3.第二定律各種表述的等效性

證明1、違反開爾文表述導(dǎo)致違反克勞修斯表述。反證法：

證明2、違反克勞修斯表述導(dǎo)致違反開爾文表述。反證法：

三.關(guān)于第二類永動機：nk100%不可能

5-2卡諾循環(huán)與卡諾定理

法國工程師卡諾（S.Carnot）1824年提出卡諾循環(huán)

一.卡諾循環(huán)及其熱效率

1.卡諾循環(huán)

利用兩個熱源，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱組成的熱機循環(huán)。

2.卡諾循環(huán)熱機效率

可見：

T7；或J7；fa,T

17

Tx*co,7^￥0,w1

（二一k=。

卡諾循環(huán)的有關(guān)結(jié)論對工程時間有著非常重要的指導(dǎo)意義！卡諾循環(huán)指明了一切熱機提

高熱效率的方向。

二.逆向卡諾循環(huán)

三.概括性卡諾循環(huán)

四.卡諾定理

定理1：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率

都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪種工質(zhì)也無關(guān)。

定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效

率必小于可逆循環(huán)熱效率，

五.多熱源可逆循環(huán)

1.平均吸（放）熱溫度

2.多熱源可逆循環(huán)的熱效率

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：投影

18

第十二講熱力學(xué)第二定律2

一、教學(xué)目標(biāo)

端的概念的領(lǐng)悟及嫡參數(shù)的導(dǎo)出，了解克勞修斯積分不等式，掌握烯方程和孤立系統(tǒng)燔增原

理

二、教學(xué)重點

嫡的概念，燧方程，孤立系統(tǒng)燧增原理

三、教學(xué)難點

端的概念及其導(dǎo)出方法，孤立系統(tǒng)燧增原理的應(yīng)用

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

5-3墻和熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式

一.烯參數(shù)的導(dǎo)出.

汛_見=0軀=0

［川丁入Trj

里=0

『婀=0即a=0

J(JT

令ds=^\Rs即為狀態(tài)參數(shù)

二.克勞修斯枳分不等式

ds?名

Tr

中。

三不可逆過程嫡差計算

19

即設(shè)計一組或一個初、終態(tài)與不可逆過程相同的可逆過程，計算該組可逆過程的熠差即

可。

5-4端方程與孤立系統(tǒng)嫡增原理

一.端方程

1.燧流與燃產(chǎn)

對于任意微元過程有

dSN辿

T

=：可逆過程〉：不可逆過程

一流:

T

燧產(chǎn)：純炸由不可逆因素引起

dSO,>0

dS=%+dS&AS=ASr+△工

結(jié)論：烯產(chǎn)是過程不可逆性大小的度量。

2.炳方程

考慮系統(tǒng)與外界發(fā)生質(zhì)量交換，系統(tǒng)懶變除（熱）端流，燧產(chǎn)外，還應(yīng)有質(zhì)量遷移引

起的質(zhì)牖流，所以嫡方程應(yīng)為：

流入系統(tǒng)烯-流出系統(tǒng)嫡+熠產(chǎn)=系統(tǒng)滴增

孤立系統(tǒng)燧增原理：

孤立系統(tǒng)的焰只能增大，或者不變，絕不能減小，這一規(guī)律稱為孤立系統(tǒng)婚增原理。

如果把系統(tǒng)和有關(guān)的周圍物質(zhì)一起作為一個孤立系統(tǒng)，同時考慮系統(tǒng)和有關(guān)的周圍物質(zhì)

焙的變化，則可以更好地說明過程的方向性，從而突出地反映熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)。

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段：投影、幻燈

20

第十三講熱力學(xué)第二定律3

一、教學(xué)目標(biāo)

理解能量評價的正確指標(biāo)，理解火用的定義，掌握做功能力損失與烯產(chǎn)之間的關(guān)系

二、教學(xué)重點

穩(wěn)定流動工質(zhì)的作功能力，焙火用，做功能力損失與嫡產(chǎn)之間的關(guān)系

三、教學(xué)難點

火用的定義，冷量火用

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

引言1：哪個參數(shù)才能正確評價能的價值

三種不同品質(zhì)的能量

1、可無限轉(zhuǎn)換的能量：理論上可以完全轉(zhuǎn)換為功的能量高級能量

2、不能轉(zhuǎn)換的能量：理論上不能轉(zhuǎn)換為功的能量

3、可有限轉(zhuǎn)換的能量：理論上不能完全轉(zhuǎn)換為功的能量低級能量

5-5系統(tǒng)的作功能力（火用）及燃產(chǎn)與作功能力損失

系統(tǒng)與外界有不平衡存在，即具備作功能力，作功能力也可稱為有效能，可川能等。

一.熱源熱量的可用能

熱源傳出的熱量中理論上可轉(zhuǎn)化為最大有用功的能量。

%=1一',

\Ih）

討論：

1）qa是環(huán)境條件下熱源傳出熱量中可轉(zhuǎn)化為功的最高分額，稱為熱量火用：

2）qun是理想狀況下熱量中仍不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠郑菬崮艿囊环N屬性，環(huán)境條件和

熱源確定后不能消除減少稱為熱量火無；

3）與環(huán)境有溫差的熱源傳出的熱量具備作功能力，但循環(huán)中排向低溫?zé)嵩吹臒崃课?/p>

必是廢熱，而環(huán)境介質(zhì)中的內(nèi)熱能全部是廢熱c

4）qa與熱源放熱過程特征有關(guān)，因此qa從嚴(yán)格意義上講不是狀態(tài)參數(shù)

二、冷量的Ex與An

冷量的Ex與An的說明

Ey="AS-Q2AnQ：=T^S

冷量Ex可理解為：

T<T°,肯定是對其作功才形成的，而這個功（就是Ex）就儲存在冷量里了。

實際上，只要系統(tǒng)狀態(tài)與環(huán)境的狀態(tài)有差別，就有可能對外作功，就有Ex。

三.定質(zhì)量物系的作功能力

工質(zhì)的作功能力——工質(zhì)因其狀態(tài)不同于環(huán)境而具備的作功能力。通常是指系統(tǒng)只與環(huán)

境交換熱量可逆過渡到與環(huán)境平衡狀態(tài)作出的最大理論有用功。

%皿=〃o一"（$一$0）+Po[一%）

討論：

1）相對于Po,To,Wu.max是狀態(tài)參數(shù)，稱之為熱力學(xué)能火用，用&.U（eX,U）表示。

21

2）從狀態(tài)1到狀態(tài)2,閉口系的最大有用功。

3）p<pO,T〈TO時物系的作功能力

4）因為是最大有用功，所以必須一切過程可逆；最終向環(huán)境排熱。

四.穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力

即也-%-TOGF）

五.埼產(chǎn)與系統(tǒng)作功能力（火用）損失

1.兩個特例

2.閉口系作功能力（火用）損失

上砥

3.穩(wěn)流開系作功能力（火用）損失

/=

五、采用的教學(xué)方法和手段

教學(xué)方法：講述法、討論法

教學(xué)手段；投影

22

第十四講熱力學(xué)第二定律4

一、教學(xué)目標(biāo)

火用平衡方程及火用損失

二、教學(xué)重點

火用平衡方程

三、教學(xué)難點

火用損失計算

四、教學(xué)內(nèi)容和要點

5-6火用平衡方程及火用損失

一.概念推廣

機械能-機械火用用Ex,w（ex,w）表示

熱（冷）量的可用能-熱量火用用Ex,Q（ex,Q）表示

"u="-+Po（L%）-"（S-S°）

S,H=力一%一"卜一”）

ev.Q=0f）

說明：物系熱力學(xué)能和熱能轉(zhuǎn)換成機械能時均有一部分——ToAs不可轉(zhuǎn)化，這一不可

轉(zhuǎn)化部分與To及