工程热力学第三版 沈维道编 课件第1和第2章
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两个独立的状态参数即可确定一个状态三坐标图pv图ts图15工质的状态变化过程一准平衡过程准静态过程相对缓慢工质再平衡破坏后自动恢复平衡所需时间又很可逆过程
第一章 基本概念 1－1 热能在热机中转变成机械能的过程 燃料——热能——动力 热能动力装置： 1蒸汽动力装置； 2燃气动力装置 工质：实现热能——机械能转化的媒介 高温热源（热源）：工质从中吸取热能的物系 低温热源（冷源）：接受工质排除热能的物系 热能动力装置工作过程：工质从热源获得热能， 做功，排除余下的热能给低温热源。
二状态方程式 T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,t) F=F(p,v,T) 三坐标图 p-v图，T-s图 1－5 工质的状态变化过程 一准平衡过程（准静态过程） 相对缓慢，工质再平衡破坏后自动恢复平衡所需时间又很 短。 工质与外界的压力差无限小；温差无限小。 二 可逆过程和不可逆过程
二、压气机：动能差和势能差忽略 wc=-wi=(h2-h1)+(-q)=-wt 三、换热器：无功的交换 q=h2-h1 四、管道：
• 在分析中，取其进、出口截面间的流体为热力 系，并假定流动是稳定的。喷管实际流动过程 的特征是：气流迅速流过喷管，其散热损失甚 微，可认为Q =0；气流流过喷管时无净功输入 或输出，Wnet=0；进、出口气体的重力位能差 可忽略， 。将上述条件代入得到:对1kg流体 而言，（cf22-cf12)/2=h1-h2 • 喷管中气流宏观动能的增加是由气流进、出口 焓差转换而来。
边界：实际的或假想的；不动的和变形的。 闭口系：只有能量交换而无物质交换，又叫控制质量。 开口系：即有物质交换又有能量交换。又叫控制容积。 绝热系统：与外界无热量交换。 孤立系统：即无物质交换又无能量交换。 简单可压缩系：最常见的热力系，由可压缩流体构成，与 外界功的交换只有容积变化功。 1－3 工质的热力学状态及其基本状态参数 热力学状态：某一瞬间宏观物理状况，压力 P、温度 T 、 体积V、热力学能U、焓H、熵S。 一温度 微观：物质分子运动的积累程度。Mc2/2=BT t=T-273.15k
2－5基本能量方程式
• 对于可逆过程：δQ=dU+pdV
Q U pdV
1 2
q u pdv
1
2
对于循环： Q dU W
Q W
讨论： 1. 公式中热量、功量是代数值。 2. 量纲要统一。 3. 初终状态应是平衡态。 4. 物理意义：真正反映了热功转换，它表明加给 系统的热 量一部 分用于增加工质的热力学能，仍以热 能的形式储存于工质内部，余下的一部分以做功的方式 传递给外界，转化为机械能。
推动功
• • • • • • • • • 推动功：工质在开口系流动而传递的功 工质传递推动功不会有能量形式的变化 2－4、焓 H=U+pV 单位J, 比焓 h=u+pv 单位J/kg dh 0 H=u+pv=f(p,v)=f(p,T)=f(T,v)
2－5基本能量方程式
• 进入系统的能量－离开系统的能量＝系 统中储存的能量的增加 • 闭口系：Q-W=△u =U2-U1 • Q= △U +W • δQ=dU+dW • 对于1kg工质：δq=du+dw • q= △ u+w
稳定流动能量方程式
• • • • • q- △ u= △ cf2/2+g △ z+ △(pv)+wi 技术功：wt=wi+(cf22/2- cf12/2)+g(z2-z1) 由于q- △ u= w 则wt=w-(p2v2-p1v1) 对于可逆过程：
2 1
w p v v t pdv 1 1 p 2 2 pdv d(pv ) v dp
• Qnet=Wnet • qnet=wnet
• • • • •
2-6、开口系统能量方程式 一、开口系能量方程式 进入－离开＝增量 二、稳定流动能量方程式 任意截面上的一切参数不随时间而变
一．稳定流动及实现条件 1. 定义：系统内各点参数（包括热力参数和 流速）不随时间变化的流动。 2.实现 ： （1）物质的相互作用不随时间变化。 （2）能量的相互作用不随时间变化。 （3）进出口的状态参数不随时间变化。 3. 一维稳态流动
• 节流：不可逆；设流动绝热，动能差和 势能差忽略，不对外作功 • h1=h2
• 气体在进出口的重力位能之差甚微，也可忽略 即 。将上述条件代入，得到气体流经气轮机时 的能量方程式为
•
Wnet =H1-H2
• 流过气轮机的每 • 1kg流体作净功 • wnet=h1-h2 • 可见，在气轮机中气流对外输出的净功量(此 时即轴功)，等于其进出口焓的差值。
• •
• • • • •
二压力 压强：大量分子撞击器壁的结果。 p=pb+pe p=pb-pv 1Pa=1N/m2 三比体积及密度 v=m/V 1-4 平衡状态、状态方程、坐标图 平衡状态：不受外界影响的情况下，系统状态始终保持不 变。 热力平衡状态：具备热和力的平衡。 平衡不一定均匀。 两个独立的状态参数即可确定一个状态
二．能量方程 已知：进口 p1 T1 v1 cf u1 z1 m1 出口 p2 T2 v2 c2 z2 u2 m2 其中： m=m1=m2 由于是稳定流动， 所以量 E=0 进入系统能 量
离开系统能
注意:⑴ 该公式适用于任何工质(理想或实际 气 体)，任何过程（可逆或不可逆） 只要进出口平衡态，不管系统内平衡与 否。 ⑵ 当无轴上摩擦时 wi = ws ⑶ q , w 的正负号。 ⑷ u, h, cf 等不是系统不 同时刻的变化量，而进出口参数差。 ⑸ 单位。
1 1 1 2 2 2
• 对于微元过程：δ wt=-vdp
• • • • • •
q=h2-h1+wt= △h+wt Q= △H+Wt 对于微元过程δq=dh+ δ wt δQ=dH+ δ Wt 对于可逆过程δq=dh－vdp ; δQ=dH－Vdp
q h Q H
2 1
可逆过程：完成某一过程后，工质能顺相同的路径逆行回 到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界一恢复到原 来状态，而不留下任何变化。 准平衡过程，不应有任何耗散效应。 1－6 过程功和热量 一功的热力学定义 δW＝Fdx
w pdv 1
2
二 可逆过程的功 δW＝Fdx＝pAdx＝pdV 1kg工质作的功：δW＝pdV/m=pdv
热力学能
• 热力学能的变化：内动能和内位能的变 化。 • 热力学能是温度的单值函数 • 二、总能 • E=U+Ek+Ep • Ek=mcf/2 • Ep=mgz
总能
• • • • • • • E=U+mcf2/2+mgz E=u+ cf2/2+gz 2-3 能量的传递和转化 一作功和传热：能量传递的两种方式 作功：伴随着能量形式的转化 热能变机械功：两个过程 二推动功和流动功
vdp
2 1
Vdp pdv pdv
q du
dh dh
pdv vdp
d ( h pv ) pdv vdp
2－7能量方程式的应用
• 一、动力机：动能差、散热、势能差忽略 • 热力发动机包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机， 等等。下面以蒸汽轮机为例进行分析。如图所示，有气 体流经气轮机而对外作功。为分析气轮机中的能量转换， 取1－1、2－2截面间的流体作热力系。如果气轮机处于 稳定工作状态，则所讨论的是开系中 • 流体作稳定流动的情况。 • 此时，气流通过气轮机发 • 生膨胀，压力下降，对外 • 作功。在实际的气轮机中， • 其进出口速度相差不多， • 动能差忽略。气流对外略 • 有散热损失，但数量通常不大 • ，可认为Q =0。同时，
w 2 1 pdv
2
1
w pdv 1 2
1
2
功不是状态量，是过程量 Wu=w-wr-wl Wu:有用功；wl摩擦功; wr排除大气功wr＝p0(V2-V1) 可逆过程w1=0
w pdv p ( V V ) u , re 0 2 1
1
2
四过程热量 δq＝Tds 1-7 热力循环 一、循环概说 循环：工质经过若干过程后，又回到原来状态。 二、正向循环
q Tds 1
2
正向循环
w w ne t
q q q q net 1 2
t
w net q1
逆向循环
• 用于制冷和热泵
q 2 w n et
q1 w netቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热力学第一定律
• 2－1实质：能量守恒和转化 • 热能：杂乱运动的能量，可与其他形式能量相 互转化并守恒。 • 热能和机械能相互转化 • 表述 • 2－2、热力学能和总能 • 一、热力学能 • 内动能是温度的函数
第一章 基本概念 1－1 热能在热机中转变成机械能的过程 燃料——热能——动力 热能动力装置： 1蒸汽动力装置； 2燃气动力装置 工质：实现热能——机械能转化的媒介 高温热源（热源）：工质从中吸取热能的物系 低温热源（冷源）：接受工质排除热能的物系 热能动力装置工作过程：工质从热源获得热能， 做功，排除余下的热能给低温热源。
二状态方程式 T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,t) F=F(p,v,T) 三坐标图 p-v图，T-s图 1－5 工质的状态变化过程 一准平衡过程（准静态过程） 相对缓慢，工质再平衡破坏后自动恢复平衡所需时间又很 短。 工质与外界的压力差无限小；温差无限小。 二 可逆过程和不可逆过程
二、压气机：动能差和势能差忽略 wc=-wi=(h2-h1)+(-q)=-wt 三、换热器：无功的交换 q=h2-h1 四、管道：
• 在分析中，取其进、出口截面间的流体为热力 系，并假定流动是稳定的。喷管实际流动过程 的特征是：气流迅速流过喷管，其散热损失甚 微，可认为Q =0；气流流过喷管时无净功输入 或输出，Wnet=0；进、出口气体的重力位能差 可忽略， 。将上述条件代入得到:对1kg流体 而言，（cf22-cf12)/2=h1-h2 • 喷管中气流宏观动能的增加是由气流进、出口 焓差转换而来。
边界：实际的或假想的；不动的和变形的。 闭口系：只有能量交换而无物质交换，又叫控制质量。 开口系：即有物质交换又有能量交换。又叫控制容积。 绝热系统：与外界无热量交换。 孤立系统：即无物质交换又无能量交换。 简单可压缩系：最常见的热力系，由可压缩流体构成，与 外界功的交换只有容积变化功。 1－3 工质的热力学状态及其基本状态参数 热力学状态：某一瞬间宏观物理状况，压力 P、温度 T 、 体积V、热力学能U、焓H、熵S。 一温度 微观：物质分子运动的积累程度。Mc2/2=BT t=T-273.15k
2－5基本能量方程式
• 对于可逆过程：δQ=dU+pdV
Q U pdV
1 2
q u pdv
1
2
对于循环： Q dU W
Q W
讨论： 1. 公式中热量、功量是代数值。 2. 量纲要统一。 3. 初终状态应是平衡态。 4. 物理意义：真正反映了热功转换，它表明加给 系统的热 量一部 分用于增加工质的热力学能，仍以热 能的形式储存于工质内部，余下的一部分以做功的方式 传递给外界，转化为机械能。
推动功
• • • • • • • • • 推动功：工质在开口系流动而传递的功 工质传递推动功不会有能量形式的变化 2－4、焓 H=U+pV 单位J, 比焓 h=u+pv 单位J/kg dh 0 H=u+pv=f(p,v)=f(p,T)=f(T,v)
2－5基本能量方程式
• 进入系统的能量－离开系统的能量＝系 统中储存的能量的增加 • 闭口系：Q-W=△u =U2-U1 • Q= △U +W • δQ=dU+dW • 对于1kg工质：δq=du+dw • q= △ u+w
稳定流动能量方程式
• • • • • q- △ u= △ cf2/2+g △ z+ △(pv)+wi 技术功：wt=wi+(cf22/2- cf12/2)+g(z2-z1) 由于q- △ u= w 则wt=w-(p2v2-p1v1) 对于可逆过程：
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w p v v t pdv 1 1 p 2 2 pdv d(pv ) v dp
• Qnet=Wnet • qnet=wnet
• • • • •
2-6、开口系统能量方程式 一、开口系能量方程式 进入－离开＝增量 二、稳定流动能量方程式 任意截面上的一切参数不随时间而变
一．稳定流动及实现条件 1. 定义：系统内各点参数（包括热力参数和 流速）不随时间变化的流动。 2.实现 ： （1）物质的相互作用不随时间变化。 （2）能量的相互作用不随时间变化。 （3）进出口的状态参数不随时间变化。 3. 一维稳态流动
• 节流：不可逆；设流动绝热，动能差和 势能差忽略，不对外作功 • h1=h2
• 气体在进出口的重力位能之差甚微，也可忽略 即 。将上述条件代入，得到气体流经气轮机时 的能量方程式为
•
Wnet =H1-H2
• 流过气轮机的每 • 1kg流体作净功 • wnet=h1-h2 • 可见，在气轮机中气流对外输出的净功量(此 时即轴功)，等于其进出口焓的差值。
• •
• • • • •
二压力 压强：大量分子撞击器壁的结果。 p=pb+pe p=pb-pv 1Pa=1N/m2 三比体积及密度 v=m/V 1-4 平衡状态、状态方程、坐标图 平衡状态：不受外界影响的情况下，系统状态始终保持不 变。 热力平衡状态：具备热和力的平衡。 平衡不一定均匀。 两个独立的状态参数即可确定一个状态
二．能量方程 已知：进口 p1 T1 v1 cf u1 z1 m1 出口 p2 T2 v2 c2 z2 u2 m2 其中： m=m1=m2 由于是稳定流动， 所以量 E=0 进入系统能 量
离开系统能
注意:⑴ 该公式适用于任何工质(理想或实际 气 体)，任何过程（可逆或不可逆） 只要进出口平衡态，不管系统内平衡与 否。 ⑵ 当无轴上摩擦时 wi = ws ⑶ q , w 的正负号。 ⑷ u, h, cf 等不是系统不 同时刻的变化量，而进出口参数差。 ⑸ 单位。
1 1 1 2 2 2
• 对于微元过程：δ wt=-vdp
• • • • • •
q=h2-h1+wt= △h+wt Q= △H+Wt 对于微元过程δq=dh+ δ wt δQ=dH+ δ Wt 对于可逆过程δq=dh－vdp ; δQ=dH－Vdp
q h Q H
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可逆过程：完成某一过程后，工质能顺相同的路径逆行回 到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界一恢复到原 来状态，而不留下任何变化。 准平衡过程，不应有任何耗散效应。 1－6 过程功和热量 一功的热力学定义 δW＝Fdx
w pdv 1
2
二 可逆过程的功 δW＝Fdx＝pAdx＝pdV 1kg工质作的功：δW＝pdV/m=pdv
热力学能
• 热力学能的变化：内动能和内位能的变 化。 • 热力学能是温度的单值函数 • 二、总能 • E=U+Ek+Ep • Ek=mcf/2 • Ep=mgz
总能
• • • • • • • E=U+mcf2/2+mgz E=u+ cf2/2+gz 2-3 能量的传递和转化 一作功和传热：能量传递的两种方式 作功：伴随着能量形式的转化 热能变机械功：两个过程 二推动功和流动功
vdp
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Vdp pdv pdv
q du
dh dh
pdv vdp
d ( h pv ) pdv vdp
2－7能量方程式的应用
• 一、动力机：动能差、散热、势能差忽略 • 热力发动机包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机， 等等。下面以蒸汽轮机为例进行分析。如图所示，有气 体流经气轮机而对外作功。为分析气轮机中的能量转换， 取1－1、2－2截面间的流体作热力系。如果气轮机处于 稳定工作状态，则所讨论的是开系中 • 流体作稳定流动的情况。 • 此时，气流通过气轮机发 • 生膨胀，压力下降，对外 • 作功。在实际的气轮机中， • 其进出口速度相差不多， • 动能差忽略。气流对外略 • 有散热损失，但数量通常不大 • ，可认为Q =0。同时，
w 2 1 pdv
2
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w pdv 1 2
1
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功不是状态量，是过程量 Wu=w-wr-wl Wu:有用功；wl摩擦功; wr排除大气功wr＝p0(V2-V1) 可逆过程w1=0
w pdv p ( V V ) u , re 0 2 1
1
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四过程热量 δq＝Tds 1-7 热力循环 一、循环概说 循环：工质经过若干过程后，又回到原来状态。 二、正向循环
q Tds 1
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正向循环
w w ne t
q q q q net 1 2
t
w net q1
逆向循环
• 用于制冷和热泵
q 2 w n et
q1 w netቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热力学第一定律
• 2－1实质：能量守恒和转化 • 热能：杂乱运动的能量，可与其他形式能量相 互转化并守恒。 • 热能和机械能相互转化 • 表述 • 2－2、热力学能和总能 • 一、热力学能 • 内动能是温度的函数