热工基础-03第三章_热能转换物质的热力性和热力过程
热工基础课后答案第三章
第三章 习 题3-1 解：设定熵压缩过程的终态参数为222S T p 和、，而定温压缩过程的终态参数为222S T p '''和、,根据给定的条件可知： 1222T T p p ='='； 又因为两个终态的熵差为S ∆，固有：21222222lnlnlnT T Mcp p mRT T mc S S S pgp='-'=-'=∆所以有：)exp(12pmCS T T ∆-=对于定熵压缩过程有：kkkkT p T p 212111--=所以：)exp()exp(])1(exp[()(11112112gpk kmR S p mRS M p mck S k p T T p p ∆-=∆-=-∆==-3-2解：设气体的初态参数为1111m T V p 和、、，阀门开启时气体的参数为2222m T V p 和、、，阀门重新关闭时气体的参数为3333m T V p 和、、，考虑到刚性容器有：321V V V ==，且21m m =。
⑴当阀门开启时，贮气筒内压力达到51075.8⨯Pa ，所以此时筒内温度和气体质量分别为：K 25366.78.752931212=⨯==p p T Tkg T R V p m m 0.2252932870.02710751g 1121=⨯⨯⨯===⑵阀门重新关闭时，筒内气体压力降为 5104.8⨯Pa ，且筒内空气温度在排气过程中保持不变，所以此时筒内气体质量为： kg T R V p T R V p m g g 216.025.366287027.0104.852333333=⨯⨯⨯==所以，因加热失掉的空气质量为：kg m 0.0090.2160.225m m Δ32=-=-=3-3 解：⑴气体可以看作是理想气体，理想气体的内能是温度的单值函数，选取绝热气缸内的两部分气体共同作为热力学系统，在过程中，由于气缸绝热，系统和外界没有热量交换，同时气缸是刚性的，系统对外作功为零，故过程中系统的内能不变，而系统的初温为30℃，所以平衡时系统的温度仍为30℃。
热工基础 第三章.理想气体的性质与热力过程
i 1 i 1
29
k
i 1 k
i 1 k
3-4 理想气体的热力过程
1．热力过程的研究目的与方法
（1）目的： 了解外部条件对热能与机械 能之间相互转换的影响，以便合理地安排 热力过程，提高热能和机械能转换效率。
V V1 V2 Vk Vi
i 1
k
25
3. 理想混合气体的成分 成分：各组元在混合气体中所占的数量份额。 （1） 成分的分类 1）质量分数 ：某组元的质量与混合气体总质量
的比值称为该组元的质量分数。
k k mi wi , m mi wi 1 m i 1 i 1 2）摩尔分数 ： 某组元物质的量与混合气体总物
22
3-3
理想混合气体
1. 理想混合气体的定义 由相互不发生化学反应的理想气体组成混合 气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一 样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。 混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。 2. 理想混合气体的基本定律 （1）分压力与道尔顿定律 分压力： 某组元i单独占有混合气体体积V并处于 混合气体温度T 时的压力称为该组元的 分压力。用 pi 表示。
10
由比定容热容定义式可得
qV u cV dT T V
（4）比定压热容
cp
q p dT
据热力学第一定律，对微元可逆过程，
q dh vdp
11
焓也是状态参数， h h(T ,
p)
h h dh dT dp T p p T 对定压过程，dp 0 ,由上两式可得 h q p dT T p
西安交通大学本科课程-热工基础-03第三章 热能转换物质的热力性和热力过程
2、理想气体的定压比热容和定容比热容 应用第一定律，并假定过程可逆则有： q du pdv q dh vdp
cv ( cp ( δq dT δq dT )v ( )p ( du pdv dT dh vdp dT )( )( u T h T )v )p ( 3 10 ) ( 3 11 )
一 研究热力过程的目的及一般方法
1、目的 揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情 况，进而找出影响转化的主要因素。 2、一般方法 (1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括 为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为 使问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可 逆过程。
i
Δh i (T )
(3)、混合气体的熵
S
S
i
s
s
i i
s i f (T , p i )
d si c pi dT T R g ,i d pi pi dp i pi
ds
( c
i
dT
pi
T
) ( i R g ,i
)
(3 51)
请看思考题
第二节
理想气体的热力过程
(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。 (3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。
本章分析理想气体热力过程的具体方法 1)、根据过程特点确定过程方程式，得到 p=f (v). 2)、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。 3)、在p-v、T-s图上画出过程曲线。 4)、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。 5)、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。 本节研究理想气体的可逆过程。
热工基础习题
热工基础习题第一章热力学基础知识一、填空题1．实现能和能相互转化的工作物质就叫做2．热能动力装置的工作过程，概括起来就是工质从吸取热能，将其中一部分转化为，并把余下的一部分传给的过程。
3．热力系统与外界间的相互作用一般说有三种，即系统与外界间的交换、交换和交换。
4．按系统与外界进行物质交换的情况，热力系统可分为和两类。
5．状态参数的变化量等于两状态下，该物理量的差值，而与无关。
6．决定简单可压缩系统状态的独立状态参数的数目只需个。
7．1mmHg=Pa；1mmH2O=Pa。
8．气压计读数为750mmHg，绝对压力为2.5某105Pa的表压力为MPa。
9．用U形管差压计测量凝汽器的压力，采用水银作测量液体，测得水银柱高为720.6mm。
已知当时当地大气压力Pb=750mmHg，则凝汽器内蒸汽的绝对压力为MPa。
10．一个可逆过程必须是过程，而且在过程中没有11．只有状态才能用参数坐标图上的点表示，只有过程才能用参数坐标图上的连续实线表示。
12．热量和功都是系统与外界的度量，它们不是而是量。
13．工质作膨胀功时w0，工质受到压缩时w0，功的大小决定于二、名词解释1．标准状态——2．平衡状态——3．准平衡过程——4．可逆过程——5．热机——6．热源——7．热力系统——8．体积变化功——9．热力学温标——10．孤立系——三、判断题1．物质的温度越高，则所具有的热量愈多。
2．气体的压力越大，则所具有的功量愈大。
3．比体积和密度不是两个相互独立的状态参数。
4．绝对压力、表压力和真空都可以作为状态参数。
6．孤立系内工质的状态不会发生变化。
7．可逆过程是不存在任何能量损耗的理想过程。
8．凝汽器的真空下降时，则其内蒸汽的绝对压力增大。
9．若容器中气体的压力没有改变，则压力表上的读数就一定不会改变。
四、选择题1．下列各量可作为工质状态参数的是：（1）表压力；（2）真空；（3）绝对压力。
2．水的三相点温度比冰点温度应：（1）相等；（2）略高些；（3）略低些。
热工基础
绪论§0—1 自然界中的能源及热能的利用自然界中可以供人们生活、生产上使用的能源有风能、水能、太阳能、地热能、燃料的化学能及原子核能等，在这些能源中除风能和水能是以机械能的形式（指空气的动能和水的位能）直接被人们利用以外，其它各种能源，或是直接以热能的形式存在（太阳能、地热能），或是经过燃烧反应、原子核反应，使能量转化为热能的形式，然后再予以利用。
所以人们从自然界获得的能源，其主要形式是热能。
热能的利用，通常有下述的两种基本方式：一种是直接利用，将热能直接用于冶炼、化工等生产过程中的加热，如熔化、烘干、采暖等；另一种是间接利用，通常是指将热能通过动力装置转换为机械能或电能的形式而加以利用，例如飞机、船舶、火车、汽车以及大型热力发电厂等都是以燃料燃烧所产生的热能作为动力源，其中所采用的热能动力装置或热力发动机目前在动力工业中仍然占据着主要地位。
在热能的间接利用中，能量的转换往往是能量利用的前提，各种热动力装置将热能转化为机械能，通过动力机带动发电机，最后转换成电能的形式利用，电能具有输送和使用方便等优点。
目前，世界各国使用的能源，主要是煤、石油和天燃气等燃料，根据有限的地下燃料资源，很难满足工业飞速发展的需要，所以从技术上改造原有设备，节约能源消耗，提高热能利用率，是人们长期的战斗任务。
此外，就是开发新能源，便如地热能、太阳能和原于核能等，也应使之更加有效地进行能量转换。
因为太阳能是一个取之不尽的能源，而进行热核反应的物质在地球上储存量也是极大的。
最近我国还确定了“实行开发和节约并重，近期要把节流放在优先地位”的总方针，正是为了解决我国能源供应紧张的局面。
这就要求从事能量转换学科及力能工作者必须掌握有关能量及其相互转换规律的知识——即工程热力学的知识。
§0—2 热力学及热力工程的发展简史热现象是人类生活中最早接触到的自然现象之一。
远古时代的钻木取火，就是机械能转换为热能的例子。
西安交通大学 “热工基础”课程教学大纲
西安交通大学“热工基础”课程教学大纲英文名称：FUNDAMENTS OF THERMODYNAMICS AND HEAT TRANSFER课程编码：ENPO2103学时： 48 学分：2.5适用对象：机械工程与自动化、材料科学与工程、飞行器设计与工程、飞行器制造工程和工程力学等本科生 先修课程：高等数学，大学物理使用教材及参考书：教材《热工基础与应用》(第二版) 傅秦生 赵小明 唐桂华. 北京：机械工业出版社，2007参考书《热工基础》 张学学，李桂馥. 北京：高等教育出版社 2000《传热学》（第四版） 杨世铭 陶文铨. 北京：高等教育出版社 2006《工程热力学》 刘桂玉 刘志刚 阴建民 何雅玲. 北京：高等教育出版社 1998一、课程性质、目的及任务热工基础是讲授热能与机械能相互转换基本理论和热量传递规律，以提高热能利用完善程度的一门技术基础课，是机械学院机械工程与自动化专业、材料学院材料科学与工程专业、航空航天学院飞行器设计与工程专业、飞行器制造工程专业和建力学院工程力学等专业的一门必修课程。
本课程为学生学习有关专业课程和将来解决热工领域的工程技术问题奠定坚实的基础,如：热能和机械能的相互转换，热量传递，温度场和材料热应力分析，耗散结构和有关本构结构、热力耦合问题的解决等。
通过本课程学习，应该使学生掌握包括热力学和传热学两方面的热工理论知识，获得有关热科学的基本计算训练和解决有关热工工程问题的基本能力。
同时还应为学生对热学科的建模和问题的处理奠定基础。
二、教学基本要求1．掌握热能和机械能相互转换的基本规律，以解决工程实际中有关热能和机械能相互转换的能量分析计算和不可逆分析计算；2．掌握包括理想气体、蒸气和湿空气在内的常用工质的物性特点，能熟练应用常用工质的物性公式和图表进行物性计算；3．掌握不同工质热力过程的基本分析方法，能对工程热力过程进行计算，具有解决实际工程中有关热能转换的能量分析和计算能力；4．掌握包括导热、对流换热、辐射换热三种热量传递方式的机理，进而掌握热量传递的基本规律和基本理论；5．能对较简单的工程传热问题进行分析和计算，具有解决较简单的传热问题，尤其解决是与力学分析有关的传热问题的能力；三、教学内容及要求第一章能源概论1.内容: 能源和热能利用的基本知识：本学科研究对象，主要内容和方法。
热工基础-3-(1)-第三章 理想气体
∆T
若比热容取定值或平均值，有： ∆ h = c p ∆ T
∆h = c p
T2 T1
∆T
3. 理想气体熵变化量的计算：
δ q du + pdv cv dT p ds = = = + dv T T T T cv dT p v cv dT dv = + dv = + Rg T T v T v
同理：
δ q dh − vdp c p dT v ds = = = − dp T T T T c p dT p v c p dT dp = − dp = − Rg T T p T p
Rg ,eq = ∑ wi Rg ,i
i
作业：P103-104
3-10 3-15
思考题: P102
10
五. 理想气体的基本热力过程 热力过程被关注的对象：
1) 参数 ( p, T, v, u, h, s ) 变化 2) 能量转换关系, q , w, wt 。
思路：
1) 抽象分类：
p
v T
s
n
基本过程 2) 简化为可逆过程 (不可逆再修正)
R = 8.314 J/(mol ⋅ K)
R 是一个与气体的种类
无关，与气体的状态也 无关的常数，称为通用 （摩尔）气体常数。
R = M ⋅ Rg
例题3.1: 已知体积为0.03m3的钢瓶内装有氧气，初 始压力p1＝7×105Pa，温度t1=20℃。因泄漏，后 压力降至p2＝4.9×105Pa ，温度未变。问漏去多少 氧气？ 解：取钢瓶的容积为系统（控制容积），泄漏过 程看成是一个缓慢的过程。初终态均已知。假定 瓶内氧气为理想气体。根据状态方程:
V
0 m
= 22 . 414 m
热工基础
绝对压力p ——工质的真实压力 大气压力pb（近似取值0.1Mpa） 表压力pe、真空度pv
只有绝对压力 p 才是状态参数。
环境压力的是变化，波动的；因此，表压力和真空度也会变化。
p = p b + pe p = pb - pv
温度 ——是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低
反映物体内部微观粒子热运动的强弱。
表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。
两个独立的状态参数就能确定简单可压缩系统的平衡
状态，因此以两个独立的状态参数为坐标所构成的坐标
图（状态参数坐标图）上，每一点都代表一个平衡状态。
p f (v, T )
联系各个点的路径就是 具体实现该状态变化的过程。
T f ( p, v)
的宏观运动及重力场位臵）
比热力学能：单位质量工质的热力学能 。
符号：u；单位：J/kg 或kJ/kg。
物理学中，气体分子的动能主要取决于温度，位能与比 体积有关，因此，比热力学能只取决于热力学温度、比体 积，即取决于热力状态，反应了一种状态, 是状态参数。
气体工质的比热力学能可表示为
u f (T , v)
必须遵循。
即，热力过程进行中，能量的总量守恒，同时伴随一
定形式的能量转换或传递（转移）。
能量既不会凭空产生，也不会自己消失，只会从一种形 式转换为另一种形式，或从一处传递到另一处。总量守恒。
2-1 热力系统的储存能
热力系统储存能— 储存于
热力系统的能量 1. 热力学能 不涉及化学变化和核反应时，物质分子热运动的动 能和分子间的位能之和（热能）。 热力学能符号：U，单位：J 或kJ 。 热力学能（取决系统本身的状态） 宏观动能、宏观位能（系统
《热工基础与应用》课后参考答案
《热工基础与应用》傅秦生 主编 机械工业出版社课后习题参考答案海南大学******************第二章 热能转换的基本概念和基本定律2.3 容器中气体的绝对压力为206.6kPa 。
2.4 g b P P P =+ 压力表A 的读数为155k Pa 。
b V P P P =−2.14Q U W =Δ+82634()U Q W kJ Δ=−=−−=− 返回初态时 34()U U k ′Δ=−Δ=J 63428()W Q U kJ ′′′=−Δ=−=− 故外界对系统做功28kJ 。
2.15压缩过程；系统与外界交换的功是－40 kJ 。
2.16 0；0；－390 kJ2.18 60 kJ ；－73 kJ ；50 kJ 、10 kJ2.19 0；0、2800 kJ2.24 180 kJ/kg2.25 1152m/s ；652 kJ/kg ；3650kW2.31 72.7％；12.1kW ；4.55 kW2.32 600K ；519.6K 2.33 3180960 1.02/()0467273293H L H L q q qkJ kg K T T T δ=+=−=>+∫i 不满足克劳修斯不等式2.34－0.3kJ/K 满足克劳修斯不等式 2.35 1A L BH T T ηη=+2.36(1)孤立系的熵增1.92J/K，可行但不可逆(2)孤立系的熵增－0.33 J/K，不可行2.37 运用孤立系统的熵增原理可解得：可行但不可逆2.38 5.416kg/min；0.123 kJ/K2.39 0.61 kJ/K2.40 3000 kJ2.44 0.151 kJ/k g·K2.46 0.165 kJ/K第三章工质的热力性质和热力过程3.6 27.93g/mol3.7 612.3kJ；714kJ3.8 557.9 kJ/kg3.10 热力学能－396.6kJ；焓变－510kJ；熵变0.215 kJ/K 3.17 略3.18 略3.19 过程功0；过程热量295.4kJ；熵变0.568 kJ/K3.20 热力学能变化量41540kJ；焓变58200kJ3.21 －86.55 kJ/kg；－101.7 kJ/kg；略。
热工基础课程教学大纲
《热工基础》课程教学大纲英文名称：Basis of Heat Energy Engineering一、课程说明1．课程性质《热工基础》是机械类专业的主干技术基础课程，是机械设计制造及其自动化专业、农业机械化及其自动化专业的必修专业基础课。
2．课程的目的和任务：学习本课程可使学生认识到在能源危机日趋严重的情况下节能工作的重要性，了解并掌握有关能量转换和热量传递规律方面的知识，探索提高各种热工设备热效率的技术措施，使学生能在各自以后的工作岗位上有效地开展节能技术改造工作，这是培养复合型工程技术人才科学素质的一个不可缺少的环节。
3．适应专业：本大纲适用于机械设计制造及其自动化专业、农业机械化及其自动化专业。
4．学时与学分：总学时为40学时，2学分。
5．先修课程：学习本课程，首先应学好基础课程，如《大学物理》、《流体力学》、《高等数学》等课程，这样才能很好地理解和掌握本课程的内容。
另外，学好本课程，也可为学习后续的《汽车拖拉机》、《食品工程原理》、《农产品加工机械与设备》、《农产品干燥技术》等专业课程打好基础。
6．推荐教材或参考书目：（含教材名，主编，出版社，出版年份）傅秦生，何雅玲，赵小明编著《热工基础与应用》，机械工业出版社，2003主要参考书目：蒋汉文主编（同济大学），《热工学》，高等教育出版社（第二版），1999王补宣主编，《热工基础》，高等教育出版社，1998张壁光，乔启宇编，《热工学》，中国林业出版社，1997陶文铨，李永堂主编，《工程热力学》，武汉理工大学出版社，2001朱明善等，《工程热力学》，清华大学出版社，1998曾丹苓等，《工程热力学》，高等教育出版社，19877．主要教学方法与手段：本课程主要采取课堂讲授的方法，部分章节辅以多媒体教学，加强直观感受和对实际热工设备工作过程、工作原理的理解。
8．考核方式：（说明，成绩评定办法）实行结构分，采取平时考核与考试相结合的方式，平时考核包括上课考勤、作业、实验等，占30%，考试成绩占70%。
《热工基础及应用》第3版知识点汇总
《热工基础及应用》第3版知识点第一章 热能转换的基本概念本章要求：1.掌握研究热能转换所涉及的基本概念和术语；2.掌握状态参数及可逆过程的体积变化功和热量的计算；3.掌握循环的分类与不同循环的热力学指标。
知识点：1.热力系统：根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。
热力系可以按热力系与外界的物质和能量交换情况进行分类。
2.工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
3.热力状态：热力系在某瞬时所呈现的宏观物理状态称为热力状态。
对于热力学而言，有意义的是平衡状态。
其实现条件是：0,0,0p T μ∆=∆=∆=。
4. 状态参数和基本状态参数：描述系统状态的宏观物理量称为热力状态参数，简称状态参数。
状态参数可按与系统所含工质多少有关与否分为广延量（尺度量）参数和强度量状态参数；按是否可直接测量可分为基本和非基本状态参数。
5. 准平衡（准静态）过程和可逆过程：准平衡过程是基于对热力过程的描述而提出的。
实现准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势差要无限小，即0p ∆→，0T ∆→（0μ∆→）。
6、热力循环：为了实现连续的能量转换，就必须实施热力循环，即封闭的热力过程。
热力循环按照不同的方法可以分为：可逆循环和不可逆循环；动力循环（正循环）和制冷（热）循环（逆循环）等。
动力循环的能量利用率的热力指标是热效率：0=t H W Q η；制冷循环能量利用率的热力学指标是制冷系数：L 0=Q W ε。
第二章 热力学第一定律本章要求：1. 深入理解热力学第一定律的实质；2. 熟练掌握热力学第一定律的闭口系统和稳定流动系统的能量方程。
知识点：1. 热力学第一定律：是能量转换与守恒定律在涉及热现象的能量转换过程中的应用。
热力学第一定律揭示了能量在传递和转换过程中数量守恒这一实质。
2. 闭口系统的热力学第一定律表达式，即热力学第一定律基本表达式：Q U W =∆+。
热工基础-3-(2)-第三章 水蒸气
陕西科技大学机电学院《热工基础》主讲教师：袁 越 锦第三章第三章 工质的工质的工质的热力性质热力性质 和和热力过程热力过程－－水蒸气水蒸气是在热机中最早广泛应用的工质，距液态不远，不宜作理想气体处理。
水和水蒸气的热力参数可查取有关水蒸气的热力性质图表得到，也可借助计算机对水蒸气的物性及过程作高精度的计算。
本章重点：水蒸气产生的一般原理、水和水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用以及水蒸气热力过程中功和热量的计算。
说明：各种不同物质的蒸气，在物理性能上虽各不相同，但其在热力性质的变化规律上是类似的。
本章内容对其他物质的蒸气有普遍的指导意义。
水的定压加热汽化过程1 1 水的定压加热汽化过程工程上，水蒸气的生产近似为定压过程。
在水蒸气的发生过程中，一般会经历预热、汽化和过热三个阶段，其状态分别处于过冷水、饱和水、湿饱和蒸气、饱和蒸气和过热蒸气五种。
设水在汽缸内进行定压加热，汽缸内有1kg，0.01℃的纯水，通过增减活塞上重物可使水处在指定压力下定压吸热。
当水温低于饱和温度时称为过冷水，或称未饱和水。
未饱和水状态状态 饱和水状态状态 湿饱和蒸汽状态状态 干饱和蒸汽状态状态过热蒸汽状态过热阶段水蒸汽的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的预热阶段1零点的规定 水及水蒸汽的热力参数计算中不必求其绝对值，仅求其增量或减少量，故可规定一任意起点。
国际水蒸汽会议规定：水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为0。
2 2 水和水蒸汽的热力性质图表水和水蒸汽的热力性质图表三、水蒸汽热力性质图热力学性质表很简单，它是把热力学性质以一一对应的表格形式表示出来，其特点表现在：对确定点数据准确，但对非确定点需要内插计算，一般用直线内插法。
这也使查表工作十分繁复，因此，工程上还常用水与水蒸汽热力性质图。
如前面用到的p-v、T-s图。
不能全用理想气体的方法和公式进行分析计算！！只能用热力学第一、二定律，和查水蒸汽热力性质图、表进行其热力过程分析计算！！基本公式如下：。
热工基础 第3章 理想气体的性质及热力过程
qv h wt cp (T2 T1) v ( p1 p 2 ) cv (T2 T1)
3.3 §4-理1 理想想气气体体的的热基力本过热程力 过 程
(4)在p-v、T-s图上表示
垂直于 v坐标 的直线
由
ds cV
dT T
( T s
)v
T cV
定容线为一 条斜率为正 的指数曲线
3.1 气 体 的 比 热 容
1、按定比热计算理想气体比热容
分子运动论
运动自由度
Cv,m[kJ/kmol.K] Cp,m [kJ/kmol.K]
γ
单原子
3 2 Rm 5 2 Rm
1.67
双原子
5 2 Rm 7 2 Rm
1.4
多原子
7 2 Rm 9 2 Rm
1.29
3.1 气 体 的 比 热 容
2、按真实比热计算理想气体比热容 理想气体
p1 p2
v2 T2 v1 T1
s
cp
ln
T2 T1
Rg ln
p2 p1
cp
ln
T2 T1
s
cp
ln
v2 v1
cv ln
p2 p1
cp
ln
v2 v1
3.3 理 想 气 体 的 基 本 热 力 过 程 (3)膨胀功、技术功和热量
第3章 理想气体的性质及热力过程
课程介绍
气体的比热容
气体的比热容
计算热力学能, 焓, 热量都要用到比热容 定义: 比热容
单位物量的物质升高1K或1℃所需的热量
3.1 气 体 的 比 热 容
比热容
c : 质量比热容 Cm: 摩尔比热容 C’: 容积比热容
热工基础 3 第三章 理想气体的性质与热力过程
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
3-4 理想气体的热力过程
1 热力过程的研究目的与方法 （1）目的： 了解外部条件对热能与机械能之 间相互转换的影响，以便合理地安排热力过程， 提高热能和机械能转换效率。
（2）任务：确定过程中工质状态参数的变化规 律，分析过程中的能量转换关系。 （3）依据：热力学第一定律表达式、理想气体 状态方程式及可逆过程的特征关系式。
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
研究热力学过程的依据
1) 热力学第一定律
q du w dh wt
1 稳定流动 q h c 2 g z ws 2 cp cp cv Rg 2) 理想气体 pv Rg T cv
热
工
基
础
3-4 理想气体的热力过程
2 理想气体的基本热力过程
p
v
⑴ 定容过程 ①过程方程： v const 或 dv 0
p Rg const ②状态参数关系： T v
T
2 1 2' v 2 v 1
h c p T ③状参计算 u cV T T2 p2 s cV ln cV ln T1 p1 ④功和热量
定压过程 dp 0
h q p dh dT T V
h cp dT T p
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
qp
3-2 理想气体的热容、热力学能、焓和熵
2 理想气体的比热容 （1）理想气体的比定容热容与比定压热容
热工基础第三章
其中： i — 组分i相对于固定坐标系的速 u 度
( 3)组 i相 于 量 均 度 u或 分 对 质 平 速 者 mol平 速 uM的 度 为 扩 速 。 均 度 速 称 散 度
ui u — 组分i相对于质量平均速度的 扩散速度。
ui uM — 组分i相对于 平均速度的扩散速度。 mol
上述四个斐克定律，是 以相对于以摩尔平均速 u M，z 度 或质量平均速度 y 移动着的 u 动坐标 而言的。对于 固定 坐标 ，上述四表达式不适用 （除非为 等质量或等摩尔 逆扩散形式）
（5）可推得相对于固定坐 标的斐克定律： dy A N A C DAB y A (N A N B ) dy
二元混合物中组分 和B的分子扩散质量通量 A 大小相等方向相反
（ ）同理， A C A u A u M） 4 J （ J B C（u B u M） B 则J A J散摩尔通量 A 大小相等方向相反
工程场合下常采用相对于固定坐标的净扩散通量m或N 试验研究时多采用分子扩散通量j或J
（1）流体流动过程（动量传递）
三传理论： （2）传热过程（热量传递）
（3）传质过程（质量传递）
对传质（质量传递）的理解 质量传递过程又称扩散过程。因物质的传递过程 凭借扩散作用（分子扩散和涡流扩散）实现的。 质量传递可以在一相内进行，也可以在相际进行。 质量传递的起因是系统内存在化学势的差异。化 学势的差异由浓度、温度、压力或外加电磁场引起。 质量传递是均相混合物分离的物理基础，也是反 应过程中几种反应物互相接触及反应产物分离的基 本依据。
0.15×10-5
0.11×10-5 2.59×10-9 1.30×10-30
（2）多孔材料中的扩散
第3章热泵的热工基础知识
第3章热泵的热工基础知识工程热力学、传热学和流体力学，是热能动力机械的三大基础学科，是发动机和制冷（热泵）专业的最重要的基础知识，热泵行业的设计、制造和安装，都必须依循这些基础学科的指导。
所以，要深刻和准确的理解空气源热泵热水器原理，还要对这三大基础课程有正确的认识。
3-1 热力学的发展历程自然界中，可以被人类利用的能源主要有水力、风力、太阳能、地热、化石燃料的化学能和原子能等，当前最主要的能源是燃料的化学能，如煤炭和石油，它们通过燃烧过程转化为热能，然后通过各类动力设备如汽轮机、内燃机及燃气轮机等设备，将燃料的热能转换为机械能及电能，供人们的生活生产使用。
大部分能量的转换都会通过“热”这一过程，例如原子能的利用，就是将原子能首先转换为热能，再去推动汽轮机工作，进而驱动发电机发电；而风能和水利能，也是太阳能辐射加热地面的结果；而且广义的讲，一切形式的能量，最终也都会转换成热能，例如机械能，会通过摩擦的作用转换成热能，声音和光，也同样会发生这样的转换，最终成为与环境温度接近的低品位热能，也称为“废热”。
人类对“热”的研究，揭开了认识能量本质的序幕，也始终伴随着人类不断深入的认识自然科学的历程，“热能”是与我们关系最为密切的能量形式。
16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业和煤矿，已发展到相当的规模，随着挖掘的深入，地下水成为采矿必须面对的问题，单靠人力已难以满足排除矿井地下水的要求，而在现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。
怎样用煤来抽水？现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。
纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。
这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。
纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。
热工基础(张学学 第三版)复习知识点
热工基础（第三版）张学学复习提纲第一章基本概念1.工程热力学是从工程角度研究热能与机械能相互转换的科学。
2.传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。
3.工质：热能转换为机械能的媒介物。
4.热力系统：选取一定的工质或空间作为研究对象，称之为热力系统，简称系统。
5.外界（或环境）：系统之外的一切物体。
6.边界：系统与外界的分界面。
7.系统的分类：（1）闭口系统：与外界无物质交换的系统。
（2）开口系统：与外界有物质交换的系统。
（3）绝热系统：与外界之间没有热量交换的系统。
（4）孤立系统：与外界没有任何的物质交换和能量（功、热量）交换。
8.热力状态：系统中的工质在某一瞬间呈现的各种宏观物理状况的总和称为工质（或系统）的热力状态，简称为状态。
9.平衡状态：在不受外界影响的条件下，工质（或系统）的状态参数不随时间而变化的状态。
10.基本状态参数：压力、温度、比容、热力学能（内能）、焓、熵。
11.表压力Pg、真空度Pv、绝对压力PP=P b-PPPP=g-vb12.热力学第零定律(热平衡定律)：如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。
13.热力过程：系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
14.准平衡过程（准静态过程）：热力过程中，系统所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。
15.可逆过程：一个热力过程完成后，如系统和外界能恢复到各自的初态而不留下任何变化，则这样热力过程称为可逆过程。
16.不可逆因素：摩擦、温差传热、自由膨胀、不同工质混合。
17.可逆过程是无耗散效应的准静态过程。
18.系统对外界做功的值为正，外界对系统做功的值为负。
系统吸收热量时热量值为正，系统放出热量时热量值为负。
第二章热力学第一定律1.热力学第一定律：在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。
也可表述为：不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。
进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化。
热工转换基础知识
第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的 相互转换过程中，能的总量保持不变--遵循能量守恒原则。
1kg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，如果气体与外 界交换的热量为q1-2，机械功为w1-2，内能的变化量为u2－u1， 三者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为:
式中：dq——单位量的物质在温度变化dT 时吸收或放出的热量。 1kg气体的温度变化dT 时，吸收或放出的微元热量dq为:dq=cdT 1kg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量q为: mkg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量Q为:
规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。 注意：功和热量都不是状态参数。
2. 系统有足够时间恢复平衡
可逆过程
• 可逆过程:若系统完成某一过程之后，可再 沿原来的路径回复到起始状态，并使相互 作用中涉及的外界也回复到原来状态，而 不留下任何变化
1. 严格按照原来的路径返回起始状态 2. 过程中不存在任何耗散损失
• 可逆过程就是无耗散效应的准静态过程
可逆过程与准静态过程区别
1kg气体容积（即比体积）的微小变化量为:
dv = Adx
1kg气体对外界所作的微元功为:
δw= Fdx =pAdx = pdv w v2 pdv
1kg气体对外界所作的功为:
v1
若汽缸内的气体为mkg，其总容积V=mv，
则mkg气体从状态1变化到状态2对外所作
的功为:
W mw
v2 pmdv
Fu1/1
一、功、热量和内能
3．内能 气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分 子运动的动能和分子间位能组成。 内能是气体的状态参数。 对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所
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q p c p (t )dt c p (t )dt c p (t )dt
c
c
t2 p, 0℃
t2 - c
t2 p ,0℃
t1 p, 0℃
t1
t1 (3 18)
山东大学（威海）机械系
t2 p ,t1
c
t2 -c
t1 p ,0℃
t2 t1
(3)、平均比热容直线关系
第三章
热能转换物质的热力性
和热力过程
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第三章
热能转换物质的热力性和热力过程
第一节 理想气体的热力性质
一 理想气体
1、宏观定义 若基本状态参数 p、v、T 满足方程 这样的气体称为理想气体。 2、微观定义 假定：(1) 气体分子是些弹性的、不占体积的质点； (2) 气体分子间没有相互作用力。 理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力 趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程 中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。
qrev
T
qres cV dT pdv
cV dT pdv ds T 2 dT v2 Δs cV Rg ln 1 T v1
qres c p dT vdp
ds c p dT vdp T 2 dT p2 Δs c p Rg ln 1 T p1
当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算)
pi xi p
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3、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数
由式（f）可知，理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。 对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式
m mi ni M i nM eq M eq xi M i (3 42)
Meq称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：
b q p c p (t )dt (a bt )dt [a (t1 t 2 )]( t 2 t1 ) 1 1 2 b t2 c p ,t1 a (t1 t2 ) (3 19) 2
2 2
上式称为比热容的线 性关系。附录A-5p252给 出了一些常用气体的平 均比热容直线关系式。
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4、定值比热容
cp a
i 由分子运动论也可导出1mol理想气体的热力学能 U m RT 2
由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。
CV, m
i R 2
C p ,m
i2 R 2
i2 2
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I
是分子运动的自由度，单原子 I ＝3，双原子 I＝5，多原子取I＝7
请看思考题
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第二节
理想气体的热力过程
一 研究热力过程的目的及一般方法
1、目的 揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情 况，进而找出影响转化的主要因素。 2、一般方法 (1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括 为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为 使问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可 逆过程。
(1)、比热容 混合气体吸收的总热量 Q
Q
i
1kg混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即
q i qi
根据比热容的定义式得
c
q
dT
( i
qi
dT
) i ci
定压比热容和定容比热容可写成：
c p i c pi
cV i cVi
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Cpm CVm R
*(2)、比热容比
(3 15)
Cp,m Cv,m
式（3－16）和（3－16a）称为迈耶公式。
cp
cp cv
1 1 cv Rg 1
Rg
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4、理想气体比热容的计算 (1)、真实比热容
c p a0 a1T a2T 2 a3T 3 ...... 或 c p b 0 b1t b 2t b3t ......
Δu cv dT cv (T2 T1 ) cv ΔT
1
2
Δh cp dT cp (T2 T1 ) cp ΔT
1
2
若取0 K作为零点则
u cvT ;
h cpT
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2、状态参数熵 熵的定义式为（以后要证明） 下标rev表示可逆，可逆时有
ds
p pi
上式称为道尔顿分压力定律。 由质量守恒得：
n n1 n2 n3 m m1 m2 m3
n ni
(a)
i
m mi
piV ni RT (b)
状态方程
piV mi RgiT
i
( p V ) (n RT)
pV山东大学（威海）机械系 nRT (f )
p0Vm 0 101325 Pa 0.0224141 m3 /mol R MRg T0 273.15K 8.3145 J/(mol.K)
对于各种气体的气体常数的
R Rg M (3 5)
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理想气体状态方程可有以下四种形式：
1 kg气体 1 mol 气体 质量为 m 的气体 物质的量为 n 的气体
ni mi M i M eq xi i n m M eq M i R Rg,eq 折合气体常数Rg,eq可写成 M eq
折合气体常数Rg,eq式（a)或式（c）求得
pV mi RgiT mR g,eqT
Rg,eq i Rgi
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4、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵
pv 常数 T
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二 理想气体状态方程
根据理想气体宏观定义:
pv 常数 T
令常数为Rg
pv RgT
(3－ 1)
单位：p－Pa； v－m3/kg; T－K; Rg－J/(kg.K) Rg为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常 数请看p250附录A-2 若物质的质量m以kg为单位，物质的量n以mol为单位， 用M表示物质的摩尔质量，则
q du pdv
q dh vdp
(3 10) (3 11)
δq du pdv u cv ( )v ( ) ( )v dT dT T δq dh vdp h cp ( )p ( ) ( )p dT dT T
热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作 用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度 有关，所以理想气体的热力学能是温度的单值函数, 即u= u(T), 而h=u+pv＝u+RgT, 所以理想气体的焓也是温度的单位函数，即 h=h(T).
Cp,m / CV, m
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四 理想气体的热力学能、焓和熵
1、热力学能与焓
du cv dT dh cp dT
(3 14) (3 15)
2
由上式可得
du cv dT dh cp dT
Δu cv dT
1
Δh cp dT
1
2
当比热容取定值时
pv RgT pVm RT pV mRgT pV nRT
(3-1) (3-4) (3-6) (3-7)
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三 理想气体的比热容
1、比热容的定义 物体升高1K所需的热量称为热容，以C表示， C
Q
dT 1kg物质升高1K所需的热量称为比热容，单位J／(kg.K), 以c表示， q
c
dT
1mol物质的比热容称为摩尔热容，单位J／(mol.K)，符号为Cm 比热 c 应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常 用的有比定容比热容和比定压比热容。
比定容热容 比定压热容
δq cv ( )v dT δq cp ( )p dT
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2、理想气体的定压比热容和定容比热容 应用第一定律，并假定过程可逆则有：
(2)、理想气体的分容积定律 V1、V2、V3称为分容积，并有
V Vi
V V1 V2 V3
上式称为亚美格分容积定律。 质量守恒
n n1 n2 n3 m m1 m2 m3
n ni
状态方程
m mi
pVi mi RgiT
i i
(c)
pVi ni RT
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(3)、混合气体的熵
S Si
si f (T , pi )
s i si
dpi dT dsi c pi Rg ,i T pi dpi dT ds (i c pi ) (i Rg ,i ) T pi (3 51)
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理想气体定值摩热容和比热容比［R＝8.3143J／(mol.K)]
单原子气体 （i＝3） 双原子气体 （i＝5）
5 R 2 7 R 2 1.40
多原子气体 （i＝7）
7 R 2 9 R 2 1.29
CV, m /[J/(mol.K )]
Cp,m /[J/(mol.K )]
3 R 2 5 R 2 1.67
pV nRT (f )
(d)
( pV ) (n RT)
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2、混合物的成分 (1)质量成分
m mi
(2)摩尔成分
mi i m ni xi n Vi 分
V Vi
由式（b)、(d)及(f)可得：
Vi pi ni i xi , V p n