工程热力学第二章课件
第二章——工程热力学课件PPT
100 U1A2 60 Q2B1 U 2B1 40
Q2B1 80
第二章 讨论课
2、一个装有2kg工质的闭口系经历了如下 过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统 做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并 且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
Q E W
第二章 讨论课
空
Q
调
Q W
T
第二章 讨论课
➢ 计算题
1、对某种理想气体加热100KJ，使其由状 态1沿途径A可逆变化到状态2，同时对外做 功60KJ。若外界对该气体做功40KJ，迫使 它沿途径B可逆返回状态1。问返回过程中该 气体是吸热还是放热？热量是多少？
Q1A2 U1A2 W1A2 Q2B1 U 2B1 W2B1
V
1b 2
2c1
状态参数 ( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
热力学能及闭口系热一律表达式
定义 dU = Q - W 热力学能U 状态函数
Q = dU + W Q=U+W
闭口系热一律表达式
！！！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU
热力学能U 的物理意义
不可能制成的”
§2-2 热一律的推论热力学能
热力学能的导出 闭口系循环
Q W
( Q W ) 0
热力学能的导出
( Q W ) 0 对于循环1a2c1
p1
( Q W ) ( Q W ) 0
b
1a 2
2c1
a
c
对于循环1b2c1
2
( Q W ) ( Q W ) 0
• u : 比参数 [kJ/kg] • 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人 为定
工程热力学 第二章 图文
思考
宏观动能和内动能的区别？
§2-3 热力学第一定律导出
热力学第一定律基本表达式
加入系统的能量总和—热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量
加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和
= 热力系总储存能的增量
δW
δ mi ei
E
δm jej
E+dE
δQ
d
如果是闭口系，如何简化？
闭口系统的热一律基本表达式
来源：
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世 纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都 具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它 只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形 式。而在转换中，能量的总量恒定不变。
能量转换与守恒定律
认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等有序能的守恒 热现象不是一个独立的现象，
其它形式的能量都最终转化为热能
热力学第一定律的本质
本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用
18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有
引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性
系统的能量
能量是物质运动的度量，运动有各种不同 的形态，相应的就有各种不同的能量。
系统储存的能量称为储存能，它有内部储 存能与外部储存能之分。系统的内部储存 能即为热力学能
§2-2 热力学能（内能）
Internal energy
定义
系统内部各种形式能量的总和称为系 统的热力学能，简称为内能 U。单位质量 的热力学能称为比内能 u。
闭口系， δmi 0 δm j 0 忽略宏观动能Uk和位能Up， E U
工程热力学第二章lm——工程热力学课件PPT
h是状态量，设 h f (T , p)
dh
( h T
)p
dT
h (p )T
dp
q
( h T
)p
dT
h [(p )T
v]dp
定压 dp=0
cp
( q
dT
)p
( h T
)p
定压比热与定容比热的关系
定容过程： qv cvdT 定压过程： qp cpdT
qp qv [ pdv]p d ( pv) p
V=1m3的容器有N2，温度为20 ℃ ，压力表读数 1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。
m
pVM
(1000 1) 1.013105 1.0 28
760
2.658kg
RmT
8.31431000 293.15
状态方程的应用
求平衡状态下的参数
n kmol : pV nRmT
m kg : pV mRT
cpdT cvdT RdT cp cv R
cp cv 0R
cp,m cv,m MR Rm
比热比k：定压比热与定 容比热的比值。
k cp cp cp,m cv cv cv,m
cv
R k 1
kR cp k 1
定值比热，真实比热和平均比热
定值比热：根据分子运动论得出各理想气体的摩尔比 热均相等，称为定值比热。
阿伏伽德罗定律：相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔 容积Vm相同
在标准状况下
p0 1.01325 105 Pa T0 273.15K
Vm0 22.414 m3 kmol
代入理想气体状态 方程，可求得：
Rm 8.3143 [ kJ kmol K]
工程热力学课件第2章
1. 确定所研究的系统，建立坐标系；
2. 分析过程中系统本身的能量变化及与外界交换的能量；
3. 列出平衡方程；(包括能量的、质量的） 4. 求解。
8
一、闭口系统的热力学第一定律表达式
Q
ΔU
W
取封闭气缸中的工质为研究对象，忽略系统动能和位能的 变化，则：
Ek 0
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。
3
2–2 热力学能和总能
一、热力学能(internal energy)
Uch－化学能
U
Unu－原子核能 平移动能 Uk 转动动能 振动动能 Uth Up— 内位能
f 1 T
f 2 T , v
U U (T , v)
在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能和原子 核能都不变化，可以不考虑，热力学能的变化只是内位能 和内动能的变化。
33
流入：
1 2 1 2 qm1 h1 cf 1 gz1 qm2 h3 cf 3 gz3 2 2
流出：
1 1 qm1 h2 cf22 gz2 qm2 h4 cf24 gz4 2 2
根据能量平衡方程：
E p 0
则：E U
对于微元过程：
δQ dU δW
热力学第一定律解析式 9
注意：
1. 表达式中Q、W、ΔU都是代数值，规定：系统吸热Q为正值，系统 对外作功W为正，反之则为负。系统的热力学能增大时， ΔU为正，反 之为负。 2.对于单位质量工质：
δq du δw
17
在 时间段内系统的能量变化为： 根据热力学第一定律可得 ：
工程热力学多媒体课建2章13923张.ppt
热能工程教研室
图2-2 推动功
二、推动功和流动功
1、推动功(flow work; flow energy)
p
p1
1
o
v1
v
推动功：
工质在开口系统中流动而传递的功叫推动功。 pAH pv
热能工程教研室
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
在 只有单股流体进出时：
q m1 = q m2 = q m
热能工程教研室
min
u1
2
in
ci2n
gzin
Q
Wi
mout
uout 1
2
c2 out
gzout
稳定流动能量方程
q m1 = q m2 = q m
将以上条件代入式（2-20），并用qm 除式（2-20），有
q
h
1 2
c2
f
gz
wsi
（2-21）
——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计算 流体的流动动能，重力位能以及热力学能。
假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界
上，还可以有传热和作功的相互作用。
假定进口、出口截面上存在局部平衡条件。
假定流动为一元流动
——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。
热能工程教研室
一、开口系的能量方程
q u w w ( pv) wt
c2/2
wi
做功的根源w
wt g△z △(pv) wi
热能工程教研室
【例2-2】
已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速 cf1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2302kJ/kg，流速 cf2=120m/s。忽略热损失和位能差。若蒸汽流量q m 为 10 t/h，试求：
工程热力学课件 (03)
热一律的文字表达式
热力学第一定律用基本文字表达式表示为：
进入系统能量—离开系统能量＝系统储存能量的增加
由基本文字表达式可得到基本能量方程
包括闭口系能量方程和开口系能量方程 热一律在热力学中的应用主要体现在能量方程中
7
第2章 热力学第一定律
2-1 热力学第一定律的实质 2-2 本章涉及的概念 2-3 闭口系统能量方程 2-4 开口系统能量方程
dp<0，工质压力降低，技术功为正，工质对机器 做功，如汽轮机，燃气轮机
dp>0，工质压力增加，技术功为负，机器对工质 做功（消耗外界的功），如压气机、电风扇
23
第2章 热力学第一定律
2-1 热力学第一定律的实质 2-2 本章涉及的概念 2-3 闭口系统能量方程 2-4 开口系统能量方程
2-5 稳定流动能量方程的应用
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稳定流动开口系能量方程推导
进入系统的能量：
Q
+
m
⎛ ⎜⎝
u1
+
p1v1
+
1 2
cf21
+
gz1
⎞ ⎟⎠
离开系统的能量：
式中u+pv为比焓h
Wi
+
m
⎛ ⎜⎝
u2
+
p2v2
+
1 2
cf22
+
gz2
⎞ ⎟⎠
根据热力学第一定律文字表达式：
⎡⎢⎣Q
+
m
⎛ ⎜⎝
u1
+
p1v1
+
1 2
cf21
+
gz1
⎞⎤ ⎟⎠⎥⎦
工程热力学课件2
u pv c / 2 gz min h
in
开口系能量方程
焓（Enthalpy) 的说明
定义：h = u + pv H = U + pV
1、焓是状态量
[ kJ/kg ] [ kJ ]
2、H为广延参数 H=U+pV=
m(u+pv)= mh
h为比参数
3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，焓不代表能量
闭口系热一律表达式
！！！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU
内能U 的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 代表某微元过程中系统通过边界 交换的微热量与微功量两者之差值，也 即系统内部能量的变化。
U 代表储存于系统内部的能量
内储存能（内能、热力学能）
内能的性质
第二章 热力学第一定律
The first law of thermodynamics
§2-1 热力学第一定律的本质
本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有1%
1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认
单位质量工质
适用条件：1）任何工质 2) 任何过程
闭口系能量方程中的功
q = du + w 功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量 准静态容积变化功 拉伸功 表面张力功 pdv w拉伸= - dl w表面张力= - dA
w = pdv - dl - dA +…...
流动功：系统维持流动所花费的代价。
工程热力学(高教社第四版)第2章课件
第二章 热力学第一定律2-1 热力学第一定律的实质实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用能量守恒和转换定律—能量是可以相互转 换的，且转换前后的总量保持不变。
热力学第一定律—热能与机械能是可以相 互转换的，且转换前后的总量保持不变。
焦耳实验1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T ↑ 2、绝热去掉，气 体 T ↓，放出 热给水，T 恢复 原温。
焦耳实验水温升高可测得热量， 重物下降可测得功 热功当量 1 cal = 4.1868 J热力学第一定律热可以变为功，功也可以变为 热，一定量的热消失时，必产生与之 数量相当的功；消耗一定量的功时必 出现与之对应的一定量的热。
闭口系循环的热一律表达式系统经历一个热力循环后，它所接受的 净热量转换为对外所作的净功。
即：δQ = ∫ δW ∫要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”关于永动机问题的思考 各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机—不消耗能量而能对外连续作功的 机器。
第二类永动机—从单一热源取热，并将其全部转 变机械功的机器（或：热效率等于100%的机器）[有 关问题在第五章中将详细讨论]。
长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动 机，无一有所收获。
希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。
大气机压气机 从大气中取气压力容器pw取回部分功量 驱动压气机某人的永动机构思？？机水分解装置 H2 w 氢气发动机水取回部分功量驱动水分 解装置2-2 热力学能（内能）和总能一、热力学能(internal energy) UUch Unu Uth 平移动能 旋转动能 振动动能UkEf1(T)U=U(T,v)UpE f2(T，v) — 二、总(储存)能(total stored energy of system)热力学能，内部储存能E=U+EK+Ep总能宏观动能 宏观位能 外部储存能e=u+ek+ep热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能•U :•u :√√系统总能宏观动能Ek= mc2/2宏观位能Ep = mgz机械能E U E k E p e u e k e p2-3 能量的传递和转化作功，传热能量转换的热力学过程单纯机械能过程热一律的文字表达式热一律:进入能量离开能量内部储存能量变化热力学能U 的物理意义δWδQd U 微热量微功量系统内部能量定义d U δQ δW热力学能U 状态函数δQ =d U +δW Q =∆U +W闭口系2-5 闭口系能量方程δWδQδQ= d U+δWQ= ∆U+Wδq=d u+δw单位工质q=∆u+w）任何工质2) 任何过程准平衡和可逆闭口系能量方程准平衡过程δw p d vδq=d u+p d vq∆u p d v可逆过程T d s= d u+ p d vT d s∆u p d v门窗紧闭房间用电冰箱降温系统Q U W=∆+Q=0 U W∆=−>0W<电冰箱门窗紧闭房间用空调降温系统闭口系Q U W=∆+Q<U Q W ∆=−0W<空调Q W>开口系统能量方程式δW i δQδm δm out u in u out gz ingz out212in c 212o u t c 能量守恒原则进入能量离开能量储存能量变化推动功的引入iδm out12c2o u tinδm out u c2/2gzδW i d E cv推动功的表达式推动功推动工质流入、流出pAp V△lv v W 推p △l pV对推动功的说明1、流动2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w＝pv状态量推4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导δW iδQpv inδm out u inu out gz ingz out 212in c 212o u tc δQ δm in (u +c 2/2+gz )in δm out (u +c 2/2+ gz )-δW i =d E cvδm inpv out开口系能量方程微分式δQ δm in u pv c 2/2gz δW iδm out u pv c 2/2gz d E cv工程上常用流率热流率质流率内部功率τδd Q=Φτδd m q outm =τδd W P ii =iin m in outm out cvP q gz cpv u q gz c pv u d dE ++++−++++=Φ,2,2)2()2(τ∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE ,2,2)2()2(τ开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE,2,2)2()2(τ焓的引入定义：焓h u pvh h 开口系能量方程焓（Enthalpy)定义：h u pv（比焓）H U pV[ kJ ]1、焓2、H H U pV m u pv= m hh3、焓热力学能推动功焓能量4、流动而携带能量稳定流动能量方程Steady State Steady Flow(SSSF)稳定流动条件δW i δQδm in δm out u inu outgz ingz out212in c 212o u t c 1、2、3、4、m out m in m q q q ==,,Const =ΦConstP i =0/,=τd dE V C∑∑++−++++=Φiinm in joutm out i cv q gz ch q gz c h P d dE ,2,2)2()2(τm q m q 0iw z g c h q +∆+∆+∆=221上式除以q m mq稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程iw z g c h q +∆+∆+∆=221iwz g ch q +∆+∆+∆=221if w z mg c m H Q +∆+∆+∆=221技术功动能内部功机械能位能tW tw tQ m h W =∆+tq h w =∆+单位质量工质的开口与闭口w iqtq h w =∆+q u w=∆+体积变化功等价技术功uq w ∆−=iwz g ch q +∆+∆+∆=221ti w w z g c pv w =+∆+∆=∆−221)(则)(1122v p v p w w t −−=vdpw t −=δ稳定流动能量方程式tq h w =∆+tw dh q δδ+=tW dH Q δδ+=∫−∆=21vdph q vdpdh q −=δ∫−∆=21VdpH Q VdpdH Q −=δ微元过程若过程可逆稳流开口与闭口的能量方程tq h w =∆+w w t q u w=∆+w i pv对功的小结2、内部功w i3、1、体积变化功ww i w tw w t△(pv)△c2/2g△z做功的根源w i例1：动力机械（动力机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机燃气轮机动力机械(动力机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大 3）保温层q≈0输出的轴功是靠焓降转变的wi = -△h = wt = h1 - h2>0例2：压缩机械（压气机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 制冷 空调 水泵压气机压缩机压缩机械（压气机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大输入的轴功转变为焓升wi = -△h+q = -wt h1 - h2<0例3：换热设备（换热器）火力发电： 锅炉、凝汽器 核电： 制冷 空调 热交换器、凝汽器 蒸发器、冷凝器换热设备（换热器）h1热流体 冷流体h2q = ∆h + wi没有作功部件wi = 0h1’ h2’ q = ∆ h = h2 − h1焓变热流体放热量： q = ∆ h = h2 − h1 < 0 冷流体吸热量： q = ∆ h = h − h > 0' ' 2 ' 1例4：绝热节流管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管绝热节流h1 h2q = ∆h + wi没有作功部件 wi = 0 绝热 q = 0 ∆h = 0 h1 = h2例5：喷管和扩压管火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机静叶压气机静叶喷管和扩压管喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高1 q = ∆h + ∆c 22+ g∆z + wi动能参与转换，不能忽略 喷管wi = 0q = 0 g ∆z = 0扩压管1 2 ∆c = −∆h 2 动能与焓变相互转换。
工程热力学第二章课件
要二者相等，函数fAC、fBC须取以下形式：
fAC= ( XC ) A ( X A,YA ) ( XC )
(2-7)
fBC= ( X C ) B ( X B ,YB ) ( X C )
将式（2-7）与（2-8）代入式（2-6），得
(2-8)
A( X A,YA ) B ( X B ,YB )
2. 温度测量－－温度计与温标
我们已得到了热力学第零定律的一个重要推论——状态参数温度存在。
现将温度这一性质定量化。若要判断两个系统温度是否相等，根据 热力学第零定律，可用第三个系统分别与它们接触，如果都是处于热平 衡的，即没有热的相互作用，则这两个系统也处于热平衡，它们的温度 相等。如果第三个系统和其中一个热平衡而和另一个有热的相互作用， 则这两系统温度不等。对于一般第三个系统和它们可能均达不成热平衡 的情况，我们进一步推想，若选的第三个系统的热容相对很小，它与其 它系统接触时，即使有热的相互作用，对它们的状态也几乎没有影响， 而自己的状态却有明显的改变，那么当其与第一个系统达成热平衡处于 某一状态后，若与第二个系统达不成热平衡，状态继续变化，则这两系 统温度不等。这里比较两个系统的温度，它们无须接触，第三个系统状 态参数的变化可指示温度的异同。因此，我们得到了热力学第零定律的 另一个重要推论－－温度计存在。
二是选定一种温度的数值表示法——温标。它又包括两部分：基准点和分度
方法。我们最常见的是摄氏温标（℃）。它将标准大气压下纯水的冰点和汽点分
（2-11）
上述证明很易推广到任意多个系统处于热平衡且每个系统有任意独立
变量个数的情况。
这一结果表明：任何系统均有一个状态函数存在，它对于所有相互处于 热平衡的系统数值相同。我们将这个状态函数定义为温度，作为判断 一个系统与其它系统是否处于热平衡的宏观性质。一切处于热平衡的 系统，其温度均相等。
工程热力学课件
§ 2—7 能量方程式的应用
一、动力机 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低， 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低， 对机器作功；进出口速度相差不多，动能改变很小， 对机器作功；进出口速度相差不多，动能改变很小，可忽 对外界略有散热， 为负的 数量很小，可不计。 为负的， 略；对外界略有散热，q为负的，数量很小，可不计。
准静态和可逆闭口系能量方程
简单可压缩系准静态过程 简单可压缩系准静态过程 δw = pdv δq = du + pdv 热一律解析式之一 q = ∆ u + ∫ pdv 简单可压缩系可逆过程 简单可压缩系可逆过程 δ q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 ∫ Tds = ∆ u + ∫ pdv
2-16~2-17为不同形式的稳定能量方程式，对有无扰 为不同形式的稳定能量方程式， 为不同形式的稳定能量方程式 动和摩擦均能用。 动和摩擦均能用。
三、稳定流动能量方程式的分析
1 2 q − ∆u = ∆c f + g∆z + ∆( pv) + wi 2
工质对机 器作功
技术功w 技术功 t wt = wi + 1 (c 2 2 − c 2 1 ) + g ( z 2 − z1 ) f f 2 q − ∆u = w
1 2 q = ∆h + ∆c f + g∆z + wi 2
1kg工质对机器所作的功 工质对机器所作的功
工程热力学课件第2章
相对误差=
煤气表上读得煤气消耗量是68.37m3，使用 例 煤气表上读得煤气消耗量是 期间煤气表的平均表压力是44mmH2O，平均温 期间煤气表的平均表压力是 ， 度为17℃ 大气平均压力为751.4mmHg，求： 度为 ℃，大气平均压力为 ， 消耗多少标准 的煤气。 消耗多少标准m3的煤气。 标准
4、实际气体 、
如果气体的状态处于很高的压力或很低的温度， 如果气体的状态处于很高的压力或很低的温度， 很高的压力 气体有很高的密度， 气体有很高的密度，以致分子本身的体积及分 子间的相互作用力不能忽略不计时， 子间的相互作用力不能忽略不计时，就不能当 作理想气体看待了，这样的气体称为实际气体。 作理想气体看待了，这样的气体称为实际气体。 实际气体 实际气体不能用简单的式子描述， 实际气体不能用简单的式子描述，是真实的工 不能用简单的式子描述 如火力发电的水和水蒸气、 质。如火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制 冷工质等。 冷工质等。
夏天， ， 夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶 答：夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶 夏天 为何容易引起轮胎爆破？ 时，为何容易引起轮胎爆破？ 轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高， 时，轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高， 而轮胎的体积几乎不变， 而轮胎的体积几乎不变，所以气体容积保持不 轮胎内气体的质量为定值， 变，轮胎内气体的质量为定值，其可视为理想 气体， 可知， 气体，根据理想气体状态方程式 可知， pV = mRT 轮胎内气体的压力升高， 轮胎内气体的压力升高，即气体作用在轮胎上 的力增加，故轮胎就容易爆破。 的力增加，故轮胎就容易爆破。
Mc c' = = cρ0 22.4
二、定容比热容和定压比热容
一定量的物质在吸收或放出热量时， 一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度 变化的大小取决于工质的性质、 变化的大小取决于工质的性质、数量和所经 历的过程。 历的过程。 经验表明，同一种气体在不同条件下，如在 经验表明，同一种气体在不同条件下， 保存容积不变 压力不变的条件下加热 容积不变或 的条件下加热， 保存容积不变或压力不变的条件下加热，同 样温度升高1K所需的热量是不同的 所需的热量是不同 样温度升高 所需的热量是不同的。
工程热力学课件 2
Change in
= the total energy of the system
闭口系循环的热一律表达式
Q W
要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是
不可能制成的” Perpetual –motion machine of the first kind
§2－2 热力学能和总能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
热力学能/内能：
符号：U 法定计量单位：焦耳（J）
比热力学能：（1kg物质的热力学能）
符号：u 单位：J/kg
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
2
U 1 dU U2 U1 dU 0
二、外部储存能
➢ 需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统 的宏观动能和重力位能：
宏观动能：Ek
1 2
mc
2 f
重力位能：Ep mgz
机械能
三、系统的总储存能（简称总能）
系统的总储存能为系统的内部储存能与外部
储存能之和，用 E 表示：
E
U
1 2
mc2f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能U 的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 代表某微元过程中系统通过边界 交换的微热量与微功量两者之差值，也 即系统内部能量的变化。
➢ 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
➢ 分子间相互作用形成的内位能。它是比体积和 温度的函数。
工程热力学课件第1,2章
Basic Concepts and Definition
1-1 热能和机械能相互转换过程
1-2 热力系统
1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态 1-5 工质的状态变化过程
1-6 功和热量 1-7 热力循环
1
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置(Thermal power plant)
定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力 的整套设备。 燃气动力装置(combustion gas power plant) 内燃机(internal combustion gas engine) 燃气轮机装置(gas turbine power plant) 喷气发动机(jet power plant) …… 蒸气动力装置 (steam power plant)
定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 • 高温热源—热源 （ heat source ） 低温热源—冷源（heat sink） • 恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源
热动力装置工作可以概括为：
工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能， 把另一部分热能传给低温热源。
分 类
2
热机工作过程示意图
过热蒸汽 发电机
高温热源 吸热Q1 作功W 热机 机械能 放热Q2 低温热源
3
锅 炉
汽轮机
循环水
乏汽
冷凝器
水泵 冷却水
为使热能源源不断地转化为机械能必须：
1. 凭借工质作为媒介物质；
2. 工质源源不断地从高温热源吸收热量；
3. 工质热力学状态发生循环往复的连续变化；
4. 向温度较低的热源排出一部分热量。
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气态工质的性质是工程热力学研究的主要内容之一 理想气体（ ideal gas）
可用简单的式子描述，如汽车发动机和航空发动 机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等
实际气体（ real gas） 不能用简单的式子描述，真实工质，如火力发电 的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等
第一节 理想气体与实际气体
五、分压力的确定
根据分压力及分容积的定义
piV=miRiT
pVi=miRiT
Vi pi p ri p V
Mi i R g i ri ri ri M Ri
Ri M pi gi p gi p gi p i Mi R
六、混合气体的比热容
对于1kmol质量的气体，其状态方程为
pMv =MRT pVM =R0T
式中VM＝Mv——气体的摩尔容积（m3/kmol）；
R0＝MR——通用气体常数（J/（kmol • K）; 它与气体种类及状态均无关，是一个特定的常数。
对于nkmol质量的理想气体，其状态方程为 pV=nR0T 式中V——nkmol气体所占有的容积（ m3 ）
实验证明，在标准状况（p0=1.01325×105Pa,t0=0℃） 下，1kmol的各种理想气体占有的容积都等于22.4 m3 。 即VM0＝Mv 0＝22.4 m3 。
R0 P0VM 0 T0 101325 22.4 8314 （J/（kmol • K） 273.15
R0与R的区别
gn gi 1 g1 g2 M M1 M 2 M n i 1 M i
整理后，得
n
1 M n gi M i 1 i
2.折合气体常数
（1）若已求出混合气体的折合分子量
R0 8314 R ( J /(kg K ) M M
（2）已知各组成气体的质量成分及气体常数
33
第四节 实际气体状态方程
几百种状态方程 范围广，精度差 范围窄，精度高 提出最早，影响最大，范德瓦尔方程 1873年提出，从理想气体假设的修正出发
34
一、范德瓦尔（Van der Waals）方程
为求过程中的热量，必须依据不同的过程取不 同的比热，并由T1到T2进行积分。 定压过程
m Qp M
T2
T2
Mc
p
dT
T1
n (a0 a1T a2T 2 a3T 3 )dT
T1
定容过程
m QV M
T2
T2
Mc
V
dT
T1
n (a0 R0 a1T a2T 2 a3T 3 )dT
t2
cdt
t1
cdt
0
cdt
0
t1
qc
t2 m 0
t2 c
t1 m 0
t1
看课本【例2－4】 注意点 标准m3 熟练使用比热之间的换算关系
第三节 混合气体的性质
混合气体的性质取决于混合气体中各组成气体的成 分及其热力性质。
由理想气体组成的混合气体，仍然具有理想气体的 特性，服从理想气体的各种定律。 一、混合气体的分压力和道尔顿分压定律
一、理想气体与实际气体
理想气体是一种经过科学抽象的假想气体模型：
气体分子是一种弹性的、不占有体积的质点；
分子相互之间没有作用力（引力和斥力）；
理想气体实质上是实际气体的压力p趋于0或比容v趋于∞时 的极限状态的气体。 当气体分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略不 计时，这种气体称为实际气体。 在某种状态下，将气体视为理想气体或实际气体，要根据 工程计算所容许的误差范围而定。
pv RT
上式中R称为气体常数，与气体种类有关，而与气 体状态无关，其单位为N•m/(kg • K)或J/ (kg • K)。
pv =RT是1kg理想气体的状态方程，反映理 想气体在某一平衡状态下p、 v 、T之间的关系。 对于mkg质量的气体，其状态方程为 pmv =mRT 或 pV =mRT 式中V 为mkg气体所占的容积
Mi i R g i ri ri ri M Ri
四、混合气体的折合分子量与气体常数
Mp R0T
所谓混合气体的分子量，是各组成气体的折合分子量 或称平均分子量。它取决于组成气体的种类与成分。
1.折合分子量
（1）如已知各组成气体的容积成分与分子量， 求混合气体的折合分子量：
m M n
R0 R M
nR0 m
n R
i 1 i
n
0
m
g R
i 1 i
n
mi M R0 i 1 i m
n
i
（3）已知各组成气体的容积成分及气体常数
R0 R M
1 ri R i 1 i
n
R0 r1M 1 r2 M 2 rn M n
1 rn r1 r2 R1 R2 Rn
i 1
n
三、混合气体的成分表示方法及换算 混合气体中各组成气体的含量与混合气体总量之比 值，称为混合气体的成分。 按物量单位的不同，混合气体成分有质量成分、容 积成分和摩尔成分。 1.质量成分
mi gi m
m m1 m2 mn mi
i 1
n
g1 g 2 g n g i 1
cV
2.定压比热
qV
dT
定容质量比热符号用cV 定容容积比热符号用c'V
定容摩尔比热符号用McV
定压质量比热符号用cp
cp
q p
dT
定压容积比热符号用c'p
定压摩尔比热符号用Mcp
3.定压比热与定容比热的关系
从右图可知，等量气体升高相 同的温度，定压过程吸收热量 多于定容过程。因此定压比热 大于定容比热。
i 1
n
二、混合气体的分容积和阿密盖特分容积定律 分容积是假想混合气体中组成气体具有与混合气体 相同的温度和压力时，单独存在所占有的容积。
p T V
p T V
p T V
p T V
分容积Vi
混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi 之和。 即
V V1 V2 Vn [Vi ]T , P
分压力是假定混合气体中组成气体单独存在，并且 具有与混合气体相同的温度及容积时的压力。
道尔顿分压定律： 混合气体的总压力p等于各组成气体分压力pi之和。
p T V
p T V
p T V 分压力pi
p T V
p p1 p2 p3 pn [ pi ]T ,V
c'p-c'V=ρ0R
Mcp-McV=MR= R0
梅耶公式
cp与cV的比值称为比热比。
cp Mc p cV cV McV cp
由梅耶公式得
R cV 1
R cp 1
三、定值比热、真实比热与平均比热
1.定值比热
根据分子运动学说中能量按运动自由度均分的理论 ，理想气体的比热值只取决于气体的分子结构，而 与气体所处的状态无关。凡分子中原子数目相同因 而运动自由度也相同的气体，它们的摩尔比热值都 相等，称为定值比热。 i 摩尔定容比热 McV R0 2
状 态 方 程
1kg:
pv =RT
注意: 摩尔容积VM R0 与 R
mkg:
pV =mRT
1kmol: pVM =R0T nkmol: pV=nR0T
统一单位
三、气体常数与通用气体常数
由式 pVM =R0T 得
VM
R0T p
（m3/kmol）
上式表明：在相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积 VM相同，称为阿佛加得罗定律。
课本例题2－1、2－2、2－3
计算时注意事项
1、记住标准状态的参数 2、绝对压力才是状态参数
3、统一单位（最好均用国际单位）
第二节 理想气体比热容
一、比热容的定义与单位 在分析热力过程时，计算气体的内能、 焓、 熵及热量都要用到气体的比热容。
单位物量的物体，温度升高或降低1K或1oC所 吸收或放出的热量，称为该物体的比热容。有 时简称比热。
若已知混合气体中各组成气体的质量比热ci和质量成 分gi，则混合气体的质量比热为：
c g1c1 g 2c2 g n cn gi ci
i 1 n
n
容积比热
c r1c1 r2c2 rn cn ri ci
i 1
摩尔比热
i 1
n
2.容积成分
Vi ri V
由阿佛加得罗定律
Vmi=Vm ni xi 3.摩尔成分 n Vi niVmi ni ri xi V n Vm n
质量成分与容积成分（或）摩尔成分的换算
mi ni M i Mi Mi gi xi ri m nM M M
由MR=MiRi=R0，pv=RT得
二、理想气体状态方程
根据分子运动理论，对理想气体，存在
2 p nBT 3
上式中：p——单位面积上的绝对压力 n——分子浓度（单位容积内含有的气体分子数） B——比例常数 T——气体的热力学温度 将上式两边同时乘以比容v，得
2 2 pv nvBT N ' BT 3 3
上式中N'＝n v——1kg气体的分子数目，对于一定 的气体， N '为常数。 于是上式可写成
设1kg的某理想气体，温度升高 dT，所需热量为 按定容加热： 按定压加热： 两者之差为：
qV cV dT q p c p dT
q p qV [ pdv] p d ( pv) p
即