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1、会计学1热力学及其应用热力学及其应用(yngyng)22第一页，共48页。主讲：王习东主讲：王习东能源能源(nngyun)与资源工程系与资源工程系主要主要(zhyo)参考书参考书化学热力学基础、高执棣主编化学热力学基础、高执棣主编北京大学出版社、北京大学出版社、2004年年热力学（热力学（Thermodynamics）（第）（第6 版）版）Kenneth Wark Jr./Donald E.Richards主编主编清华大学出版社、清华大学出版社、2006年年工程热力学、武淑萍主编工程热力学、武淑萍主编重庆大学出版社、重庆大学出版社、2006年年第1页/共48页第二页，共48页。1 绪论2 热力
2、学基础与化学热力学3 工程热力学基础4 化学热力学在能源与环境材料(cilio)中的应用5 化学热力学在资源利用过程的应用6 化学热力学在能源动力中的应用7 工程热力学在新兴能源利用中的应用 8 热力学发展展望 课程内容课程内容第2页/共48页第三页，共48页。3 工程(gngchng)热力学基础3.1 工程热力学基本原理3.2 理想气体(l xin q t)与水蒸气3.3 常见工质及其性能3.4 供热与制冷第3页/共48页第四页，共48页。3.2 理想气体(l xin q t)与水蒸气1kg1kg理想气体理想气体(l(l xin q t)xin q t)mkgmkg理想气体理想气体(l xi
3、n q t)(l xin q t)1kmol1kmol理想气体理想气体n nkmolkmol理想气体理想气体R Rg g 是一个与气体的种类有关，与气是一个与气体的种类有关，与气体的状态无关的常数，称为体的状态无关的常数，称为气体常气体常数数。R R 是一个与气体的种类无关，与气体的是一个与气体的种类无关，与气体的状态也无关的常数，称为状态也无关的常数，称为摩尔气体常数摩尔气体常数。M M是气体的摩尔质量，是气体的摩尔质量，kg/molkg/mol。气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系；气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系；第4页/共48页第五页，共48页。理想气体(qt)分子中原子数相同的气
4、体(qt)，其摩尔比热容都相等单原子气体双原子气体多原子气体定压摩尔比热容定容摩尔比热容项 目第5页/共48页第六页，共48页。(1)(1)过程方程过程方程定值定值 (2)(2)状态参数间关系式状态参数间关系式 (3)(3)定容过程的过程曲线定容过程的过程曲线可知定容过程线在可知定容过程线在T-sT-s图上为一指数曲线图上为一指数曲线,曲线的斜率是曲线的斜率是1)1)定容过程定容过程第6页/共48页第七页，共48页。(3)(3)定容过程定容过程(guchng)(guchng)的过程的过程(guchng)(guchng)曲线曲线pvTs1212(4)(4)功量和热量功量和热量体体 积积 功功热热
5、 量量第7页/共48页第八页，共48页。2)2)定压过程定压过程(guchng)(guchng)(1)(1)过程方程过程方程定值定值(2)(2)状态参数间关系式状态参数间关系式 (3)(3)定压过程的过程曲线定压过程的过程曲线可知定压过程线在可知定压过程线在T-sT-s图上为一指数曲线图上为一指数曲线定压过程曲线的斜率是定压过程曲线的斜率是定容过程曲线的斜率是定容过程曲线的斜率是第8页/共48页第九页，共48页。定压过程定压过程(guchng)(guchng)的的pvpv图和图和T-sT-s图图pvTs1212v(4)(4)功量和热量功量和热量(rling)(rling)体体 积积 功功热热
6、量量技技 术术 功功或第9页/共48页第十页，共48页。3)定温过程定温过程(guchng)(1)过程方程定值 或 (2)状态参数关系式(3)定温过程的过程曲线曲线的斜率是定值由过程方程得可知在 p-v 图上是一等边双曲线,第10页/共48页第十一页，共48页。定温过程定温过程(guchng)(guchng)的的p-vp-v图和图和T-sT-s图图pvTs1212体体 积积 功功 热热 量量技技 术术 功功(4)(4)功量和热量功量和热量(rling)(rling)第11页/共48页第十二页，共48页。道尔顿分压力道尔顿分压力(yl)(yl)定律定律T,V p1T T,V V p p2 2T,
7、V p nT,V 混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和。混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和。p pi i第第 i i 种组成气体的分压力。第种组成气体的分压力。第 i i 种组成气体占有与混合气体相同的种组成气体占有与混合气体相同的 容积和处于与混合气体相同的温度下所具有的压力称为容积和处于与混合气体相同的温度下所具有的压力称为第第 i i 种组成种组成 气体的分压力。气体的分压力。第12页/共48页第十三页，共48页。O点称为三相点，现在国际单位规定(gudng)水的三相点温度为273.16K，通常我们说的水的冰点温度0 0C（273.15K）第13页/共48页第十四页，共48
8、页。水的热水的热力学曲面力学曲面(qmin)图图固液固液气体(qt)临界点液体(yt)液汽三相线固汽蒸汽pTvp常数T常数固体第14页/共48页第十五页，共48页。水的水的水的水的p-Tp-T相图相图相图相图(xin(xin t)t)固液固液液 体固固 体体o o 三相点三相点蒸 气A A固汽液汽C CBpT气 体（汽化（汽化(qhu)(qhu)曲线）曲线）（熔解（熔解(rn(rn ji)ji)曲线）曲线）（升华曲线）（升华曲线）临界点水的pT相图热力学曲面在热力学曲面在p-Tp-T平面上的投影平面上的投影被称为被称为p-Tp-T图图,又又称为相图。称为相图。第15页/共48页第十六页，共48
9、页。3.3 常见(chn jin)工质及其性能工质是指实现热能与机械能或其他能量的转换或传递过程中所用(su yn)的工作介质。工质一般是流体，尤其是气体（见理想气体、实际气体、混合气体）或水蒸汽，因为气态物质有良好的流动性和压缩性，便于吸收、输运(sh yn)、释放或转换能量。水和水蒸汽容易获得，成本低廉，并具有无腐蚀性、比热容和汽化潜热较大等优良性能，所以是最常用的工质 第16页/共48页第十七页，共48页。热机中：工质是热机中热能转变为机械能的一种媒介物质（如燃气、蒸汽等）依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能(cinng)获得功。充当工质的最基本条件是：要有好的流动性和受热(shu
10、r)后有显著的膨胀性，并有较大的热容量及安全可靠。工程中最适于充当工质的是气体或由液态过渡为气态的蒸气，如蒸汽轮机中的蒸汽，内燃机中的燃气，制冷装置中的氨蒸气等。第17页/共48页第十八页，共48页。描述工质所处热力状态(zhungti)的物理量称为工质的热力状态(zhungti)参数，简称状态(zhungti)参数 工程热力学工质常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环(xnhun)的分析和热力计算，都是非常重要的 工程热力学工质种类(zhngli)多种多样第18页/共48页第十九页，共48页。内燃机装置内燃机装置(zhungzh)(zhungzh)燃气轮
11、机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)装置装置 蒸汽蒸汽(zhn q)(zhn q)动力装置动力装置 装置名称装置名称 工作物质工作物质 热热 源源 冷冷 源源 功功水蒸汽 高 温 物 体 冷却水 对外输出功燃 气 燃烧产物(自身)大 气 对外输出功燃 气 燃烧产物(自身)大 气 对外输出功压缩制冷装压缩制冷装置置 制冷剂 被冷却物体 大 气 消 耗 功工程热力学工质种类多种多样第19页/共48页第二十页，共48页。汽缸汽缸活塞曲柄连杆锅炉冷凝器曲轴箱泵泵 蒸汽蒸汽(zhn(zhn q)q)动力装置动力装置 第20页/共48页第二十一页，共48页。废废气气燃烧室燃烧室燃燃气气轮轮机机空空气
12、气压压气气机机燃燃料料 燃气轮机燃气轮机(rnqlnj)(rnqlnj)装装置置 第21页/共48页第二十二页，共48页。内燃机装置内燃机装置(zhungzh)(zhungzh)第22页/共48页第二十三页，共48页。压缩压缩(y su)(y su)制制冷装置冷装置 第23页/共48页第二十四页，共48页。3.4 供热与制冷(zhlng)第24页/共48页第二十五页，共48页。逆向逆向(n xin)(n xin)卡诺循环卡诺循环1423T1T2Ts1)逆卡诺循环的组成逆卡诺循环的组成 1-2定熵压缩、定熵压缩、2-3定温放热、定温放热、3-4定熵膨胀定熵膨胀(png zhng)、4-1定温吸热
13、。定温吸热。第25页/共48页第二十六页，共48页。制冷制冷(zhlng)(zhlng)循环与热泵循环循环与热泵循环R WARMenvironmentWnet=required inputCOLDRefrigerated spaceQ1Q2=desired output(1)(1)制冷制冷(zhlng)(zhlng)循环循环 (Refrigerator)(Refrigerator)以从低于环境温度的冷库取出热以从低于环境温度的冷库取出热量为目的并将其输送到环境中，量为目的并将其输送到环境中，维持冷库的低温维持冷库的低温(dwn),(dwn),此循环此循环为制冷循环。为制冷循环。从冷库取出的热量
14、从冷库取出的热量 QQ2 2 称为制冷量。称为制冷量。吸热量、放热量、循环耗吸热量、放热量、循环耗 净功之间存在关系式为净功之间存在关系式为第26页/共48页第二十七页，共48页。(2)(2)热泵制热热泵制热(供暖供暖)循环循环 (Heat pump)(Heat pump)HPWarmhouseCOLDenvironmentWnet=required inputQ1=desired outputQ2 以向高温物体供热为目以向高温物体供热为目的的,从环境提取热量并输送到从环境提取热量并输送到暖房，其效果就是维持暖房暖房，其效果就是维持暖房温度始终高于环境温度。这温度始终高于环境温度。这样的循环称
15、为热泵循环。样的循环称为热泵循环。向高温暖房输送的热量向高温暖房输送的热量 QQ1 1称为供暖量。称为供暖量。第27页/共48页第二十八页，共48页。1423T1T2Ts环境环境(hunjng)T0(hunjng)T0制冷制冷(zhlng)循环循环热泵(r bn)循环制冷量q2耗净功w0耗净功w0吸热量q2供热量q13)3)制冷循环与热泵循环的比较制冷循环与热泵循环的比较sT 制冷机与热泵在热力学意义上都是从低温热源吸热、向高温热源制冷机与热泵在热力学意义上都是从低温热源吸热、向高温热源 放热的逆向循环。放热的逆向循环。第28页/共48页第二十九页，共48页。4)4)制冷制冷(zhlng)(z
16、hlng)循环的计算内容循环的计算内容制冷量制冷量制冷剂从低温物体制冷剂从低温物体(wt)(wt)吸收的热量吸收的热量循环循环(xnhun)(xnhun)放热量放热量循环耗净功循环耗净功制冷系数制冷系数制冷系数制冷系数=制冷量制冷量循环耗净功循环耗净功卡诺制冷系数卡诺制冷系数表达式表达式1 14 42 23 3T T2 2T Ts sT T0 0制冷量制冷量q q2 2耗净功耗净功w wnetnet第29页/共48页第三十页，共48页。卡诺制冷系数卡诺制冷系数结论：结论：逆向卡诺循环的制冷系数只与热源和冷源的温度有关，而与逆向卡诺循环的制冷系数只与热源和冷源的温度有关，而与 工质的性质无关。工
17、质的性质无关。当环境温度当环境温度T T0 0一定，制冷系数只与被冷却物体的温度一定，制冷系数只与被冷却物体的温度T T2 2有关。有关。制冷系数可以大于制冷系数可以大于1,1,也可以小于也可以小于1 1。第30页/共48页第三十一页，共48页。5)5)热泵供暖循环的计算热泵供暖循环的计算T1TsT0耗净功w0吸热量q2净耗功wnet供暖量供暖量w wnetnetq q2 2供热量供热量吸热量吸热量循环耗净功循环耗净功制热系数制热系数(或供暖系数或供暖系数)制热系数制热系数=供热量供热量循环耗净功循环耗净功卡诺制热系数卡诺制热系数第31页/共48页第三十二页，共48页。蒸汽蒸汽(zhn q)(
18、zhn q)压缩压缩式制冷循环式制冷循环CompressorExpansionValve1234CondenserEvaporatorq2q1Vapor-liquid separator第32页/共48页第三十三页，共48页。Expansion valveValvePumpHeating EvaporatorCondenserEvaporatorQ2AbsorberQ1QQ1“Compressor”制冷剂制冷剂(氨氨)吸收剂吸收剂(水）水）吸收式制冷吸收式制冷(zhlng)(zhlng)循环循环第33页/共48页第三十四页，共48页。8PumpCondenserSteam boiler1014
19、26Jet tubeMixing chamberExpansion valve9EvaporatorDiffuserQ2QQ1“Compressor”7蒸汽蒸汽(zhn q)(zhn q)喷射式制冷循环喷射式制冷循环第34页/共48页第三十五页，共48页。制冷系统示意图制冷系统示意图制冷系统示意图制冷系统示意图HouseEvaporatorCondenserExpansion valveCompressorQWinQ第35页/共48页第三十六页，共48页。供暖系统示意图供暖系统示意图供暖系统示意图供暖系统示意图HouseEvaporatorCondenserExpansion valveCom
20、pressorQ2WinQ1第36页/共48页第三十七页，共48页。例题(lt)一、热力学第一定律(dngl)与理想气体1、1mol 单原子理想气体从单原子理想气体从300K加热到加热到350K，(1)容积保持不变；容积保持不变；(2)压强保持不变；压强保持不变；问：在这两过程中各吸收了多少问：在这两过程中各吸收了多少(dusho)热量？增加热量？增加了多少了多少(dusho)内能？对外作了多少内能？对外作了多少(dusho)功？功？第37页/共48页第三十八页，共48页。2、在在1g氦气中加进了氦气中加进了1J的热量，若氦气压强并无的热量，若氦气压强并无变化变化(binhu)，它的初始温度为
21、，它的初始温度为200K，求它的温度升高多少？求它的温度升高多少？3、压强为压强为1.0105Pa，体积为，体积为0.0082m3的氮气，的氮气，从初始温度从初始温度300K加热到加热到400K，加热时加热时(1)体积不变，体积不变，(2)压强不变，问各需压强不变，问各需热量多少？哪一个热量多少？哪一个(y)过程所需热量大？为什过程所需热量大？为什么？么？第38页/共48页第三十九页，共48页。4、设某理想气体的摩尔热容随温度按c=a T 的规律变化(binhu)，a 为一常数，求此理想气体1mol的过程方程式。p+CVdV=dTdQRV=+aTdTCVdTTdV=RVadTCVdTTdVRa
22、Tc=dTdQ=dT解：解：第39页/共48页第四十页，共48页。理想气体(l xin q t)1kg1kg理想气体理想气体(l(l xin q t)xin q t)mkgmkg理想气体理想气体(l xin q t)(l xin q t)1kmol1kmol理想气体理想气体n nkmolkmol理想气体理想气体R Rg g 是一个与气体的种类有关，与气是一个与气体的种类有关，与气体的状态无关的常数，称为体的状态无关的常数，称为气体常数气体常数。R R 是一个与气体的种类无关，与气体的是一个与气体的种类无关，与气体的状态也无关的常数，称为状态也无关的常数，称为摩尔气体常数摩尔气体常数。M M是气
23、体的摩尔质量，是气体的摩尔质量，kg/molkg/mol。气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系；气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系；第40页/共48页第四十一页，共48页。理想气体分子中原子数相同的气体，其摩尔(m r)比热容都相等单原子气体双原子气体多原子气体定压摩尔比热容定容摩尔比热容项 目第41页/共48页第四十二页，共48页。二、热化学5、已知：Hf数据如下：CO(g)：-110 kJ/mol CO2(g)：-394 kJ/mol H2(g)：0 kJ/mol（基准，单质(dnzh)）H2O(g)：-242 kJ/mol 求反应CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)的焓变
24、（反应热）H=？第42页/共48页第四十三页，共48页。6、已知：C(石墨(shm)+O2=CO2 DH02CO+O2=2CO2 DH0求：2C(石墨(shm)+O2=2CO DH0第43页/共48页第四十四页，共48页。三、热力学第二(d r)定律7、指出1000K时，在标准状态下，下述几种(j zhn)氧化物哪一个最容易生成。已知 各氧化物的标准生成吉布斯自由能如下第44页/共48页第四十五页，共48页。899第45页/共48页第四十六页，共48页。1011 氧势图反应标准状态下，金属元素与氧亲和能力的高低，请证明：当氧分压变化时，各线位置(wi zhi)高低顺序不发生变化。氧势图各线的交点温度是元素与氧化物的氧化-还原转化温度，请证明，当氧分压变化时，氧化-还原转化温度不发生变化。第46页/共48页第四十七页，共48页。Thank You！第47页/共48页第四十八页，共48页。