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1、工工程程热热力力学学 徐建良徐建良徐建良徐建良 编编编编授课教师：徐建良授课教师：徐建良授课教师：徐建良授课教师：徐建良 E-mailE-mail： 3/4/20231化学工业出版社化学工业出版社 本学期授课安排|绪论绪论(1)|1.基本概念基本概念(2)|2.气体的气体的p-V-T性质性质(3)|3.能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律(6)|4.气体的主要热力过程与气体的压缩气体的主要热力过程与气体的压缩(4)|5.能质与热力学第二定律能质与热力学第二定律(4)|6.水蒸气水蒸气(2)|7.气体与蒸汽的流动气体与蒸汽的流动(2)|8.动力循环动力循环(4)|9.制冷制冷(4)|10.机
2、动机动(2)|复习考查复习考查(2)2化学工业出版社化学工业出版社 主要参考书|国内国内 1.各高校各高校的的工程热力学工程热力学教材；教材；2.各类各类化工热力学化工热力学教材教材 3.国外教材的翻译版国外教材的翻译版|国外：国外：(1)HD贝尔（西德）著，工程热力学贝尔（西德）著，工程热力学 (2)Dodge（1944年第年第1版）编著版）编著化工化工热力学热力学教材；教材；(3)Smith and Van Ness编著编著化工热化工热力学导论力学导论教材；教材；（第六版）第六版）3化学工业出版社化学工业出版社 学习方法与几点要求|温故知新，复习高数、物理等，及时预、复习，善于提问、总结|
3、充分利用课堂时间提高学习效率|作业按时独立完成|多看一些参考书，扩大知识面平时平时(40%)考查考查(60%)总总评评作业作业(50%)出勤出勤(30%)提问提问(20%)(60%)4化学工业出版社化学工业出版社 绪 论|热力学发展简述热力学发展简述|工程热力学的研究对象和基本任务工程热力学的研究对象和基本任务|工程热力学的主要内容工程热力学的主要内容|工程热力学的研究方法工程热力学的研究方法|工程热力学的学习方法工程热力学的学习方法5化学工业出版社化学工业出版社 绪 论一、热力学发展简介一、热力学发展简介 起源：热现象起源：热现象热力学（热力学（Thermodynamics）1.热力学定义热
4、力学定义 关于能量的普遍学说，或是一门研究能量及其相互转换关于能量的普遍学说，或是一门研究能量及其相互转换的科学，它能预言物质状态变化的趋势并研究伴有热的科学，它能预言物质状态变化的趋势并研究伴有热效应体系的平衡。效应体系的平衡。2.热力学核心内容热力学核心内容 4个定律、个定律、3个个E（Energy、Equilibrium、Entropy）3.发展过程及主要贡献人物发展过程及主要贡献人物 18世纪之前：热质论世纪之前：热质论 Bacon 认为认为“热是一种运动热是一种运动”1744年年 Lomonosov热是热是分子运动的表现分子运动的表现 1824年年 Carnot(1796-1832)
5、1842年年 Mayer 18431848年年 Joule 1850年年 Clausius(18221888),德国物理学家德国物理学家,数学数学,热力学热力学 1851年年 Thomson即即Kelvin,物理物理,热力学热力学,电工电工,测量仪表测量仪表 Rankine,Gibbs,Planck,Boltzmann,Maxwell 4.热力学内容三要素：原理、模型、应用热力学内容三要素：原理、模型、应用6化学工业出版社化学工业出版社 绪 论二、工程热力学的研究对象和基本任务二、工程热力学的研究对象和基本任务（一）工程热力学的研究对象（一）工程热力学的研究对象 物质、状态、现象和过程物质、状
6、态、现象和过程 凡是涉及热现象的过程、装置以及系统都凡是涉及热现象的过程、装置以及系统都是工程热力学的研究对象。而热机中进行的过是工程热力学的研究对象。而热机中进行的过程和循环则是工程热力学的传统研究对象。程和循环则是工程热力学的传统研究对象。（二）工程热力学的基本任务（二）工程热力学的基本任务 就是通过对各种用能设备及系统中的能量就是通过对各种用能设备及系统中的能量转换过程及影响因素的研究，探求有效用能的转换过程及影响因素的研究，探求有效用能的技术途径和基本方法。技术途径和基本方法。7化学工业出版社化学工业出版社 绪 论三、三、工程热力学的主要内容工程热力学的主要内容1研研究究热热力力学学的
7、的基基本本定定律律热热力力学学第第一一、二二定定律律 2研究工质的热物理性质研究工质的热物理性质 3研究各种热力设备中的能量转换过程研究各种热力设备中的能量转换过程 4研研究究与与热热力力设设备备的的工工作作过过程程直直接接有有关关的的一一些些化化学和物理化学问题。学和物理化学问题。工工程程热热力力学学的的应应用用范范围围已已扩扩展展到到许许多多工工程程技技术术领领域域中中,如如制制冷冷、热热泵泵、空空气气分分离离、空空气气调调节节、海海水水淡淡化化、化化学学精精炼炼、生生物物工工程程等等,都都需需要要应应用用工工程程热热力力学学的的基基本本理理论论和和基基本本知知识识。因因此此,工工程程热热
8、力力学学已已成成为为制制冷冷与与空空调调及及许许多多相相关关专专业业所所必必修的一门技术基础课。修的一门技术基础课。11:568化学工业出版社化学工业出版社 绪 论四、工程热力学的研究方法四、工程热力学的研究方法 1.宏观研究法宏观研究法(黑箱法黑箱法)2.微观法微观法(白箱法白箱法)3.综合法综合法(灰箱法灰箱法)()(半理论半经验法半理论半经验法)五、工程热力学的学习方法五、工程热力学的学习方法 1.明确本课程的研究对象和任务。明确本课程的研究对象和任务。2.掌握本课程的基本理论，掌握分析问题掌握本课程的基本理论，掌握分析问题解决问题的科学方法。解决问题的科学方法。3.重视平时的解题训练。
9、重视平时的解题训练。11:569化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.1 工质、热力系工质、热力系 一、工质一、工质 为为完完成成热热能能与与机机械械能能之之间间的的相相互互转转换换必必须须借借助助的的某某种种工工作物质或工作介质作物质或工作介质工质工质 11:56二、热力系、边界与外界二、热力系、边界与外界1.热力系热力系:被人为地划分出来作为热力学被人为地划分出来作为热力学研究的对象研究的对象。2.边界边界:包围热力系的边缘包围热力系的边缘3.外界外界:热力系边界以外的空间热力系边界以外的空间10化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念外界的构成外界的构成 (1)单一环境
10、单一环境(Surrounding)如研究换热器时，若以整个换热器为体系，则其外如研究换热器时，若以整个换热器为体系，则其外界为单一的大自然环境，因其不可避免地会与大自然环界为单一的大自然环境，因其不可避免地会与大自然环境发生热交换。境发生热交换。(2)另一或一个以上体系另一或一个以上体系+环境环境 如研究换热器时，若以其中的热流体为体系，则其如研究换热器时，若以其中的热流体为体系，则其外界为两个部分，即大自然环境和冷流体。外界为两个部分，即大自然环境和冷流体。三、热力系的分类三、热力系的分类 1.封闭热力系封闭热力系(闭系闭系)体系与外界只有能量交换而无物质交换的体系；体系与外界只有能量交换而
11、无物质交换的体系；2.敞开热力系敞开热力系(开系开系)体系与外界既有能量交换又有物质交换的体系；体系与外界既有能量交换又有物质交换的体系；3.孤立热力系孤立热力系(孤立系、隔离热力系孤立系、隔离热力系)体系与外界既无能量交换又无物质交换的体系。体系与外界既无能量交换又无物质交换的体系。11:5611化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.2 工质的热力状态和基本状态参数工质的热力状态和基本状态参数一、热力状态一、热力状态 热热力力系系中中的的工工质质在在某某一一瞬瞬间间所所具具有有的的全全部部宏宏观观物物理理状状况况称称为为工工质的热力状态，简称状态。质的热力状态，简称状态。二、平衡
12、状态二、平衡状态 平平衡衡状状态态是是指指热热力力系系在在无无外外界界影影响响下下，其其宏宏观观物物理理状状况况不不随随时时间而变化的状态。间而变化的状态。热力学一般只对平衡状态进行分析研究。热力学一般只对平衡状态进行分析研究。三、基本状态函数三、基本状态函数(一一)状态参数状态参数 1.状态函数的概念状态函数的概念:指用来描述体系所处状态的宏观物理量。指用来描述体系所处状态的宏观物理量。2.状态函数的特点状态函数的特点:唯一性唯一性,点函数点函数,有全微分，如：有全微分，如：11:56 3.热力学状态函数的分类热力学状态函数的分类 (1)强度性质强度性质(Intensive Properti
13、es)凡与质量无关的称为强度量凡与质量无关的称为强度量,如如p、T等等,强度量不具有加和性强度量不具有加和性 (2)容量性质（广延性质）容量性质（广延性质）(Extensive Properties)凡与质量成比例的量称之为容量性质凡与质量成比例的量称之为容量性质,如如V等等,具有加和性具有加和性12化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.2 工质的热力状态和基本状态参数工质的热力状态和基本状态参数三、基本状态函数三、基本状态函数(二二)温度温度(Temperature)1.温度的概念温度的概念 (1)宏观的定义宏观的定义:衡量物体冷、热程度的参数。衡量物体冷、热程度的参数。(2)微
14、观的定义微观的定义:衡量物体内部分子热运动强弱的参数。衡量物体内部分子热运动强弱的参数。(3)热力学第零定律热力学第零定律(温度计测温的依据温度计测温的依据)若若A与与B处处于于热热平平衡衡状状态态，A与与C也也处处于于热热平平衡衡状状态态，则则B与与C必必处处于于热热平平衡衡状状态态。描描述述处处于于同同一一热热平平衡衡状状态态的的宏宏观观物物理理量量称称为为温度。温度。2.温度的表示温度的表示 (1)开氏温标开氏温标(Kelvin,1848年年Thomson提出提出)1954年年国国际际第第十十届届计计量量会会议议规规定定，以以水水的的三三相相点点为为基基准准，定定为为273.16K。(2
15、)摄氏温标（摄氏温标（Celsius，1742年）年）(3)华氏温标（华氏温标（Fahrenheit，1714年）年）(4)兰氏温标（兰氏温标（Rankine）11:5613化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.2 工质的热力状态和基本状态参数工质的热力状态和基本状态参数三、基本状态函数三、基本状态函数(二二)温度温度(Temperature)3.各种温标之间的关系各种温标之间的关系(用软件演示用软件演示)11:56温标种类温标种类开氏温标开氏温标（K）0273.15255.3722摄氏温标摄氏温标（）273.15017.778华氏温标华氏温标（）459.67320兰氏温标兰氏温标
16、（R）0491.67459.67T(K)=t()+273.15T(R)=1.8T(K)t()=1.8t()+32t()=T(R)459.6714化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念(三三)压力压力 1.压力的概念压力的概念 单位面积上所受的垂直力称之为压力，以符号单位面积上所受的垂直力称之为压力，以符号p表示。表示。2.压力表与真空表压力表与真空表11:56 3.压力的表示压力的表示(1)当绝对压力大于大气压力（当绝对压力大于大气压力（p0）时，压力表上的读数）时，压力表上的读数ps称为表压称为表压力。此时有：力。此时有：p=ps+p0（1-2）(2)当绝对压力低于大气压力时，表示容
17、器内工质具有真空度（当绝对压力低于大气压力时，表示容器内工质具有真空度（pv），），此时有：此时有：p=p0 pv（1-3）思考思考:压力的基本单位压力的基本单位?换算换算?ps、pv是不是状态参数是不是状态参数?15化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.2 工质的热力状态和基本状态参数工质的热力状态和基本状态参数(四四)密度与比体积密度与比体积 1.密度密度(1)密度的概念密度的概念 单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。(2)密度的计算密度的计算=m/V (kg/m3)2.比体积比体积(又称比容又称比容)(1)比体积的概念比体积
18、的概念 单位质量工质占有的容积称之为工质的比体积。单位质量工质占有的容积称之为工质的比体积。(2)比体积的计算比体积的计算v=V/m (m3/kg)密度与比体积互为倒数！密度与比体积互为倒数！11:5616化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.3 状态方程与状态参数坐标图状态方程与状态参数坐标图 一、状态参数之间关系的描述方法一、状态参数之间关系的描述方法 (1)公公式式、表表达达式式、关关系系式式等等;(2)图图形形、曲曲线线等等;(3)表表格格思思考考:上上述述三三种种方方式式中中哪哪一一种种方方法法对对体体系系所所处处状状态态的的描描述述最为正确最为正确?11:56pV=p1
19、V1=p2V2二、状态方程二、状态方程 表示状态参数之间函数关系的数学表达式。表示状态参数之间函数关系的数学表达式。三、三、状态参数坐标图状态参数坐标图 描述热力系状态参数之间关系的图形。描述热力系状态参数之间关系的图形。思考思考:(1)描述纯物质的性质要用几个描述纯物质的性质要用几个状态参数状态参数?(2)描述理想气体等温过程的状描述理想气体等温过程的状态方程态方程?状态参数坐标图状态参数坐标图?17化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.4 热力过程及其描述热力过程及其描述 一、热力过程一、热力过程 热热力力系系与与外外界界相相互互作作用用而而引引起起的的热热力力系系由由一一个个
20、平平衡衡状状态态经经过过连连续续的的中中间间状状态态变变化化到到一一个个新新的的平平衡衡状状态态的的全全过过程程，称称为为热热力力过过程程，简称过程，它实质上是一系列状态点组成的轨迹。简称过程，它实质上是一系列状态点组成的轨迹。二、实际热力过程二、实际热力过程非平衡过程非平衡过程11:56思考：思考：实际过程容积计算？实际过程容积计算？功功=力力位移位移W=p2S(v2v1)/S =p2(v2v1)N mJ三、平衡过程与准静态过程三、平衡过程与准静态过程(一一)平衡过程平衡过程 热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡过程热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡过程。18化学工业出版社化学工业出版
21、社 第一章 基本概念11:56三、平衡过程与准静态过程三、平衡过程与准静态过程(一一)平衡过程平衡过程 热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡热力系的变化是经历一系列平衡状态的平衡过程过程。平平衡衡过过程程中中任任何何一一个个状状态态的的特特征征都都可可用用状状态态方方程程来来描描述述,其其过过程程在在坐坐标标图图上上可可表表示示为为一一条条曲曲线线,称为过程线称为过程线,如图如图1-9中的曲线中的曲线1-2。准静态过程的特征是：准静态过程的特征是：（1）在在过过程程中中，热热力力系系内内部部不不断断存存在在力力平平衡衡和和热热平平衡衡，或或平平衡衡被被破破坏的程度无限小；坏的程度无限小；（2
22、）过程进行得无限慢；）过程进行得无限慢；（3）在坐标图上可用连续的曲线来描述，如图）在坐标图上可用连续的曲线来描述，如图1-9中的曲线中的曲线1-2。(二二)准静态过程准静态过程(准平衡过程准平衡过程)由一系列中间平衡状态所组成的热力过程称由一系列中间平衡状态所组成的热力过程称为准静态过程。为准静态过程。19化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念11:56四、可逆过程与不可逆过程四、可逆过程与不可逆过程(一一)不可逆过程不可逆过程 一切实际热力过程都是不可逆过程。一切实际热力过程都是不可逆过程。(二二)可逆过程可逆过程 是指一个过程进行之后，可以循原途径逆是指一个过程进行之后，可以循原
23、途径逆向进行，并使热力系与外界完全恢复到原来状态向进行，并使热力系与外界完全恢复到原来状态的过程。的过程。思考思考:准静态过程与可逆过程的区别准静态过程与可逆过程的区别?简单热力系进行可逆过程必须满足以下二个条件：简单热力系进行可逆过程必须满足以下二个条件：（1）无无推推动动力力，即即传传热热无无温温差差传传热热时时热热力力系系内内部部、热热力力系系与与外外界界均均不不存存在在温温差差；做做功功（或或耗耗功功）无无压压差差即即膨膨胀胀时时（或或压压缩缩时时）热力系内部、热力系与外界不存在压差；热力系内部、热力系与外界不存在压差；（2）过程中热力系与外界、热力系内部均不存在任何摩擦。）过程中热力
24、系与外界、热力系内部均不存在任何摩擦。可逆过程的基本特征是可逆过程的基本特征是:过程进行的结果不给热过程进行的结果不给热力系及外界留下任何影响（或痕迹）。力系及外界留下任何影响（或痕迹）。20化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.5 热力系的状态能热力系的状态能 一、一、静态工质的贮存能静态工质的贮存能(一一)内贮存能内贮存能内能内能(热力学能热力学能)1.内能的定义内能的定义 热热力力系系内内所所有有粒粒子子除除整整体体势势能能及及整整体体动动能能外外全全部部能能量量的的总总和和，它它是是与与物物质质内内部部分分子子结结构构以以及及分分子子运运动动有有关关的的微观能量。微观能量。
25、2.内能的构成内能的构成 (1)内动能内动能;(2)内位能内位能;(3)化学能化学能;(4)原子能。原子能。(二二)外部贮能外部贮能重力位能重力位能 由于重力的作用而具有的重力位能由于重力的作用而具有的重力位能E p为：为：E p=m g Z 静态工质的总贮存能是其内能与重力位能之和。即静态工质的总贮存能是其内能与重力位能之和。即:E=U+E p（1-4）11:5621化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念二、流动工质的能量及焓二、流动工质的能量及焓（一）宏观动能（一）宏观动能 11:56（二）流动功（二）流动功(挤压功挤压功,推动功推动功,推进功推进功,压强能压强能)1.定义定义:流
26、体在流动过程中流体在流动过程中,由于前后流体之间的相互挤由于前后流体之间的相互挤压而交换的功。压而交换的功。2.计算式计算式 注意注意:流动功是一种特殊的功，其数值仅取决于工质进、流动功是一种特殊的功，其数值仅取决于工质进、出界面时的热力状态。故流动功是状态参数出界面时的热力状态。故流动功是状态参数!22化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念(三三)焓及其物理意义焓及其物理意义 某一流动热力系具有的总能量为某一流动热力系具有的总能量为:E=U+pV+Ek+Ep令令:H=U+p V（1-7a）或或:h=u+p v（1-7b）故故:E=H+Ek+Ep（1-8a）或或e=h+ek+ep（1-
27、8b）对于流动工质对于流动工质,其进、出口总能量变化为其进、出口总能量变化为:E=E2 E1=H+E k+E p（1-9）11:56注意注意:焓只是一个复合状态参数焓只是一个复合状态参数 !23化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.6 热力学的传递能热力学的传递能功与热功与热 一、功一、功（WorkWork）1.功的定义功的定义 (1)经典的力学中的定义经典的力学中的定义:力力位移位移 (2)热热力力学学中中的的定定义义:功功是是热热力力系系通通过过边边界界而而传传递递的的能能量量,且其全部效果可表现为且其全部效果可表现为“举起重物举起重物”。功功是是个个过过程程量量，且且属属于于
28、“有有序序能能量量”、“高高级级能能量量”。2.功的功的“+”、“”号规定号规定 体系得功或耗功为体系得功或耗功为“+”、对外作功为、对外作功为“”。3.功的种类功的种类 如：容积功、轴功、理想功、损失功等如：容积功、轴功、理想功、损失功等 各类功的计算各类功的计算 4.体积功体积功(容积功容积功)计算举例计算举例11:5624化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念11:56 W=Fsur dl(1-12)Fsur=Fsys=psys A(1-13)dl=dv/A例题例题1-1、1-2、1-325化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念二二、热热(Heat),热热量量(quant
29、ity of heat),热热能能(heat energy)1.热量的定义热量的定义 通通过过体体系系的的边边界界，体体系系与与外外界界由由于于温温差差的的存存在在而而传传递递的的一一种种能能量量，有有时时也也称称为为传传热热量量，实实际际上上指指的的是是热热能能的数量。的数量。热热量量是是个个过过程程量量，且且属属于于“无无序序能能量量”、“低低级级能能量量”。2.热量的热量的“+”、“”号规定号规定 体系吸热为体系吸热为“+”+”、放热为、放热为“”。三、功与热的比较三、功与热的比较 1.相同点相同点:过程参数过程参数 2.不同点不同点:功是有序能量功是有序能量;热是无序能量热是无序能量1
30、1:5626化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念1.7 热力循环热力循环 一、根据循环的目的，热力循环分为两大类一、根据循环的目的，热力循环分为两大类1正循环正循环(又称为热机循环、顺时针循环又称为热机循环、顺时针循环)正循环的目的是借助工质将高温热源的部分热能，连正循环的目的是借助工质将高温热源的部分热能，连续不断地转变为机械能。如蒸汽轮机循环、燃气轮机循续不断地转变为机械能。如蒸汽轮机循环、燃气轮机循环、内燃机循环等多属正循环。环、内燃机循环等多属正循环。正循环在状态参数坐标图上是一条沿顺时针方向进行正循环在状态参数坐标图上是一条沿顺时针方向进行的封闭曲线。的封闭曲线。2逆循环逆
31、循环 借助外界提供的能量而将低温物体的热能移至高温物借助外界提供的能量而将低温物体的热能移至高温物体的循环称逆循环。体的循环称逆循环。逆循环按其目的的不同，又可分为制冷循环和热泵循逆循环按其目的的不同，又可分为制冷循环和热泵循环两大类。逆循环在状态参数坐标图上是一条沿逆时针环两大类。逆循环在状态参数坐标图上是一条沿逆时针方向进行的封闭曲线。方向进行的封闭曲线。11:5627化学工业出版社化学工业出版社 第一章 基本概念二、热力循环的特征二、热力循环的特征1工质的任意一个状态参数的净增量都为零，并工质的任意一个状态参数的净增量都为零，并可用数学式表示：可用数学式表示：11:56x表示任一状态参数，如表示任一状态参数，如T、p、h、u等。等。2循环过程中工质与外界交换的净功等于其与循环过程中工质与外界交换的净功等于其与外界的净传热量，即外界的净传热量，即 wB=qB。如蒸汽动力循环。如蒸汽动力循环过程中，蒸汽在锅炉中吸收的热量的数量减去乏过程中，蒸汽在锅炉中吸收的热量的数量减去乏汽在冷凝器中放出的热量的数量，就等于蒸汽在汽在冷凝器中放出的热量的数量，就等于蒸汽在汽轮机中作出的功量减去水泵所耗功量。汽轮机中作出的功量减去水泵所耗功量。28