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1、11 1、热力系统、工质；闭口系统、开口系统；孤立、热力系统、工质；闭口系统、开口系统；孤立系统，绝热系统；广延量，强度量系统，绝热系统；广延量，强度量;热力平衡状态；热力平衡状态；准平衡过程；可逆过程与不可逆过程；热力循环准平衡过程；可逆过程与不可逆过程；热力循环2 2、基本状态参数：温度、压力、比体积、基本状态参数：温度、压力、比体积3 3、表压力、真空、表压力、真空(度度)、绝对压力、绝对压力第一章第一章 热力学第一定律热力学第一定律基本概念基本概念(理解理解)第1页/共42页2 闭口系闭口系（控制质量（控制质量CM）没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系（控制体积（控制体积CV
2、）通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换按系统与外界质量交换绝热系绝热系 与外界无热量交换与外界无热量交换;孤立系孤立系 与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。3.按能量交换按能量交换 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：一一、热力系分类、热力系分类1.按组元和相按组元和相 按组元数：按组元数：单元系、多元系单元系、多元系按相数：单相系、复相系按相数：单相系、复相系第2页/共42页3热力系示例热力系示例
3、刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝闭口系闭口系黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝闭口绝热系闭口绝热系蓝线内蓝线内孤立系孤立系第3页/共42页4二、二、状态参数坐标图状态参数坐标图 简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：pv图 Ts图三、准平衡过程三、准平衡过程进行条件进行条件：破坏平衡的势破坏平衡的势 过程进行无限缓慢过程进行无限
4、缓慢工质有恢复平衡的能力工质有恢复平衡的能力准平衡过程可在状态参数图上用准平衡过程可在状态参数图上用连续实线连续实线表示表示无穷小无穷小 定义：定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。第4页/共42页5非准静态过程，不可逆非准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准静态过程，可逆作功过程作功过程pFfpb 1.可逆可逆=准静态准静态+没有耗散效应没有耗散效应 2.一切实际过程不可逆一切实际过程不可逆 3.可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论：讨论：5第5页/共42页6四、焓与
5、熵四、焓与熵1、定义：、定义：H=U+pV h=u+pv 单位：单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）2、焓是状态参数。、焓是状态参数。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。量。熵熵1.定义定义2.熵是状态参数熵是状态参数焓焓第6页/共42页7可用的公式：可用的公式：第7页/共42页8五、热力学第一定律及其解析式五、热力学第一定律及其解析式五、热力学第一定律及其解析式五、热力学第一定律及其解析式实质：实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换定律在热现象中的应用。表述：表述：热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，
6、他们热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。之间的比值是一定的。热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。应用范围：应用范围：系统、工质、过程系统、工质、过程第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热第8页/共42页9流入系统的能量流入系统的能量流出系统的能量流出系统的能量系统内部储能增量系统内部储能增量:E ECVCV=考虑到稳流特征：考虑到稳流特征：E ECVCV
7、=0 =0 m m1 1=m m2 2=m m;及及h=u+pvh=u+pv 六、六、稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式1）改写式（）改写式（B）为式（）为式（C）热能转变热能转变成功部分成功部分输出轴功流动功机械能增量机械能增量（C）可逆过程可逆过程第9页/共42页103)第一定律第二解析式第一定律第二解析式可逆可逆第10页/共42页11第二章第二章 气体的性质气体的性质一、理想气体的状态方程一、理想气体的状态方程二、比热容定义二、比热容定义1、定义：、定义：c与过程有关与过程有关c是温度的函数是温度的函数2、定压比热容、定压比热容cp和定容比热容和定容
8、比热容cV温度的函数温度的函数3、cp-cV迈耶公式迈耶公式第11页/共42页12三、三、理想气体热力学能和焓理想气体热力学能和焓 仅是仅是温度温度的函数的函数2、1、因理想气体分子间无作用力因理想气体分子间无作用力3、利用气体热力性质表计算热量、利用气体热力性质表计算热量第12页/共42页13定比热定比热四、四、理想气体的熵是状态参数理想气体的熵是状态参数五、五、几个名词几个名词 饱和液饱和液：处于饱和状态的液体处于饱和状态的液体 t=ts 干饱和蒸汽干饱和蒸汽：处于饱和状态的蒸汽处于饱和状态的蒸汽 t=ts 未饱和液未饱和液：温度低于所处压力下饱和温度的液体温度低于所处压力下饱和温度的液体
9、 t t ts s,t tt ts s=d d 称过热度称过热度 湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽：饱和液和干饱和蒸汽的混合物饱和液和干饱和蒸汽的混合物 t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：使未饱和液达饱和状态的途径：干度干度：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或或 x 表示。表示。比湿度比湿度：1kg1kg干空气中所含水蒸气的质量干空气中所含水蒸气的质量,又称含湿量又称含湿量第13页/共42页14预热预热汽化汽化过热过热t ts六、水定压加热汽化过程六、水定压加热汽化过程1、水定压加热汽化过程、水定压加热汽化过程第14页/共42页15第三章第三章 理想气体混合物和湿空
10、气理想气体混合物和湿空气一、混合气体的分压力定律和分容积定律一、混合气体的分压力定律和分容积定律二、混合气体的比热容、热力学能、焓二、混合气体的比热容、热力学能、焓体积分数体积分数摩尔分数摩尔分数质量分数质量分数各种分数之间的换算各种分数之间的换算 1.比热容比热容2.热力学能热力学能3.焓焓第15页/共42页16三三、cp-cV迈耶公式迈耶公式四、分析四、分析1)cp与与cV均为温度函数均为温度函数,但但cpcV恒为常数：恒为常数：Rg2)(理想气体理想气体)cp恒大于恒大于cV其它呢？第16页/共42页17一、基本热力过程一、基本热力过程常数常数=常数常数 多变过程多变过程第四章第四章 气
11、体的热力过程气体的热力过程第17页/共42页18三、理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差三、理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差 定比热容定比热容二、理想气体多变过程方程式二、理想气体多变过程方程式 适用于适用于：理想气体；理想气体；定比热；可逆绝热过程定比热；可逆绝热过程。第18页/共42页19 1）自发过程有）自发过程有方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的实质是能量转换方向性的实质是能质能质有差异
12、有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能热能不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律一、自发过程的方向性一、自发过程的方向性 能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效补偿过程，其总效果是总体能质降低。果是总体能质降低。代价代价代价代价等温线与等熵线的交点等温线与等熵线的交点 第19页/共42页20二、第二定律的两种典型表述二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述克劳修斯叙述热量不可能热量不可能自发地不花代价地自发地不花代价地从低温物体传向
13、高从低温物体传向高温物体。温物体。2.开尔文开尔文-普朗克叙述普朗克叙述不可能制造不可能制造循环循环热机，只从热机，只从一一 个热源个热源吸热，吸热，将之将之全部全部转化为功，而转化为功，而不在外界留下任何影响不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述是等效的第二定律各种表述是等效的三、卡诺循环及其热效率三、卡诺循环及其热效率卡诺循环热效率卡诺循环热效率第20页/共42页21注意事项：注意事项：2）3）第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；）一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热、等温放热困难
14、；）气体实施等温吸热、等温放热困难；c）气体卡诺循环）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微。太小，若考虑摩擦，输出净功极微。5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。1）即即循环净功小于吸热量，必有放热循环净功小于吸热量，必有放热q2。第21页/共42页22四、逆向卡诺循环四、逆向卡诺循环 制冷系数制冷系数：供暖系数供暖系数：第22页/共42页23五、卡诺定理五、卡诺定理 定理定理1：在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可一切可逆循环逆循环，其，其热效率都相等热效率都相等，与可
15、逆循环的，与可逆循环的种类无关种类无关，与采用哪种，与采用哪种工质也工质也无关无关。定理定理2：在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源间工作的的冷源间工作的一切不可一切不可逆循环逆循环，其热效率必，其热效率必小于可逆循环热效率小于可逆循环热效率。理论意义：理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低，降低T2；2）提高热机效率的极限。）提高热机效率的极限。六、循环热效率归纳：六、循环热效率归纳：适用于一切工质，任意循环适用于一切工质，任意循环适用于卡诺循环，任意工质适用于卡诺循环，任意工质第23页/共42页24七、孤立系统熵
16、增原理七、孤立系统熵增原理 由熵方程由熵方程因为是孤立系因为是孤立系可逆取可逆取“=”不可逆取不可逆取“”【孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理】孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，（其极限）一切过程均可逆时系孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，（其极限）一切过程均可逆时系统熵保持不变统熵保持不变。孤立系熵增意味机械能损失孤立系熵增意味机械能损失3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向根据熵增原理判别过程进行的方向；1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为，可作为第二定律的第二定律的又一数学表达式，而又一数学表达式，而且是且
17、是更基本的一种表达式更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是任何不可逆过程均是Siso0，所以所以熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性。第24页/共42页25第六章第六章 气体和蒸汽的流动气体和蒸汽的流动一、稳定流动的基本方程式一、稳定流动的基本方程式1.连续性方程（质量守恒方程）连续性方程（质量守恒
18、方程）p1T1qm1cf1p2T2qm2cf22.过程方程过程方程注意注意!对水蒸气，对水蒸气，第25页/共42页263.稳定流动能量方程稳定流动能量方程忽略忽略绝热滞止绝热滞止理想气体理想气体：定比热容定比热容第26页/共42页274.声速方程声速方程？马赫数马赫数当地声速当地声速c 所研究的喷管所研究的喷管某一截面的声速某一截面的声速第27页/共42页28二、二、喷管内流速变化的条件喷管内流速变化的条件 1、力学条件、力学条件讨论讨论：喷管喷管扩压管扩压管2）是压降，是技术功转换成机械能。是压降，是技术功转换成机械能。1）异号异号的能量来源的能量来源第28页/共42页292、几何条件、几何
19、条件1）cf与与A的关系还与的关系还与Ma有关，对于喷管有关，对于喷管渐缩喷管渐缩喷管渐扩喷管渐扩喷管第29页/共42页30 截面上截面上Ma=1、cf=c，称，称临界截面临界截面 也称也称喉部喉部截面截面，临界截面上速度达当地音临界截面上速度达当地音速速称称临界压力临界压力、临界温度临界温度及及临界比体积。临界比体积。a）收缩喷管出口截面上流速收缩喷管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速出口截面上音速）；b）以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速。c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐
20、缩渐扩渐缩渐扩喷管喷管拉伐尔拉伐尔喷管喷管。2）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：第30页/共42页31三、喷管流速计算及分析三、喷管流速计算及分析1.计算式计算式注意：注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；b）式中）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般资料提供，但一般资料提供 h，kJ/kg。2.初态参数对流速的影响初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。第31页/共42页32分析：分析：普
21、适普适理想气体、定比热容理想气体、定比热容Cf,max不可能达到极值不可能达到极值从从1下降到下降到0的过程中某点的过程中某点第32页/共42页33临界点临界点，此点上压力，此点上压力pcr与与p0之比称为之比称为临界压力比，临界压力比，cr结论：结论：1）理想气体理想气体水蒸气水蒸气随工质而变随工质而变双原子理想气体双原子理想气体 定比热定比热过热水蒸气过热水蒸气饱和蒸汽饱和蒸汽2）第33页/共42页343）几何条件几何条件约束，临界截面只可能约束，临界截面只可能发生在发生在dA=0处，考虑到工程实际处，考虑到工程实际收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面喉部截面4）第34
22、页/共42页35四、背压四、背压pb对流速的影响对流速的影响 a.收缩喷管收缩喷管 b.缩放喷管缩放喷管不属本课程范围不属本课程范围第35页/共42页36第八章第八章 导导 热热热力学：系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。热力学：系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。传热学：传热学：关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。一、一、热量传递的基本方式热量传递的基本方式热传导（导热）、热对流、热辐射热传导（导热）、热对流、热辐射特点：特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分
23、子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 可以在固体、液体、气体中发生。可以在固体、液体、气体中发生。热传导（导热）热传导（导热）第36页/共42页37二、导热二、导热大平壁的一维稳态导热大平壁的一维稳态导热热流密度：热流密度：单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量平壁的导热热阻平壁的导热热阻平壁的导热热阻平壁的导热热阻表示物体对导热的阻力，表示物体对导热的阻力，表示物体对导热的阻力，表示物体对导热的阻力，K/WK/W平壁的面积导热热阻平壁的面积导热热阻平壁的面
24、积导热热阻平壁的面积导热热阻K/K/（WWmm2 2)第37页/共42页38三、三、热对流热对流对流换热对流换热:流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式:表面传热系数表面传热系数表面传热系数表面传热系数W/(mW/(m2 2 K)
25、K)。对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻W/KW/K第38页/共42页39黑体辐射黑体辐射黑体的热力学温度，黑体的热力学温度，K；黑体辐射常数黑体辐射常数 黑体辐射系数黑体辐射系数 辐射表面积，辐射表面积，m2 发射率发射率发射率发射率四、热辐射四、热辐射辐射换热：辐射换热：辐射换热：辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素辐射换热的主要影响因素：（1 1 1 1）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的
26、温度、表面辐射特性；（2 2 2 2）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。如表面积为如表面积为A1、表面温度为、表面温度为 、发射率为、发射率为 的物体被包容在一个很大的表面的物体被包容在一个很大的表面温度为温度为 的空腔内，此时该物体与空腔表面间的辐射换热量的空腔内，此时该物体与空腔表面间的辐射换热量第39页/共42页40五、传热过程和传热系数五、传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热。两流体间通过固体壁面进行的换热。2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射3 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻过程中传递的热量过程中传递的热量第40页/共42页41传热系数传热系数单位热阻，或面积热阻单位热阻，或面积热阻(m2K)/W 传热系数传热系数W/(m2K)表征传热过程强烈程度的标尺；表征传热过程强烈程度的标尺；不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。壁面温度壁面温度第41页/共42页42感谢您的观看！第42页/共42页