1、热力学及其应用Thermodynamics and its applications,王习东能源与资源工程系Department of Energy and Resources Engineering,主讲：王习东能源与资源工程系,主要参考书化学热力学基础、高执棣主编北京大学出版社、2004年热力学（Thermodynamics）（第6 版）Kenneth Wark Jr. / Donald E. Richards主编清华大学出版社、2006年工程热力学、武淑萍主编重庆大学出版社、2006年,1 绪论2 热力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中的应用5 化学热力
2、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,3 工程热力学基础,3.1 工程热力学基本原理3.2 理想气体与水蒸气3.3 常见工质及其性能3.4 供热与制冷,3.2 理想气体与水蒸气,1kg理想气体,mkg理想气体,1kmol理想气体,nkmol理想气体,Rg 是一个与气体的种类有关，与气体的状态无关的常数，称为气体常数。,R 是一个与气体的种类无关，与气体的状态也无关的常数，称为摩尔气体常数。,M是气体的摩尔质量，kg/mol。,气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系；,理想气体分子中原子数相同的气体，其摩尔比热容都
3、相等,(3)定容过程的过程曲线,2)定压过程,定压过程的pv图和T-s图,(4)功量和热量,体 积 功,热 量,技 术 功,或,3)定温过程,定温过程的p-v图和T-s图,(4)功量和热量,道尔顿分压力定律,O点称为三相点，现在国际单位规定水的三相点温度为273.16K，通常我们说的水的冰点温度0 0C（ 273.15K）,水的热力学曲面图,固液,气体,临界点,液体,液汽,三相线,固汽,蒸汽,p,T,v,p常数,T常数,固体,水的p-T相图,固液,液 体,固 体,o 三相点,蒸 气,A,固汽,液汽,C,B,p,T,气 体,（汽化曲线）,（熔解曲线）,（升华曲线）,临界点,水的pT相图,热力学曲
4、面在p-T平面上的投影被称为p-T图,又称为相图。,3.3 常见工质及其性能,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、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,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）才能获得功。,充当工质的最基本条件是：要有好的流动性和受热后有显著的膨胀性，并有较大的热容量及安全可靠。工程中最
5、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。,描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状态参数,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的分析和热力计算，都是非常重要的,工程热力学工质种类多种多样,内燃机装置,燃气轮机装置,蒸汽动力装置,装置名称 工作物质 热 源 冷 源 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,压缩制冷装置,制冷剂,被冷却物体,大 气,消 耗 功,工程热
6、力学工质种类多种多样,蒸汽动力装置,燃气轮机装置,内燃机装置,压缩制冷装置,3.4 供热与制冷,逆向卡诺循环,1) 逆卡诺循环的组成 1-2定熵压缩、 2-3定温放热、 3-4定熵膨胀、 4-1定温吸热。,制冷循环与热泵循环,(1)制冷循环 (Refrigerator),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，维持冷库的低温,此循环为制冷循环。,从冷库取出的热量 Q2 称为制冷量。,吸热量、放热量、循环耗 净功之间存在关系式为,1,4,2,3,T1,T2,T,s,环境T0,制冷循环,热泵循环,制冷量q2,耗净功w0,耗净功w0,吸热量q2,供热量q1,3)制冷循环与热泵循环的比
7、较,s,T,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。,4)制冷循环的计算内容,制冷量制冷剂从低温物体吸收的热量,循环放热量,循环耗净功,制冷系数,卡诺制冷系数,表达式,蒸汽压缩式制冷循环,制冷剂(氨) 吸收剂(水）,吸收式制冷循环,8,蒸汽喷射式制冷循环,制冷系统示意图,供暖系统示意图,例题,一、 热力学第一定律与理想气体,1、 1mol 单原子理想气体从300K加热到350K， (1) 容积保持不变； (2) 压强保持不变；问：在这两过程中各吸收了多少热量？增加了多少内能？对外作了多少功？,2、 在1g氦气中加进了1J的热量，若氦气压强并无变化，它的初始温度
8、为200K，求它的温度升高多少？,3、 压强为1.0105Pa，体积为0.0082m3的氮气，从初始温度300K加热到400K，加热时(1) 体积不变，(2) 压强不变，问各需热量多少？哪一个过程所需热量大？为什么？,4、 设某理想气体的摩尔热容随温度按c = a T 的规律变化，a 为一常数，求此理想气体1mol的过程方程式。,理想气体,1kg理想气体,mkg理想气体,1kmol理想气体,nkmol理想气体,Rg 是一个与气体的种类有关，与气体的状态无关的常数，称为气体常数。,R 是一个与气体的种类无关，与气体的状态也无关的常数，称为摩尔气体常数。,M是气体的摩尔质量，kg/mol。,气体常
9、数与摩尔气体常数之间有如下关系；,理想气体分子中原子数相同的气体，其摩尔比热容都相等,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） H2O(g)：-242 kJ/mol 求反应CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)的焓变（反应热）H=？,6、 已知：C(石墨)+O2=CO2 DH02CO+O2=2CO2 DH0求：2C(石墨)+O2=2CO DH0,三、 热力学第二定律,7、指出1000K时，在标准状态下，下述几种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,8,9,9,10,11 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。,Thank You！,
