1、工程热力学,注册公用设备工程师考试专业基础课辅导,2013.5,考试大纲 1.1 基本概念热力学系统 状态平衡 状态参数 状态公理 状态方程式 热力参数及坐标图 功和热量 热力过程 热力循环 单位制 1.2 准静态过程、可逆过程和不可逆过程 1.3 热力学第一定律热力学第一定律的实质 内能 焓 热力学第一定律在开口系统和闭口系统表达式 储存能 稳定流动能量方程及其应用 1.4 气体性质理想气体模型及其状态方程 实际气体模型及其状态方程 压缩因子临界参数 对比态及其定律 理想气体比热 混合气 体的性质 1.5 理想气体基本热力过程及气体压缩定压 定容 定温和绝热过程 多变过程气体压缩轴功 余隙
2、多级压缩和中间冷却,1.6 热力学第二定律热力学第二定律的实质及表述 卡诺循环和卡诺定理熵 孤立系统 熵增原理 1.7 水蒸气和湿空气蒸发 冷凝 沸腾 汽化 定压发生过程 水蒸气图表 水蒸气基本热力过程 湿空气性质 湿空气焓湿图 湿空气基本热力过程 1.8 气体和蒸汽的流动喷管和扩压管 流动的基本特性和基本方程 流速 音速流量 临界状态 绝热节流 1.9 动力循环朗肯循环 回热和再热循环 热电循环 内燃机循环 1.10 制冷循环空气压缩制冷循环 蒸汽压缩制冷循环吸收式制冷循环 热泵 气体的液化,第一部分 基本概念,工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学,1、热力学系
3、统（热力系统、热力系、系统）,人为选取一定范围内的物质作为研究对象。,外界（或环境）系统以外的所有物质。边界系统与外界的分界面。,系统与外界的作用都通过边界,外界（或环境）的定义是指( )。A与系统发生热交换的热源 B与系统发生功交换的功源C与系统发生质量交换的物源D系统边界之外与系统发生联系的一切物体,答案： D系统边界之外与系统发生联系的一切物体,边界特性,真实、假想,固定、运动,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,1 开口系,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭
4、口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,无热交换的热力系统称为( )。A孤立系统 B闭口系统 C绝热系统 D开口系统,答案： C绝热系统,2、状态某一瞬间热力系统所呈现的宏观物理状态。,3、状态参数描述热力系状态的物理量,特征：,是宏观量，是大量粒子的平均效应,状态的单值函数,变化量与路径无关，只与初终态有关,4、平衡状态,在不受外界影响的条件下（重力场除外），系统的状态参数不随时间变化。,热平衡,力平衡,相平衡,化学平衡,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势相变 相不平衡势化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差
5、,去掉外界影响，则状态变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：确定热力系统平衡态所需的独立参数数目的经验规则。,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,5、状态公理,闭口系：,而不平衡势差彼此独立, 独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量= n+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,简单可压缩系统的独立变量数,简单可压缩系统：N = n + 1 =,2,只交换热量和一种准静态的容积变化功,可以选取可测量参数p,v和T中的任意
6、两个独立参数 作为自变量，其余参数（u,h,s等）则为p,v和T的因变量,6、状态方程式,简单可压缩系统：N = 2, 基本状态参数（p,v,T)之间的关系,理想气体的状态方程,具体形式：取决于工质的性质,7、热力参数及坐标图,强度参数：与系统内所含工质的数量无关如压力 p、温度T,广延参数：与系统内所含工质的数量有关可加性如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,基本状态参数：直接用仪表测定,压力 p、温度 T、比容 v,大气气压力为B，系统中工质真空表压力读数为Pl时，系统的真实压力为( )。 A P1 BB+P1 CB-P1 D. P1B,答案： C
7、B-P1,某容器中气体的表压力为0.04MPa，当地大气压力为0.1MPa，则该气体的绝对压强为（ ）MPa。 A. 0.06 B. 0.04 C. 0.14 D. 0.05,答案： C0.14,压力表测量的压力是( )。 A绝对压力 B. 标准大气压 C真空度 D相对压力,答案： D相对压力,座标图,简单可压缩系统 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可表示在坐标图上,2）过程线中任意一点为平衡态,3）不平衡态无法在图上用实线表示,常见p-v图和T-s图,2,1,8、功和热量,功在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。, 能量转换的两种方式：做功和传热,热量在温度的推动下，以微观
8、无序运动方式传递的能量。,功和热量是过程量，其大小与过程初终态以及过程性质有关,热力学中规定：系统对外界作功取为正，而外界对系统作功取为负。,9、热力过程,处于平衡状态的热力学系统，当外界条件变化，在外界和系统间形成热或力的不平衡时，受该不平衡势的作用，在系统内部造成不平衡，使系统的平衡状态遭到破坏，从而引起系统状态的变化，向新的平衡状态过渡。可见，热力过程中系统所经历的是一系列不平衡状态。因为只有平衡状态才有确定的状态参数，才能用状态方程表示状态参数间的关系，为此，热力学引入一种理想的热力过程，即准静态过程。,热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。,当完成了某一过程之后
9、，若有可能使工质沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界也恢复到原来的状态，而不留下改变，则这一过程就称为可逆过程。不满足上述条件的过程称为不可逆过程。,若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，且其初态和终态相同，则两过程中与外界交换的热量( )A相同 B不相同 C不确定 D与状态无关,答案： C不确定,10、热力循环,热力系统经过一系列变化回到初态的封 闭热力过程称为热力循环。,可逆循环：全部由可逆过程组成的循环,不可逆循环：循环中由部分过程或全部过程是不可逆的循环,正向循环：将热能转化为机械能的循环,逆向循环：将热量从低温热源传给高温热源的循环,性质,目的,热效率,制冷系数
10、,供热系数,11、单位制,国际单位制和工程单位制。,第二部分 准静态过程、 可逆过程、 不可逆过程,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,1、准静态过程,若过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏之后自动回复平衡所需的时间，即弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不至于显著的偏离平衡状态。,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,准静态是一种热力参数和作用力都有变化的过程，具有特性( )A内部和边界一起快速变化 B边界上已经达到平衡C内部状态参数随
11、时处于均匀 D内部参数变化远快于外部作用力变化(恢复平衡？),答案： C内部状态参数随时处于均匀,准静态过程中，系统经过的所有的状态都接近( )。A相邻状态 B初状态 C低能级状态D平衡状态,答案： D平衡状态,实际过程可以作为准静态过程来处理？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，在坐标图上用一条连续曲线表示过程，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，表示工程上怎样处理？,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,破坏平衡所需时间
12、（外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹。,可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,2、可逆过程和不可逆过程,练习题：温度为100的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？ A 是，是 B 是 , 否 C 否, 是 D 否, 否,B 解： 1. 此热力过程可近似为准静态过程，因为此过程的弛豫时间很短，冰水混合物重建热力平衡的时间远远小于传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏; 2.
13、此过程冰水混合物和外界热源之间存有温差，100的高质能通过传热过程转换为0的低质能，有能量耗散，为不可逆过程。,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源耗散效应,耗散效应,常见的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,节流过程(阀门）,p1,p2,p1p2,混合过程,自由膨胀,真空,判断后选择正确答案是( )。 无约束的自由膨胀为一可逆过程 混合过程是一不可逆过程 C准平衡过程就是可逆过程 D可逆过程是不可实现过程,答案： B混合过程是一不可逆过程,引入可逆过程的意义,
14、 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。, 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。, 实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。,第三部分 热力学第一定律,1、热力学第一定律的本质,表述：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。,本质：能量转换与守恒定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。,能量守恒与转换定律是自
15、然界的基本规律之一。,进入系统的能量离开系统的能量 系统储存能的变化,关系式：,2、内能,内能的组成,分子动能（热运动）分子位能（分子间相互作用）化学能 维持一定分子结构 原子能电磁能,内能,移动,转动,振动,储存于系统内部的能量。,内能的说明, 内能是状态量,U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg, 内能总以变化量出现，内能的变化只与初终态有关，而与过程路径无关。,定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量,2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mhh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
16、能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。,3、焓,某理想气体经历了一个内能不变的热力过程，则该过程中工质的焓变（ ）。A大于零 B. 等于零 C. 小于零 D不确定,答案： B等于零,闭口系统热一律表达式, W, Q,一般式,Q = dU + WQ = U + W,q = du + w q = u + w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程,4、热一律在闭口系统和开口系统的表达式,热力学第一定律是关于热能与其他形式的能量相互转换的定律，适用于( ) A一切工质和一切热力过程 B量子级微观粒子的运动过程C工质的可逆或准静态过程 D热机循环的一切过程,
17、答案： A一切工质和一切热力过程,理想气体定温膨胀，必然有( )。 AQ=W BQW C. QW DQ与W无关,答案： AQ=W,判断后选择正确答案是( )。 无约束的自由膨胀为一可逆过程 混合过程是一不可逆过程 C准平衡过程就是可逆过程 D可逆过程是不可实现过程,答案： B混合过程是一不可逆过程,一绝热刚体容器用隔板分成两部分，左边盛有高压理想气体，右边为真空。抽出隔板后，容器内的气体温度将( )。 A升高 B降低 C. 不变 D. 无法确定,答案： C不变,气体在某一过程中吸入了l00kJ的热量，同时内能增加了150KJ，该过程是( )A膨胀过程 B.压缩过程 C.定容过程D均不是,答案：
18、 B压缩过程,练习题：某封闭的刚性容器装有一定量的空气。初态时热力学能为800kJ，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ，同时容器壁向外散热500kJ。试问此时容器内空气的热力学能是多少？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？ A ) 400 kJ 、800 kJ B) 400 kJ 、 100 kJ C) 400 kJ 、 400 kJ D) 400 kJ 、 500 kJ,闭口系统可逆过程热一律表达式,单位工质,可逆过程,开口系统热一律的表达式,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则进入系统的能量- 离开
19、系统的能量= 系统储存能量的变化,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + pvin + c2/2 + gz)in - mout(u + pvout + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开口系统能量方程微分式,Q + min(h+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(h+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程,绝热真空刚性容器内充入理想气体后，容器内气体的温度比充气前气体的温度（ ） A低 B .
20、高 C不确定 D相同,答案： B. 高,5、系统的储存能,外部储存能,宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,功,（1）体积变化功（膨胀功）w,系统体积变化所完成的功 w= pdv 是热变功的源泉，往往对应闭口系统所求的功,（2）轴功ws,系统通过轴与外界交换的功,开口系统所求的功,（3）流动功和推动功W推,开口系付诸于质量迁移所作的功 是进出口推动功之差，推动功是因工质流动而传递的功。,推动功的表达式,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pVw推= pv,注意：不是 pdvv 没有
21、变化,（4）技术功,技术上可以利用的功,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,技术功膨胀功流动功（代数和）,可逆过程,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,ws wt,可逆定温过程中，理想气体与外界交换的热量为( ) A. q=w B. C. q=RTln(v2/v1) D. q=0,答案： B,工质经历任意绝热过程，则工质所做的技术功为( ) A. wt=h1-h2 B. C. wt=kw D. wt=0,答案： A
22、. wt=h1-h2,绝热过程中的技术功等于过程初态和终态的焓差。这个结论仅适用于（ ） A理想气体 B水蒸气 C所有工质 D实际气体,答案： C.所有工质,可逆压缩时压气机的耗功为( ) A. B. C. D.,答案： D.,6、稳定流动能量方程及其应用,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功,每截面状态不变,4、,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,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,稳流开口与闭口的能量方程,闭口,稳流开口,等价,可逆定压稳定流动过程中
23、，系统的( )。 A焓不变 B系统与外界交换的热量为零 C技术功为零 D熵不变,答案： C技术功为零,应用举例：1）动力机,利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备,汽轮机,稳流开口,轴功=焓降,应用举例：2）压气机,消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备,压气机,稳流开口,消耗轴功=焓增,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,应用举例：3）热交换器,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,应用举例：4）喷管和扩压管,应用举例：5）流体的混合,两股质量相同、压力相同的空气绝热混
24、合，混合前一股气流温度为200，另一股温度为100，则混合空气的温度为( )。 A. 200 B. 100 C. 150 D. 300,答案： C150,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,应用举例：6）绝热节流,理想气体绝热节流过程中节流热效应为( )。A零 B热效应 C冷效应D热效应和冷效应均可能有,答案： A零,理想气体经绝热节流，节流前的温度比（与）节流后的温度( )。 A大 B小 C相等 D无关,答案： C相等,理想气体流过阀门（绝热节流），前后参数变化为( ) A. T=0 S=0 B. T0 S0 C. S0,答案： D. T=0 S0,第
25、四部分 气体性质,工程热力学的两大类工质,1、理想气体,可用简单的式子描述，如空调中的湿空气等,2、实际气体,不能用简单的式子描述，真实工质火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等,1. 分子之间没有作用力 2. 分子本身不占容积,但是, 当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。,理想气体模型,现实中没有理想气体,1、理想气体模型及其状态方程,当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。,哪些气体可当作理想气体,T常温，p7MPa 的双原子分子,理想气体,O2, N2, Air, CO
26、, H2,如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等,三原子分子（H2O, CO2)一般不能当作理想气体,特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO2,理想气体定义：,是一种假想的气体，即气体分子是一些弹性的，忽略分子相互作用力，不占有体积的质点；当实际气体p0，v的极限状态时的气体。,Rm 与R,摩尔容积Vm,状态方程,摩尔容积 (Vm),阿伏伽德罗假说:相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积Vm相同,标准状况下,Rm与R 的区别,Rm通用气体常数,R气体常数,例如,与气体种类无关,与气体种类有关,计算时注意事项,1、绝对压力,2、温度单位 K,3、统一单位（最好均用国际单位）,计算时注意事
27、项实例,V=1m3的容器有N2，温度为20 ，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。,1）,2）,3）,4）,1. 分子间作用力不可忽略 2. 分子本身容积不可忽略,范德瓦尔斯 (Vander Waals) 方程:,实际气体模型,实际气体是真实气体,2、实际气体模型及其状态方程,引入压缩因子，实际气体方程:,实际气体的体积与同温度下理想气体的体积之比。,3、压缩因子,z是气体温度和压力的函数，是状态函数，通常采用对比态定律建立的通用性图表压缩因子图来确定。,z压缩因子法是依据理想气体计算参数修正后得出实际气体近似参数，下列说法中不正确的是（ ）Az=f(p，t)Bz是状态的函
28、数，可能大于1或小于1Cz表明实际气体偏离理想气体的程度Dz是同样压力下实际气体体积与理想气体体积的比值,答案： Dz是同样压力下实际气体体积与理想气体体积的比值,5、对比态定律,在气、液相变时存在临界状态，此时相应的热力学参数。,4、临界参数,对比态定律：对于满足同一对比态方程式的各种气体，对比参数中若有两个相等，则第三个对比参数就一定相等，物质也就处于对应状态中。,对比参数：各状态参数与临界状态的同名参数的比值。,对比态方程：用对比参数表示的状态方程。,范德瓦尔斯 对比态方程:,6、理想气体的比热容、内能及焓,比热（比热容）：单位物量的物体，当其温度变化1K或1oC时，物体与外界交换的热量
29、。,比热容,c : 质量比热容,Cm: 摩尔比热容,C: 容积比热容,Cm=Mc=22.414C,T,s,(1),(2),1 K,比热容是过程量还是状态量?,c1,c2,用的最多的某些特定过程的比热容,定容比热容,定压比热容,cv和cp的说明,1、 cv 和 cp ，过程已定, 可当作状态量 。,2、推导没有用到理想气体性质,3、 h、u 、s的计算要用cv 和 cp 。,适用于任何气体。,cv物理意义： v 时1kg工质升高1K内能的增加量,cp物理意义： p 时1kg工质升高1K焓的增加量,理想气体内能的计算,理想气体,实际气体,理想气体或实际气体定容此项0,理想气体一切过程或者实际气体定
30、容过程：,定值比热容,当气体温度不太高且变化范围不大，或计算精度要求不高时，可将比热容近似看作不随温度而变的定值。,答案：空气视为双原子理想气体 C. 1010J/(kg.K),把空气作为理想气体，当其中02的质量分数为21%，N2的质量分数为78%，其他气体的质量分数为1%，则其定压比热容cp为（ )。A. 707J/ (kg K) B. 910J/ (kg K) C. 1010J/ (kg . K) D. 1023J/(kg K),理想气体焓的计算,理想气体,实际气体,理想气体或实际气体定压此项0,理想气体一切过程或者实际气体定压过程：,6、混合气体,由相互不发生化学反应的理想气体组成，其
31、中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。如燃气，空气,等,1.质量分数,2. 体积分数,3. 摩尔分数,混合物的折合摩尔质量与折合气体常数,1、由摩尔质量定义，混合物折合摩尔质量为：,2、混合物的折合气体常数为：,分压定律,P=pi,Gas 1 V, T,+,+,p1,Gas 2 V, T,p2,Gas i V, T,pi,=,Gas mixture V, T,P=pi,道尔顿定律理想气体混合物的压力等于各组成气体分压力之和,分体积定律,V=Vi,Gas 1 p, T,+,+,V1,Gas 2 p, T,V2,Gas
32、i p, T,Vi,=,Gas 1 p, T,V1,Gas 2 p, T,V2,Gas i p, T,Vi,Gas mixture p, T,V=Vi,亚美格定律理想气体混合物的体积等于各组成气体分体积之和,第五部分 理想气体基本热力 过程及气体压缩,研究热力学过程的目的与方法,目的,提高热力学过程的热功转换效率,热力学过程受外部条件影响,主要研究外部条件对热功转换的影响,利用外部条件, 合理安排过程，形成最佳循环,对已确定的过程，进行热力计算,研究热力学过程的对象与方法,对象,方法,抽象分类,2) 可逆过程 (不可逆再修正),基本过程,研究热力学过程的依据,2) 理想气体,3)可逆过程,1)
33、 热一律,稳流,研究热力学过程的步骤,1) 确定过程方程-该过程中参数变化关系,5) 计算w , wt , q,4) 求,3) 用T - s 与 p - v 图表示,2) 根据已知参数及过程方程求未知参数,1、定容、定压、定温和定熵过程,工质比体积保持不变的过程,过程方程： v常量,由：,得：,定容过程,斜率,理想气体 过程的p-v,T-s图,上凸?下凹？,s,T,v,p,v,v,v,过程中能量转换关系,加给气体的热量并未转变为机械能，全部用于增加气体的内能。,定压过程,工质压力保持不变的过程,过程方程： p常量,由：,得：,v,v,斜率,理想气体 过程的p-v,T-s图,上凸?下凹？,s,T
34、,v,p,p,p,定压过程中能量转换关系,加入（或放出）的热量等于初、终状态的焓差。,定温过程,工质温度保持不变的过程,过程方程： T常量,由：,得：,斜率,理想气体 过程的p-v,T-s图,上凸?下凹？,s,T,v,p,p,p,T,v,v,T,T,定温过程中能量转换关系,定温膨胀时吸热量全部转换为膨胀功；定温压缩时消耗的压缩功全部转换为放热量。,定熵过程,工质与外界没有热交换的过程，称为绝热过程，可逆绝热过程即为定熵过程。,过程方程： s常量,由：,得：,理想气体 s 的过程方程,当,理想气体,p,v,T关系式,空气进行可逆绝热压缩，压缩比为6. 5，初始温度为27，则终了时气体温度可达(
35、) A. 512K B. 450K C. 168 D. 46,答案： D. 46,理想气体 过程的p-v,T-s图,s,T,v,p,p,p,v,v,T,T,s,s,定熵过程中能量转换关系,定熵膨胀时，膨胀功等于工质内能的减量；定熵压缩时，消耗的压缩功等于工质内能的增量。,过程方程,n是常量， 每一过程有一 n 值,n,n = k,s,2、多变过程,s,T,v,p,p,p,v,v,T,T,s,s,1,2,2,1,2,2,1-2多变膨胀、吸热降温；1-2多变压缩、放热升温,理想气体多变过程的p-v,T-s图,工质进行了一个吸热、升温、压力下降的多变过程，则多变指数( )。 A. 0k D. n,答
36、案： A. 0n1,练习题 某气缸活塞装置,气缸内空气的初始压力为200kPa,体积为2m3，如果活塞运动过程中维持pV恒定，当气缸内压力达到100 kPa时，活塞停 止运动，问空气此时的体积为多少？该热力系统与外界交换的功量为多少？ A ) 4m3, 400kJ B) 4m3, 227kJ C) 2m3, 400kJ D) 2m3, 227kJ,B） 解 取气缸活塞装置内的空气为热力系统,由,得,有,功 量,多变过程中能量转换关系,多变过程比热容,(1) 当 n = 0,(2) 当 n = 1,多变过程与基本过程的关系,(3) 当 n = k,(4) 当 n = ,p,T,s,v,n,p,T
37、,s,v,3、压气机的压缩轴功,压气机的作用,生活中：自行车打气。,工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等,压力范围,通风机,鼓风机,压缩机,理论压气功(可逆过程),指什么功,目的：研究耗功，越少越好,活塞式压气机的压气过程,技术功wt,在相同增压比条件下，压气机可逆绝热压缩时消耗功为Ws，则实际绝热压缩功W*为( ) AWsW * BWsW* CWs=Ws D三种情况均可,答案： B. WsW*,(1)、特别快，来不及换热。,(2)、特别慢，热全散走。,(3)、实际压气过程是,可能的压气过程,三种压气过程的参数关系,三种压气过程功的计算,最小,重要启示,避免活塞与进排气阀碰
38、撞，留有空隙,余隙容积,4、余隙,活塞式压气机的余隙影响,活塞排量,研究VC对耗功和产气量的影响,新气量 产气量,有效吸气容积,余隙容积对理论压气功的影响,设12和43两过程n相同,余隙容积对理论压气功的影响,余隙对单位产气量耗功不影响,余隙容积对产气量的影响,定义容积效率,令,余隙比,工程上一般0.030.08,活塞式压气机余隙的存在会使( ) A容积效率降低，单位质量工质所消耗的理论功减小 B容积效率不变，单位质量工质所消耗的理论功减小 C容积效率降低，单位质量工质所消耗的理论功不变 D容积效率不变，单位质量工质所消耗的理论功也不变,答案： C.容积效率降低，单位质量工质所消耗的理论功不变
39、,5、两级压缩中间冷却分析,有一个最佳增压比,省功,最佳增压比的推导,省功,最佳增压比的推导,省功,欲求w分级最小值，,可证明 若m级,最佳增压比,压气机采用三级压缩，pl是压气机第一级进口压力，p4是最后一级的出口压力，则最佳压力比为( )。 A. B. C. D.,答案： B.,分级压缩的其它好处,润滑油要求t160180,高压压气机必须分级,分级压缩的级数,省功,分级,降低出口温度,多级压缩达到 无穷多级,(1)不可能实现,(2)结构复杂(成本高),一般采用 2 4 级压缩,第六部分 热力学第二定律,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,能不能找出共同的规律性? 能不能
40、找到一个判据?,自然界过程的方向性表现在不同的方面,热力学第二定律,1、热二律的表述与实质,热功转换 传 热,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文普朗克表述热功转换的角度,1850年克劳修斯表述热量传递的角度,两种表述的关系,开尔文普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,完全等效!,克劳修斯表述不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,违反一种表述,必违反另一种表述!,热二律的实质, 自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 若想逆向进行，必付出代价,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素
41、有关？,?,热一律与热二律,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t =100不可能,2、卡诺循环与卡诺定理,法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出 卡诺循环,热二律奠基人,1）卡诺循环 理想可逆热机循环,卡诺 循环 示意 图,4-1定熵压缩过程，对内作功,1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1),2-3定熵膨胀过程，对外作功,3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1),卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，过程的条件是( )A绝热过程必须可逆，而等温过程可以任意B所有过程均是可逆的C所有过程均可以是不可逆的D等温过程必须可逆，而绝热过程可以任意,答
42、案： B所有过程均是可逆的,一热机按某种循环工作，自热力学温度为T1 =2000K的热源吸收热量1000kJ，向热力学温度为T2 =300K的冷源放出热量l00kJ，则该热机是( )。 A可逆热机 B.不可逆热机 C不可能热机 D三者均可,答案： C不可能热机,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w, t,c只取决于恒温热源T1和T2，与工质性质无关；,卡诺循环热机效率的说明, T1 t,c , T2 c ，温差越大，t,c越高, 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能, T1 = K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律,某理想气体在高温热源T1和低温热源
43、T2之间进行卡诺循环，若T1 =nT2，则此循环放给低温热源的热量是从高温热源吸热量的( )。 An倍 Bn-1倍 C.(n+1)n倍 D. 1n倍,答案： B1/n倍,T0 c,卡诺逆循环卡诺制冷循环,T0,T2,制冷,q1,q2,w,T2 c,T1 ,卡诺逆循环卡诺制热循环,T0,T1,制热,q1,q2,w,s2,s1,T0 ,三种卡诺循环,T0,T2,T1,制冷,制热,T,s,T1,T2,动力,一卡诺机，当它被作为热机使用时，两热源的温差越大对热变功就越有利。当被作制冷机使用时，两热源的温差越大，则制冷系数( )。 A. 越大 B越小 C. 不变 D不确定,答案： B越小,一热泵从温度为
44、-13的周围环境向用户提供95的热水，其最大供热系数为( )。 A. 1.16 B. 2.41 C. 2.16 D. 3.41,答案： D3.41,2）卡诺定理 热二律的推论之一,定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效率为最高。,卡诺提出：卡诺循环效率最高,即在恒温T1、T2下,卡诺定理小结,1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切可逆热机 tR = tC,2、多热源间工作的一切可逆热机tR多 同温限间工作卡诺机 tC,3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR= tC,卡诺定理的意义,从理论上确定了通过热机循环 实现热能转变为机械能的条件，指 出
45、了提高热机热效率的方向，是研 究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有 重大意义。,某制冷循环中，工质从温度为-73的冷源吸热l00kJ，并将热量220kJ传给温度27的热源，则此循环为( )。A可逆循环 B.不可逆循环 C不能实现的循环 D均有可能,答案： B不可逆循环,练习题 若热机工作在 T1=2000K ,T2=300K两热源间。判断下列1.2.3各条件下，各热机的工作是可逆、不可逆或不可能。,Q1=1000J W=900J,Q1=2000J Q2=300J,Q2=500J W=1500J,1 2 3,不可能 可逆 不可逆,计 算,结 果,结 论,卡 诺 定 理,已 知 条 件,3、熵,热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想,热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性定义熵,热二律推论之三熵反映方向性,熵的导出,
