1、公司公司徽標徽標工程熱力學工程熱力學 - - 理論篇理論篇I I建筑環境與設備工程教研室 蒯大秋緒緒 論論0.1 熱能及其利用熱能及其利用 能源能源是指能夠提供各種有效能量的物質資源。 天然氣、煤炭、石油等礦物燃料的化學能，太陽能，風能，水力能，地熱能，原子能和生物質能等。其中風能和水力能是自然界中以機械能形式提供的能量，其他的則熱能的形式或轉換為熱能的形式供人們利用，85%以上為熱能形式提供的能量。 熱能基本上有兩種利用形式： 熱利用，熱能直接利用，如生活中熱水、在食品加工中干燥、化工和冶金等行業的加熱過程等； 動力利用，將熱能轉化成機械能或電能，如動力機械(正循環)和制冷、熱泵(逆循環)等

2、。 舉例(煤炭為例)緒緒 論論 鍋爐 煙氣 水 水蒸氣(直接利用)供熱； 鍋爐 煙氣 水 水蒸氣汽輪機 (間接利用)發電。 消耗 能，冰箱制冷、空調制冷供暖等。 熱力學熱力學的定義 熱力學是一門研究物質的能量、能量傳遞和轉換以及能量與物質性質之間普遍關系的科學。體現在從宏觀和微觀角度，將物質系統看成連續體。 工程熱力學工程熱力學的定義 從工程技術觀點出發，研究物質的熱力學性質，熱能轉換為機械能的規律和方法，以及如何加以有效、合理地利用熱能的途徑。闡述熱力學普遍原理基礎上，探討如何應用這些原理的學科，重點研究熱能與其他形式能量(主要是機械能)之間的轉換規律及其緒緒 論論 工程應用。0.2 本課程

3、的研究對象及主要內容本課程的研究對象及主要內容 研究對象是與熱現象有關的能量利用與轉換規律的科學。包括：l 研究能量轉換的客觀規律，即熱力學第一與第二定律；l 研究工質的基本熱力性質；l 研究各種熱工設備中的工作過程；l 研究與熱工設備工作過程直接有關的一些化學和物理化學問題。研究方法宏觀方法：宏觀方法：連續體，連續體，用宏觀物理量描述用宏觀物理量描述其狀態，其狀態，特點：特點：可可靠普遍，不能任意靠普遍，不能任意推廣推廣微觀方法：微觀方法：從微觀從微觀粒子的運動及相互粒子的運動及相互作用角度研究熱現作用角度研究熱現象及規律。象及規律。特點：特點：揭示本質，模型近揭示本質，模型近似似緒緒 論論

4、 學習本課程的目的 “學以致用”。能源的地位與作用及我國能源面臨的主要問題、節能的重要性、建筑節能、辯證思維。 首先在網絡上查找相關文獻和資料，可查找關鍵詞“能源、節能、綠色建筑”。 以節能為例 發電量： 電力裝機總量在9億千瓦上1 電力結構：火電78% ，水電20% ，核電1.2%2 燃煤：SO2，粉塵，CO2 ；污染環境 3 建筑能耗：約占社會終端能耗的20.7%4第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 本章基本要求本章基本要求 深刻理解熱力系統、外界、熱力平衡狀態、準靜態過程、可逆過程、熱力循環的概念，掌握溫度、壓力、比容的物理意義，掌握狀態參數的特點。 本章重點本章重點 選取熱力系

5、統，對工質狀態的描述，狀態與狀態參數的關系，狀態參數，平衡狀態，狀態方程，可逆過程。 1.1 熱能和機械能相互轉換的過程熱能和機械能相互轉換的過程 熱能動力裝置，將燃料(煤炭、天然氣、石油等)燃燒中得到熱能(化學能轉化為熱能)，并將熱能轉化為動力的整套設備。 有空氣(燃氣)動力裝置和蒸汽動力裝置 內燃機、燃氣輪機裝置和噴氣發動機屬于空氣動力裝置；第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 電廠蒸汽動力裝置和核電站蒸汽動力裝置屬于蒸汽動力裝置。 總結總結：在熱能動力裝置中實現將熱能源源不斷地轉變為功。其中的工作介質都經歷了吸熱、膨脹、放熱(排熱)和壓縮過程。 制冷裝置和熱泵屬于另一類能量轉換裝置

6、，它是通過消耗外部機械能(或電能、其他形式的能量)，從而實現熱能由低溫物體向高溫物體轉移。 人體肌肉細胞的功能與發動機相類似，將物質的化學能轉化為機械能(部分的，接近20%，用于活動、工作、生活等)。但也與發動機不同的地方，就是并不借助于工作介質的過程變化。 幾個基本概念幾個基本概念 工質(working substance; working medium)指實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質(或工作介質)。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 對工質的要求：膨脹性；流動性；熱容量；穩定性、安全性；對環境友善；價廉、易大量獲取。物質三態中氣態最適宜。 熱源(heat source; he

7、at reservoir)是指向工質提供熱量(或冷量)的物質系統。有高溫熱源(熱源-heat source)和低溫熱源(冷源-heat sink), 恒溫熱源(constant heat reservoir)和變溫熱源。 1.2 熱力系統熱力系統 系統系統hermodynamic system(system)是指用界面從周圍環境中分割出來的研究對象(空間內物體總和)。 外界外界surrounding指與系統相互作用的環境。 界面界面boundary指假想的、實際的、固定的、運動的、變形的。 依據系統與外界的作用關系分熱交換、功交換、質交換； 按系統與外界有無物質交換可分為閉口系統和開口系統；第

8、一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 閉口系統：系統內外無物質交換,稱控制質量。 開口系統：系統內外有物質交換,稱控制體積 。 絕熱系統：系統內外無熱量交換(系統傳遞的熱量可忽略不計時，可認為絕熱)。 孤立系統：系統與外界既無能量傳遞也無物質交換。 孤立系統=系統+相關外界=各相互作用的子系統之和 =一切熱力系統連同相互作用的外界(或稱為復合孤立系)第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 根據系統內部狀況劃分 可壓縮系統：由可壓縮流體組成的系統。 簡單可壓縮系統：與外界只有熱量及準靜態容積變化。 均勻系統：內部各部分化學成分和物理性質都均勻一致的系統，是由單相組成的。 非均勻系統：由兩

9、個或兩個以上的相所組成的系統。 單元系統one component system; pure substance system ：一種均勻的和化學成分不變的物質組成的系統。 多元系統multicomponent system ：由兩種或兩種以上物質組成的系統。 單相系homogeneous system ：系統中工質物理、化學性質都均勻一致的系統。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 復相系heterogeneous system ：由兩個相以上組成的系統稱為復相系，如固、液、氣組成的三相系統。 注意注意 1）不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻濕蒸汽；單元系未必均勻氣液平衡分離狀態

10、； 對熱力系統的分類看起來是很簡單的，也是很自由的，但是應用中可不能隨意的，應根據問題來確定。 思考題思考題 孤立系統一定是閉口系統嗎？反之怎樣。孤立系統一定不是開口的嗎？孤立系統是否一定絕熱。 下面對熱力系統進行總結第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 其他分類方法1.3 工質的熱力學狀態及其基本狀態參數工質的熱力學狀態及其基本狀態參數 狀態狀態是指熱力系統中某瞬間表現的工質熱力性質的總狀況。也可以表述為某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況。以系統與外界關系以系統與外界關系有無是否傳質開口系統閉口系統是否傳熱非絕熱系統絕熱系統是否傳功非絕功系統絕功系統是否傳熱、功、質 非孤立系統孤立系統均勻

11、系非均勻系單元系多元系單相系多相系物理化學性質工質種類相態第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 狀態參數狀態參數指描述工質狀態特性的各種狀態的宏觀物理量。如溫度(T)、壓力(p)、比體積()或密度()、內能(u)、焓(h)、熵(s)、自由能(f)、自由焓(g)等，體積并不是狀態參數。 狀態參數具有如下特性：l 狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然；l 狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關，狀態參數循環積分值等于0(積分特征)；l 滿足全微分(微分特征)。 基本狀態參數基本狀態參數是指可直接或間接地用儀表測量出來的狀態參數。如溫度、壓力、比體積或密度。下面分別介紹基本狀態參數： 溫度

12、溫度：宏觀上是描述系統熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量；微觀上是大量分子熱運動強烈程度的量度，即 mc2/2=BT, B=3k/2。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 熱力學第零定律熱力學第零定律：如兩個物體分別和第三個物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平衡。根據熱力學第零定律，可以確定溫度，測量溫度的儀器稱為溫度計，給溫度確定數值就是溫標(或是溫度的數值表示方法稱為溫標)，有經驗溫標(如攝氏度、華氏度等)和熱力學溫標(K)。攝氏度與熱力學溫度、華氏度的換算公式 T=273.15+t； F=9t/5+32。 壓力壓力指垂直作用于器壁單位面積上的力，也稱壓強，p=F/f。微觀上，分

13、子熱運動產生的垂直作用于容器壁上單位面積的力。 p=(2n/3)mc2/2=2nBT/3 壓力測量依據是力平衡原理。壓力單位：pa, bar, atm。 相對壓力指相對于大氣環境所測得的壓力。工程上常用測壓儀表測定的壓力。以大氣壓力為計算起點，也稱表壓力。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 p=B+pg；p=B-H。其中B為當地大氣壓，pg表壓力，H真空度。 注意注意：只有絕對壓力才能代表工質的狀態參數。 比體積比體積是指單位質量工質所具有的容積，用v表示。 密度指單位容積的工質所具有的質量，用表示。 兩者的關系： v =1。 例例1表壓力或真空度為什么不能當作工質的壓力？工質的壓力不

14、變化，測量它的壓力表或真空表的讀數是否會變化？第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 狀態參數又可分為強度量和廣延量。 強度性參數又稱強度量，特點與質量無關的狀態參數，如p、T； 廣延性參數又稱廣延量，具有可加性，如V、U、S、H等。1.4 平衡狀態、狀態方程平衡狀態、狀態方程和坐標圖和坐標圖 平衡狀態平衡狀態是指系統在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質不隨時間而變化，系統內外同時建立了熱和力的平衡，這時系統的狀態稱為熱力平衡狀態，簡稱為平衡狀態。 平衡狀態的充要條件：熱平衡(溫度平衡)、力平衡(壓力平衡)、化學勢平衡(包括相平衡和化學平衡)。 從平衡的充要條件得到平衡的判據：是否存在

15、熱流和粒子流。 穩態(恒穩態)：只是滿足宏觀熱力性質不隨時間而變化，常說的穩態導熱。舉例：太陽(溫度的概念可以適用于非平衡系統)。第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 注意注意 平衡必穩定，反之穩定未必平衡。 平衡與均勻是不同的概念，均勻是相對于空間，平衡是相對于時間，平衡不一定均勻。 狀態公理狀態公理：確定純物質系統平衡狀態的獨立參數=n+1，式中n表示傳遞可逆功的形式，而加1表示能量傳遞中的熱量傳遞。 例如：對除熱量傳遞外只有膨脹功(容積功)傳遞的簡單可壓縮系統，n=1，于是確定系統平衡狀態的獨立參數為1十1=2。 所有狀態參數都可表示為任意兩個獨立參數的函數。 狀態方程狀態方程指反

16、映工質處于平衡狀態時基本狀態參數的制約關系。 純物質簡單可壓縮系統的狀態方程 f(p,v,T)=0。 理想氣體的狀態方程 pv=RgT，pV=mRgT，pV=nRT。其中Rg為氣第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 體常數，僅與氣體種類有關而與氣體的狀態無關；R為摩爾氣體常數(也稱通用氣體常數)，R =8.3145J/(mol.K)。 對于一個簡單可壓縮系統來說，完全可以利用兩個狀態參數確定系統的(平衡)狀態，因此可利用平面坐標圖上的任意一點表示確定的狀態參數。常見的有p-v(示功)圖，T-s(熱量)圖，h-s圖和h-d圖等。1.5 工質的狀態變化過程工質的狀態變化過程 ( (熱力熱力)

17、 )過程過程指系統狀態的連續變化稱系統經歷了一個熱力過程。 準靜態過程準靜態過程是指如果造成系統狀態改變的不平衡勢差無限小，以致該系統在任意時刻均無限接近于某個平衡態，這樣的過程稱為準靜態過程。在熱能和機械能的相互轉換中必須通過工質的狀態變化過程才能實現。平衡狀態狀態不變化能量不轉換(包括轉第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 移)；但是非平衡狀態又無法描述，因此在熱力學中引入了準靜態(準平衡)過程概念。如氣體在壓力(溫度)差無限小的力(熱)作用下實現的準平衡過程。 準靜態過程既是平衡，又是變化。既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換。 注意注意：準靜態過程是一種理想化的過程，實際過程只

18、能接近準靜態過程。理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？ 定義弛豫時間，相對弛豫時間來說，準平衡過程是一個進行得無限緩慢的過程。如活塞的運動v0K時，大數微觀粒子(原子、分子或離子)都處在不斷地作無規則的熱運動之中。結合氣體分子運動的理第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 論，對于理想氣體，由能量均分定理和量子理論，能量是溫度的函數，即分子熱運動具有內動能是溫度的函數、分子間有相互作用力存在而具有的內位能是氣體體積和溫度的函數。 熱力學能熱力學能(或內能)指熱力系處于宏觀靜止狀態時系統內所有微觀粒子所具有的能量之和，包含氣體分子的內動能、內位能和維持一定分子結構的化學能、原子核內部的原

19、子能以及電磁場作用下的電磁能。 在無化學反應和原子核反應的過程中，熱力學能的變化只是內動能和內位能的變化，而化學能和原子核能都不發生變化。單位質量工質所具有的內能，稱為比內能，簡稱內能U=mu，內能也稱內儲存能。 根據氣體分子運動學說，熱力學能是熱力狀態的單值函數，即熱第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 力學能是狀態參數，具有狀態參數的性質。 由狀態公理可知，氣體的熱力學狀態可由兩個獨立的狀態參數來決定，即熱力學能一定是兩個獨立狀態參數的函數，如u=f(T,v)；u=f(T,p)；u=f(p,v)。 內能總以變化量出現，內能的零點人為選定。 外儲存能外儲存能指系統工質與外力場的相互作用

20、(如重力位能)及以外界為參考坐標的系統宏觀運動所具有的能量(宏觀動能)。 總能總能是指熱力系統的內部儲存能和外部儲存能的總和，即熱力學能與宏觀運動能及位能的總和，稱總儲存能。 系統總儲存能：E=U+Ek+Ep=mu+mc2/2+mgz，e=u+c2/2+gz。2.3 能量的傳遞和轉化能量的傳遞和轉化 系統與外界傳遞的能量表現為熱力系與外界熱源、功源和質源之第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 間進行的能量傳遞。 熱量：在溫差作用下,系統與外界通過界面傳遞的能量。規定系統吸熱為正，系統放熱為負。單位：kJ kcal 1 kcal=4.1868kJ。 特點：熱量是傳遞過程中能量的一種形式，熱

21、量與熱力過程有關熱量功量隨物質傳遞的能量熱熱力力系系外界熱源外界功源外界質源系統與外界傳遞的能量第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 或與過程的路徑有關。 功：除溫差以外的其它不平衡勢差所引起的系統與外界傳遞的能量。規定: 系統對外作功為正，外界對系統作功為負。l 膨脹功w：在力差作用下，通過系統容積變化與外界傳遞的能量，即w =pdv 。單位：1J=1Nm。膨脹功是熱變功的源泉。l 軸功ws：通過軸系統與外界傳遞的機械功。注意：對于剛性閉口系統軸功不可能為正，軸功來源于能量轉換。l 推動功：在開口系中工質因流動而傳遞的功，1kg工質的推動功等于pv。注意：推動功不是膨脹功 pdv，因v

22、沒有變化。l 流動功wf ：推動功差就是系統維持工質流動所需的功，推動1kg工質進、出控制體所必須的功，結合開口系統和外界之間功的交換可得到流動功， wf =p2v2-p1v1。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 流動功是為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功。l 技術功wt:在熱力過程中可被直接利用來作功的能量,wt=-vdp。 注意注意：流動功僅取決于控制體進出口界面工質的熱力狀態，流動功是由泵風機等提供。因此，當不考慮工質的宏觀動能及位能變化時，開口系統與外界交換的功量等于膨脹功和流動功之差(也就是技術功)。 隨物質傳遞的能量包括兩部分，即流動工質本身具有的能量和流動功(或推動功

23、)。 流動工質本身具有的能量(總能)， E=U+Ek+Ep=mu+mc2/2+mgz。 推動1kg工質進、出控制體所必須的功， wf =p2v2-p1v1 。 思考思考題題：各種形式功的區別？2.4 焓焓第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 為了簡化計算，定義一個新變量焓H或h(單位：J或kJ)。 焓=內能+流動功 H=U+pV 或 h=u+pv。 焓的物理意義：l 對流動工質(開口系統)，表示沿流動方向傳遞的總能量，取決于熱力狀態的那部分能量；l 對不流動工質(閉口系統)，焓只是一個復合狀態參數。 焓是狀態參數，具有狀態參數的特性。對于理想氣體 h= f (T) 。2.5 熱力學第一定

24、律的基本形式熱力學第一定律的基本形式能量方程能量方程 根據熱力學第一定律的實質，可以寫出系統變化過程中的能量平衡方程式，即進入系統的能量離開系統的能量 = 系統中儲存能量的增加。閉口系統的能量方程表達式 U=Q-W(適用于mkg質量工質)； u=q-w (適用于1kg質量工質)。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 注意注意：該方程適用于閉口系統、任何工質、任何過程。 雖然以上兩式都是從閉口系推出來的，但反映的是熱量、內能、膨脹功三者關系，因而該方程也適用于開口系統、任何工質、任何過程。 對于可逆過程 u=q-pdv； 循環過程第一定律表達式：q= w，對于循環來說，凈功量等于凈熱量。

25、結論結論：第一類永動機不可能制造出來。2.6 開口系統能量方程式開口系統能量方程式 對于開口系統開口系統，常采用控制容積的分析方法。l 由質量守恒原理：進入控制體的質量 - 離開控制體的質量=控制體中質量的增量。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律l 能量守恒原理：進入控制體的能量 - 控制體輸出的能量=控制體中儲存能的增量。 設控制體在d時間內 進入控制體的能量= dQ+(u1+c12/2+gz1)m1 離開控制體的能量= dWtot+(u2+c22/2+gz2)m2 控制體儲存能的變化 dEcv=(E+dE)cv-Ecv 代入后得到如下公式 dQ = dWtot+(u2+c22/2+

26、gz2)m2 - (u1+c12/2+gz1)m1 +dEcv 注意：本方程適用于任何工質，穩態穩流、不穩定流動的一切過程，也適用于閉口系統，總功量Wtot=Ws+流動功。 若考慮單位時間內系統的能量方程式，對上式兩邊除時間d 。 穩定流動能量方程穩定流動能量方程第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 穩態穩流工況：工質以恒定的流量連續不斷地進出系統，系統內部及界面上各點工質的狀態參數和宏觀運動參數都保持一定，不隨時間變化的狀態。 條件：l 符合連續性方程 ，min=mout=恒定值；l 系統與外界傳遞能量，收入=支出，且不隨時間變化。即熱流q不變，凈功w=軸功ws，每個截面狀態也不變。

27、其能量方程式 q=dh+dc2/2+gdz+ws 適用條件：適用于任何工質，穩態穩流熱力過程。 技術功：在熱力過程中可被直接利用來作功的能量。技術功=膨脹功+流動功；對于可逆過程：wt=w+p2v2-p1v1=-vdp。 注意：技術功是過程量。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 上式若忽略工質動能和位能的變化，則 dh= q-ws。 幾種功的關系 膨脹功 dw=pdv 軸功 ws 推動功 w=pv 流動功 wf =p2v2-p1v1 技術功 wt=c2/2+gz+ws 討論機械能守恒，結合技術功的定義式wt =-vdp=dc2/2+gdz+ws 對于流體流過管道， ws =0 則 vd

28、p + dc2/2 + gdz = 0 (壓力能) + (動能) + (位能) = 0 (機械能守恒) 上式也就是流體力學中的伯努利方程。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律2.7 能量方程式的應用能量方程式的應用l 動力機：利用工質在機器中膨脹獲得機械功的設備。l 壓氣機：消耗軸功使氣體壓縮以升高其壓力的設備。l 熱交換器 q=h2-h1l 管道 ( c2f2 - c2f1 )/2 = h1 h2l 絕熱節流 h1 = h2 下面討論一些工程實例 工程中常見的幾種特殊過程的計算：不做功過程與絕熱過程、絕熱自由膨脹過程與絕熱節流過程、定容混合過程與流動混合過程和充氣過程與放氣過程。l 不

29、作功過程不作功過程 它包括兩種形式：不作膨脹功過程和不作技術功的過程。第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 不作膨脹功過程，指閉口熱力系經歷的不作功的情況，注意注意：不作膨脹功的過程不等于定容過程，不作膨脹功的過程其熱量必定等于熱力學能的變化。 則能量方程 不作技術功的過程，指熱力系在穩定的流動過程中或一個工作周期中(活塞式動力機械)，不對外作出技術功，也不消耗外功。注注意意：不作技術功的過程不是定壓過程，不作技術功的過程其熱量必定等于焓的變化。 則能量方程l 絕熱過程絕熱過程00; 00; 0dvwwwpdvdvpdvwwLdTcquuqduwduqV 012;00; 00; 0dpw

30、wwvdpdpvdpwwLLtttdTcqhhqdhwdhqPt012;第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 絕熱過程指熱力系與外界無熱量交換的過程。若不存在摩擦且過程是內平衡的，絕熱過程就是定熵過程；若存在摩擦，絕熱過程必定引起熵的增加。 則能量方程l 絕熱自由膨脹過程絕熱自由膨脹過程 指氣體在與外界絕熱的條件下向真空進行的不作膨脹功的膨脹過程，氣體在初始和終了狀態是處于平衡狀態，中間過程不是，在壓容圖中是一條虛線表示。l 絕熱節流過程絕熱節流過程 指流體在管道中流動時，中途遇到閥門(孔板)等物體形成的局部阻力，造成流體壓力顯著下降的過程。00; 00; 0dsqqqwwdupdvdu

31、TdsdsTdspdvduqqgLdhwduwwdhwduqtt;0120; 0; 0uuwquqw1212;sspp第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 忽略流體節流前后的位能和動能變化，節流過程前后的焓不變。 節流過程是一個存在內摩擦的過程，從減少可用能損失的角度應避免節流過程。l 定容混合過程和流動混合過程定容混合過程和流動混合過程(略，自學) 充氣過程和放氣過程，它們屬于非穩態流動過程，特點是不僅進出容器的流量隨時間變化，而且容器中氣體的狀態也隨時間發生變化。l 充氣過程充氣過程 由氣源向容器中充氣，氣源的參數是不變的(p0、T0、h0)。取容器中的氣體為熱力系，且保持體積V不變

32、，充氣前容器中氣體的參數(p1、T1、m1)，充氣后氣體的參數變為(p2、T2、m2)。00; 0hqwt第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 上述四式分別計算各項，由熱力學第一定律可得： 充氣包括兩種情況：快速充氣(充氣在短時間內完成或者容器絕緣很好，又稱絕熱充氣)和緩慢充氣(定溫充氣)。 對于絕熱充氣過程，有Q=0，m2u2=m1u1+(m2-m1)h0，說明絕熱充氣后容器中氣體的熱力學能等于原有氣體的熱力學能與充入氣體的焓之和。 對于定溫充氣過程，假設氣體為理想氣體(后面討論)。l 放氣過程放氣過程 指容器中較高壓力的氣體向外界排出的過程。取容器中的氣體為112212;umumUU

33、UEQQ)()(12000mmumumumemeininininoutout001200)(vpmmvpmWintot012112200120121122)()()()(hmmumumvpmmummumumQ第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律 熱力系，其體積V不變。假設放氣前容器中氣體參數(p1、T1、m1) 放氣后氣體的參數變為(p2、T2、m2)。 由熱力學第一定律可得： 兩種情況：絕熱放氣過程和定溫放氣過程。 絕熱放氣過程 Q=0，m2u2=m1u1+m1 m2hdm 。 對于定溫放氣過程，假設氣體為理想氣體(后面討論)。 (END)112212;umumUUUEQQ21)()(

34、mmoutininoutoutudmdmumumeme21mmouttotpvdmmpvW211122mmhdmumumQ第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 本章教學目的 掌握膨脹工質的基本性質 研究工質的目的與意義 由熱力學第一定律可知，熱能與機械能的轉換，是通過工質的膨脹做功來完成的。因此，工質膨脹做功的這一性質，就是要求選用合適的膨脹工質。 本章首先討論理想氣體的性質及其狀態方程，通過狀態方程確定理想氣體狀態參數間的關系；理想氣體熱容的定義、性質和計算方法；導出理想氣體的熱力學能、焓和熵的計算式；然后討論水蒸氣(實際氣體)的熱力學性質；水和水蒸氣的狀態參數(即熱力學能、焓和熵

35、)計算，這其中包含水的汽化過程、相圖和臨界點的概念與特點。第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質3.1 理想氣體的概念理想氣體的概念l 理想氣體模型理想氣體模型 物質一般具有三態：固態、液態和氣態，都是由大數微觀粒子(分子、原子或離子)組成，且分子的運動在任何一個方向上都機會均等，即宏觀上表現為各向同性，在忽略外力場的作用下，壓力各處各向相同，具有相同的密度，其中氣態物質也是如此。 氣體本身具有一定的體積，分子間存在相互作用力，分子在兩次碰撞之間運動又是非直線運動，精確描述和分析其復雜的運動。 理想氣體理想氣體：氣體分子是一些彈性的，忽略分子相互作用力，不占有體積的質點。滿足理想氣體的

36、兩個假定條件：沒有體積的質點；分子間相互沒有作用力。 注意注意：當實際氣體p0或v的極限狀態時，實際氣體可視為理第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 想氣體。如濕空氣、煙氣、燃氣等等。l 理想氣體狀態方程式理想氣體狀態方程式 結合氣體分子運動論和理想氣體運動模型可導出如下幾種形式 適用于1kg理想氣體 pv=RgT 適用于mkg理想氣體 pV=mRgT 適用于1千摩爾理想氣體 pVm=R0T 適用于n千摩爾理想氣體 pV=nR0T 僅適用于閉口系統 p1v1/T1=p2v2/T2和p1V1/T1=p2V2/T2 狀態方程的應用狀態方程的應用 求平衡態下的參數； 兩平衡狀態間參數的計算

37、； 標準狀態與任意狀態或密度間的換算；第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 氣體體積膨脹系數。l 摩爾質量和摩爾體積摩爾質量和摩爾體積 在國際單位制中表示物質的量的基本單位是摩爾(mol)，規定物質中包含的基本單位數與0.012kg碳12的原子數目相等時物質的量為1摩爾(1mol)。1mol任何物質的分子數6.02251023個。 1mol物質的質量就是摩爾質量，符號M表示，單位g/mol。 1mol氣體的體積是摩爾體積。阿伏伽德羅定律指出在同溫、同壓下，各種氣體摩爾體積都相同。Vm=Mv10-3，Vm0=22.414110-3 單位為m3/mol。l 摩爾氣體常數摩爾氣體常數 由理

38、想氣體狀態方程式和阿伏伽德羅定律得：(MRg)1=(MRg)2= =MRg=R0=8.3145100.000070J/(mol.K)。第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 注意注意：R0與氣體性質、狀態均無關。 而氣體常數Rg，與狀態無關，僅決定于氣體性質。3.2 理想氣體的比熱容理想氣體的比熱容l 比熱容的定義比熱容的定義 單位物量的物體，溫度升高或降低1K(1)所吸收或放出的熱量。 單位：J/(kg.K) 1mol物質的熱容稱為摩爾熱容摩爾熱容，J/(mol.K)，符號Cm表示。標準狀態下1m3物質的熱容稱為體積熱容體積熱容，J/(m3.K)，符號C表示。 定容比熱定容比熱容容表

39、明單位物量的氣體在定容情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量(也稱質量定容熱容)，符號cV表示。 定壓比熱容定壓比熱容表明單位物量的氣體在定壓情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量(也稱質量定壓熱容)，符號cp表示。dTqc第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 結合熱力學第一定律 q=du+pdv 或q=dh-vdp 可得l 邁耶公式和比熱容比邁耶公式和比熱容比 可利用理想氣體的焓定義式h=u+RgT 兩邊求導得到： cp-cV=Rg，Mcp-McV=MRg=R0 結論結論：同溫度下任意氣體的cp總是大于cV，且差值恒等于氣體常數Rg。 比熱容比(或稱質量熱容比)l 利用比熱容計算熱

40、量利用比熱容計算熱量 根據比熱容的定義式，可以通過比熱容計算過程中系統與外界交換的熱量，即q=cdT=cdt ，關鍵是確定氣體的真實比熱容。vvvvTudTdudTqcdTdhdTqcppvpvpvpMcMccccc1Rcv1nRcp第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 實驗表明：理想氣體的比熱容是溫度的復雜函數，隨著溫度的升高而增大。下面給出三個比熱容的定義 定值比熱定值比熱：凡分子中原子數目相同因而其運動自由度也相同的氣體，它們的摩爾比熱值都相等。 真實比熱真實比熱：相應于每一溫度下的比熱值稱為氣體的真實比熱。 常將比熱與溫度的函數關系表示為溫度的三次多項式 平均比熱平均比熱：q

41、=cdt=c(t2 - t1) 參見右圖，工程上簡化處理方法： 將比熱容看成與溫度成直線關系 的近似計算，如查物性參數的值； 當氣體溫度在室溫附近且溫度變332210TaTaTaaMcp第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 化范圍不大時，或計算精度要求不高時，將比熱容近似作為定值處理(定值比熱)。3.3 理想氣體的熱力學能、焓和熵理想氣體的熱力學能、焓和熵l 熱力學能和焓熱力學能和焓 理想氣體的熱力學能和焓都只是溫度的函數，因此根據熱力學第一定律解析式：q=du+pdv 或 q=dh-vdp 可得出熱力學能和焓的計算式 u=qV ; h=qp 。 考慮到熱工計算中通常只要求確定過程中

42、熱力學能或焓值的變化量，其基準選取可以任意，一般認為規定基準態，如水蒸汽規定水蒸汽三相態中液態水的熱力學能為0，某些制冷工質規定-20或-40 時飽和液態的數值為0，理想氣體則規定0K或0 時的焓為0，熱力學能也為0，其他的值就可以利用上式計算得到。第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質l 狀態參數熵狀態參數熵 熵的定義式ds=qrev /T，其中qrev為1kg工質在微元可逆過程中與熱源交換的熱量，T為傳熱時工質的熱力學溫度。 理想氣體熵的另一種表達形式，可聯立熵的定義式和可逆過程熱力學第一定律解析式求得 ds=(cpdT-vdp)/T=(cVdT+pdv)/T。 由上式可知理想氣體

43、的熵也是狀態參數，可用其他任意兩個獨立的狀態參數來表示。理想氣體的熵變計算（See Chapter 5）。 注意注意：理想氣體的熱力學能和焓值只是溫度的函數，而熵卻是溫度和壓力(或體積)的函數，即基準態的熵并不等于0。 補充補充：計算理想氣體的充氣過程和放氣過程。3.4 水蒸氣的飽和狀態和相圖水蒸氣的飽和狀態和相圖 相圖相圖也稱相態圖、相平衡狀態圖，是用來表示相平衡系統的組成第三章第三章 氣體和蒸汽的性質氣體和蒸汽的性質 與一些參數(如溫度、壓力)之間關系的一種圖。它在物理化學、礦物學和材料科學中具有很重要的地位。在工程熱力學中主要是p-T圖。 自然界中物質的聚集態有三種：固相、液相和氣相。以水為例進行討論 融解(凝固)過程：在一定壓力下，固態冰-液態水(融點溫度)； 汽化(凝結)過程：在一定壓力下，水汽(沸點溫度)； 升華(凝華)過程：在一定壓力下，固態冰汽(升華溫度)。 純