热力学课件

气体的热力学能既然决定于它的温度和比体 积，也就决定于它的状态，因此，热力学能也 是气体的状态参数。
考虑到气体的内动能决定于气体的温度，内 位能决定于气体的温度和比体积，所以气体的 热力学能是温度和比体积的函数，即
• 内能是状态量
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内能: U
宏观：动能Ek 势能Ep
总能
微观（内部）
宏观（外部）
总能: E
循环由过程组成 。过程分： 可逆；不可逆
p2
3T
2
3
4
1
4
1
v
s
28
正向循环
顺时针
p 1 wnet
T 2
q1-q2=wnet
2
1
V
S
输出功
吸热
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逆向循环
逆时针方向
p1
wnet
输入功
T 2
q1-q2=wnet
2V 1
S
输出热
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六 、循环经济性指标
收益 代价
动力循环： 热效率
逆向循环： 制冷系数
１、 按系统与外界质量交换 闭口系（控制质量CM） —没有质量越过边界 开口系（控制体积CV） —通过边界与外界有质量交换
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２. 按能量交换
绝热系— 与外界无热量交换;
孤立系— 与外界无任何形式的质能交换。
３. 简单可压缩系— 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积
变化功的有限物质系统。
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“ 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时， 它们间的比值是一定的”或“热可以变成功，功也可以变 成热；一定量的热消失时必产生相应量的功，消耗一定量 的功时必出现与之对应的一定量的热”.
➢在能量的转换过程中能量的总量保持不变。
2-2 热力学能和总能
热力学能=内动能（f(T)）+内位能(f(v,T))
1 2
c f
2

gz

wi
ws = -△h
= h1 - h2>0
1. 忽略动能差 2. 位能差 3. 绝热 轴功是由焓的变化转 变而来的
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换热器
q

h

1 2
Hale Waihona Puke f2gdz

wi
h1 高温工质
h2
忽略动能差、位能差
没有做功的部分:
ws 0
低温工质 h1’
h2’
q h h2 h1
T>常温，p<7MPa
双原子分子
理想气体 O2, N2, Air, CO, H2
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2. 实际气体
✓ 不符合理想气体假设. ✓ 水蒸气、制冷工质是实际气体。
因为，这类物质临界温度较高，蒸气在通常 的工作温度和压力下离液态不远。
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气体常数: Rg
理想气体状态方程：（科拉贝隆方程）
Q U W
➢m kg工质经过有限过程
Q dU W
q u w
➢m kg工质经过微元过程 ➢1 kg工质经过有限过程
q du w ➢1 kg工质经过微元过程
1. 任何工质：包括理想气体、实际气体、甚至液体； 2. 任何过程：可逆过程或不可逆过程； 3. 应用闭口系统能量方程时，注意Q、W的符号。
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准平衡过程的实质
温差
温差
压差
压差
平衡点1
平衡点2
平衡点3
不平衡
不平衡
压差作用下的准平衡
p ( pext

F)0 A
或者
p

pext

F A
温差作用下的准平衡
T (T Text ) 0 或者 T Text
工质与外界的压差和温差均为无限小！
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二、可逆过程和不可逆过程 可逆过程定义
焓的变化
高温工质 低温工质
q h h2 h1 0
q' h h2' h1' 0
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喷管、扩压管
喷嘴： 减小压力，增大速度
扩压器： 减小速度， 增大压力
q h c2 / 2 gz ws
ws 0 q 0
1 c2 h 2
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gz 0
热能动力装置的共性
动力装置模化成双热源示意图
共性可总结为：工作介质经历吸热、膨胀作功、排热过程
1-2 热力系统（热力系、系统、体系）
一、定义
外界和边界
• 系统 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。
• 外界：
与体系发生质、能交换的物系。
• 边界：
系统与外界的分界面（线）。
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三、热力系分类
区分：
以系统与外界关系划分： 有
是否传质
开口系
无 闭口系
是否传热
非绝热系 绝热系
是否传热、功、质 非孤立系 孤立系
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
热力学状态 —系统宏观物理状况的综合
状态参数 —描述物系所处状态的宏观物理量
二、状态参数的特性和分类
1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平 衡态才有状参，系统有多个状态参数，如
wt w ( pv)
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闭口系统和稳定开口系的方程
闭口系
q u w
稳定流动系
q h wt
等价
膨胀功 w 技术功 wt
轴功ws
流动功(pv)
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2-7 能量方程式的应用
q

h

1 2
c
f
2

gz

wi
热力学问题经常可忽略动、位能变化
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动力机
q

q
0

h

1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图
平衡状态
一个热力系统，如果在不受外界影响的 条件下，系统的状态能始终保持不变，则系 统的这种状态叫做平衡状态。
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平衡状态
平衡状态
势差 --------------->
不平衡状态
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
当工质完成某一热力过程之后，若能沿原来 路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始 状态而不留下任何痕迹。反之，为不可逆过程。
可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
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可逆过程的实现
准平衡过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
不平衡势差无限小 耗散效应 不平衡势差
不可逆根源 耗散效应
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p pb pe ( p pb ) p pb pv ( p pb )
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压力
常用单位：
1 kPa = 103 Pa 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
绝热节流
忽略动能差、位能差
h1
h2
q h ws
ws 0
q0
h 0 h1 h2
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第三章 气体和蒸汽的性质
3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能、焓和熵 3-4 水蒸气的饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程和临界点 3-6 水和水蒸气的状态参数 3-7 水蒸气表和图
➢ 焓对于开口系有上述物理意义，对闭口系不再具有 上述物理意义；
焓是状态参数.
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2-4 （焓）
因热工计算中时常出现U+pV,所以把它定义为焓H
H = U + pV [ kJ ] h = u + pv [ kJ/kg ]
h f ( p, v), h f ( p,T ), h f (T , v)
平衡的本质：
不存在不平衡势差，即同时处于热平衡、 力平衡、相平衡和化学平衡。
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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 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
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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，且物系中各处的状态参数相同。
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推动功和流动功
推动功：工质在开口系中流动而传递的功。
Wpush = p A dl = pV
注：推动功只有在工质移 动位置时才起作用。
流动功：系统为维持工质流动所需的功
( pv) p2v2 p1v1
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2-4 （焓）
➢ 在开口系中由于有工质流动，热力学能u与推动功 pv必然同时出现，所以焓可以理解为由于工质流动 而携带的、并取决于热力状态参数的能量；
E U Ek E p
Ek

1 2
mc
f
2
Ep mgz
E

U

1 2
mc
f
2

mgz
e

u

1 2
c
f
2

gz
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2-3能量的传递与转换
1 功和热
➢能量传递的两种方式：做功和传热 ➢功量与热量都是系统与外界所传递的能量，而不 是系统本身的能量，其值并不由系统的状态确定， 而是与传递时所经历的具体过程有关。 ➢功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特 征有关的过程量。
复习内容
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置
定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力 的整套设备。