清华大学工程热力学课件

x 35.56cm3
L x 3.556cm F
pB 2bar VB 80cm3
F 10cm2 pA 10bar VA 20cm3
I. 活塞无摩擦，完全导热(续)
解：2） QA，WA
突然拔掉销钉，活塞无摩擦, 不是准静态
QA UA WA pdv
无法确定
pB 2bar VB 80cm3
QB UB WB pdv
3） QA+B
QA+B UA+B WA+B
0
F 10cm2
pA 10bar VA 20cm3
I. 活塞完全导热，无摩擦
F 10cm2
II. 活塞完全导热，有摩擦 且经历准静态等温过程
pA 10bar VA 20cm3
I. 活塞无摩擦，完全导热
解：1）活塞移动距离L A、B的质量及T均未变
pAVA pA 'VA ' pBVB pB 'VB '
pA ' pB '
pAVA pBVB 10 20 2 80 VA ' VB ' 20 x 80 x
容积效率:
V
V Vh
1 c
p2 p1
1
n
1
讨论：
（1） p2 一定，c p1
V
（2）
c
和n一定，
p2 p1
V
极限 V 0
p 3
c VC Vh
2
VC 4 V3
1 V
V1 V
余隙影响例题
已知：
Vh p1
10b.a4r4,t515m135,Vo C3 ,p02.0232.35mba3r,
n=1.2
wt

作业
4-9 4-10 4-11 4-12
熵与不可逆讨论(例4 续7)
T 800 K 750 K
300 K 285 K
t,C 0.64375 t 0.475
wC 386.25 kJ/kg w 285 kJ/kg
101.25 kJ/kg
s w wC
第四章 习题课
例1(4-7) ：设有一个能同时产生冷空气和热
ln Tb Ta
Rm
ln
pb pa
nc
Cpm
ln Tc Ta
Rm
ln
pc pa
nbCpm
ln
TbTc Ta 2
b -15 ℃
a 2 kmol
25℃ 1 atm
0.962 kJ/K
60 ℃ c 不可能
1 kmol
1 kmol
1 atm
1 atm
例1 教材（4-7）续2
热一律 Q H Wt
338.15
338.15
cm(95 65) cm(1kg m)(6155℃ 65)95℃0
28(81.-1m5)kg 65 ℃ 15 ℃
解得 m 0.6249
15 ℃环境吸热
冷热管
关于熵，请你判断下列说法
• 任何过程，熵只增不减。 ╳
• 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到
达同一终点，则不可逆途径的S必大于可
逆过程的S。 ╳ • 可逆循环熵变为零，不可逆循环熵变大于零。╳
• 不可逆过程S永远大于可逆过程S。 ╳
请你简答（1）
• 若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相
同热量，问可逆与不可逆的末态熵谁大？
s
q
T
>：不可逆过程 =：可逆过程

q p ( u v)T d v ( T u)vd T M d v N d T
M
T
v
Tpv
2u
Tv
N v
T
2u vT
q 不是状态参数 热量不是状态参数
常用的状态参数间的数学关系
x
1
倒数式 Reciprocity
relation
y
z
y x z
循环式 Cyclic
s
f T
h v pu pv fvfTT T f vv fv T
uf Tsf TTf v
吉布斯函数（Gibbs Function）
d h T d s v d p d T s s d T v d p
dhT s sdTvdp
令 g hTs 吉布斯函数 GHTS
dgsdTvdp gg(T, p) 是特征函数
四个 Maxwell ralation
p s
v
T v
s
s
p
T
v T
p
v s
p
T p
s
s
v
T
p T
v
四个特征函数（吉布斯方程）
d T u d ps d u v f( s ,v ) dd d u f T h uss vd sd d v p uvT d s sd h dfv p h f v ( ( s T ,,p v ) ) d us g s v Td vT ud vg s g p p( T ,p )
作业
10-2 10-3 10-4
第十章
热力学微分关系式 及实际气体的性质
Thermodynamic differential relation and the

Gd

0
Gd
0

Gd


0
Gd


0
Gd
3
类、温度和表面状况，是波长的函数。 ,不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波 , 长分布有关。 （ 2 ）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属 于表面效应 ： 金属的表面层厚度小于 1m ；绝大多数 非金属的表面层厚度小于1mm。 （3）对于固体和液体， 。 0 , 1
E E d b b 1 2
1
2
d d b b E E
9
Hale Waihona Puke 定向辐射力与辐射力之间的关系：
E
2
Ed
定向辐射力与辐射强度之间的关系：
E L o s c
辐射力与辐射强度之间的关系：
E
2
L c o s d
10
11-2 黑体辐射的基本定律
1.普朗克（Planck）定律 2.斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 3.兰贝特（Lambert）定律
注意： , （1） , 属于物体的辐射特性，取决于物体的种
镜反射与漫反射：
产生何种反射决于物体表 面的粗糙程度和投射辐射能 的波长 。
4
2. 灰体与黑体
灰体： 光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体，即 , , 分别等于常数。



0
G d
0

G d
G G

G G
G 透射比 G 1
G G
如果投入辐射是某一波长的辐射能G ，则

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
∴ 在给定的温度界限间工作的一切热机，
tC最高
热机极限

Q2R多 = T2(sc-sa) tR多 1
T2
_
6
5 s
T1
概括性卡诺热机 Ericsson cycle
如果吸热和放热的多变指数相同
∴ ab = cd = ef
完全回热
T2 T1
T a n d
T1
b n
tR概括 1
tC
e T2
c
f s
这个结论提供了一个提高热效率的途径
Q E 21000m 1800m 11.7
mkg水降低5C放热：
Q cmt 21000m[ J ]
第二类永动机???
水面
耗功 发电机
蒸汽
制冷系统
水
单热源热机
perpetual-motion machine
1874-1898, J.W.Kelly, hydropneumaticpulsating-vacu-engine, collected millions of dollars. 1918, the U.S. Patent Office decreed that it would on longer consider any perpetual-motion machine applications. 中国上世纪八十年代，王洪成，水变油
克劳修斯表述

A system is said to have undergone a cycle if it returns to its initial state at the end of the process
循环 和 过程 Cycle and Process
循环由过程构成
过程
可逆 不可逆 循环
可逆循环 (闭合实线)
热力循环的评价指标 (续)
逆循环：净效应（对内作功，放热） 制冷循环：制冷系数 T0
收 益 吸 热 Q ＝2 代 价 耗 功 W
Q1
W
制热循环：制热系数
收 益 放 热 Q ’ ＝1 代 价 耗 功 W
Q2
T2
第一章 小 结 Summary
基本概念：
热力系 平衡态
准静态、可逆
W W B A
可逆过程与准静态过程(续)
缓慢电加热A腔中气体，B中理想气体被压缩
2）以A中气体为系统
缓慢加热 准静态 内可逆 无摩擦
A
B
3）以A腔为系统
电功耗散为热 电功耗散为热 不可逆 不可逆
绝热，无摩擦
4）以A＋B腔为系统
熵 (Entropy) 的定义 reversible Q rev 广延量 [kJ/K] dS T
q rev ds T
比参数 [kJ/kg.K]
ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商
清华大学刘仙洲教授将其命名为“熵”
熵的说明
1、熵是状态参数 (? )
2、符号规定 系统吸热时为正 Q > 0 系统放热时为负 Q < 0
2、热力学定义I
热力学定义II
功的热力学定义II
功是系统与外界相互作用的一种方 式，在力的推动下，通过有序运动方 式传递的能量。

四、课程的特点、要求、学时分配、考核
特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的 讲授以理论分析和推导为主。
对重点章节要熟练掌握。
要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。
学时分配：总学时40
考核：本课程为考试课，平时20%；考试80%。
参考书： 1.《汽车发动机原理》徐兆坤 主编 清华大学出版社 2.《汽车发动机拖拉机》（第3版）董敬等主编 机械工业出版社
2、压力：用P表示，单位是Pa，Mpa、kPa。 定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。 即：P=F/A 3、温度：用T表示，单位是K。 （Ｔ↑气体分子的平均 定义：表征物体的冷热程度 动能越大）
三、理想气体的状态方程
1、理想气体：气体分子本身不占有体积，分 子之间无相互作用力的气体。 2、理想气体的状态方程：
即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。
5、过程曲线
绝热压缩 温度升高
绝热膨胀 温度降低
五、多变过程
在实际的热力过程中，P、ν 、T的变化
和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊
的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般
的过程即多变过程来描述。
1、过程方程式：Pvn=常数 n=0,P=常数
n:多变指数。
是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函 数，用符号u表示，单位J。
三、闭口系统的能量方程
1、定义: 与外界没有质量交换的系统。 2、能量方程式
Q-W=Δ U
对于微元过程： 对于1kg工质：
故Q=Δ U+W δ Q=dU+δ W q=Δ u+w
（Ｊ/Kg)
—闭口系统能量方程
★以上各项均为代数值，可正可负或零，且 不受过程的性质和工质性质的限制。

我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二， 占世界总排放量的13.6%。
据世界银行报导，我国城市空气污染对人体安 康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使 农作物减产每年损失达50亿美元。
我国的能源建立要走可持续开展的道 路，必须两条腿走路：
0-2 热工根底的研究内容
热工基础
工程热力学篇
〔热工理论根底〕 传热学篇
主要研究内容：
热工根底主要研究热能利用的根 本规律以及热能利用过程及自然界所有 热现象中热量传递的根本规律。
1.工程热力学的研究内容与研究方法
〔1〕研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能之间 相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径 和技术措施 。〔举例〕
〔1〕合理利用能源，提高能源利用率。 主要途径就是改造或更新技术落后的能源 利用终端设备；
〔2〕大力开发对环境无污染或污染很小 的新能源，如太阳能、风能、水能、地 热能、海洋能、生物质能以及核能等。
3. 能量的转换与利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。
燃料电池
机械能
氢、酒精等二次能源
及化学变化和核反响的热力学能，也称为内 热能；
电能 ：与电荷的运动和积蓄有关的能量； 化学能 ：通过化学反响释放的能量； 核能 ：通过核反响释放的能量； 辐射能 ：物体以电磁波的形式发射的能量。
2. 能源
能源是指能够直接或间接提供能量的物
质资源。
〔1〕能源分类
1〕按开发利用的情况： 常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。 新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、
〔2〕研究方法

pv RT
17
（3）状态参数坐标图 以独立状态参数为坐标的坐标图。 在以两个独立状态参数为坐标的平面坐
标图上，每一点都代表一个平衡状态。
18
1-4 准平衡过程和可逆过程
（1）热力过程 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
19
（2）准平衡过程（准静态过程）
所经历的每一个状态都无限地接近平衡状 态的过程。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定 义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三 相点温度的1/273.16。
热力学温标与摄氏温标的关系： 温差:1 K = 1 ℃
t = T – 273.15 K 14
国际单位制（SI）采用热力学温度T作 为基本状态参数。 4) 温度的测量
a. 接触式 水银温度计、酒精温度计 热电偶、电阻温度计等。
闭口 系统
边界 外界
4
（2）开口系统
与外界有物质交
进口
换的系统。系统的容
积始终保持不变，也
称为控制容积系统。
（3）绝热系统 与外界没有热量交换的系统。 出口
（4）孤立系统
与外界既无能量（功、热量） 交换又无物质交换的系统。
5
1-2 平衡状态及基本状态参数
1. 平衡状态
（1）状态（热力状态）
系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状 况称为系统的热力状态，简称状态。
9
压力测量：
绝对压力 p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
p =pb +pe
p =pb -pv
只有绝对压力 p 才是状态参数。
10
（2）温度
1）温度的物理意义
温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的 高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。

pV mRgT
物质的多少还以物质的量（摩尔数）来衡量。 物质的量：n ，单位： mol（摩尔）。 摩尔质量： M ，1 mol物质的质量，kg/mol。
4
物质的量与摩尔质量的关系： n m M
摩尔质量与气体的相对分子量之间的关系：
1 kmol物质的质量数值与气体的相对分子质 量的数值相同。
MO2 = 32.0010-3 kg/mol MN2 = 28.0210-3 kg/mol
19
2) 理想气体的熵
根据熵的定义式及热力学第一定律表达式，
可得
ds q du pdv du p dv
Τ
T
TT
ds q dh vdp dh v dp
T
T
TT
对于理想气体，
du cV dT , dh cpdT , pv RgT
代入上面两式，可得
20
ds
cV
dT T
Rg
dv v
ds
cp
dT T
Rg
dp p
比热容为定值时 ，分别将上两式积分，可得
代入
s
cV ln
T2 T1
Rg ln
v2 v1
s
c
p
ln
T2 T1
Rgln
p2 p1
pv RgT和迈耶公式cp cV=Rg ，得 21
结论：
s
cV ln
p2 p1
cpln
v2 v1
（1）理想气体比熵的变化完全取决于初态和终 态，与过程所经历的路径无关。这就是说，理 想气体的比熵是一个状态参数。
M空气 = 28.96 10-3 kg/mol
5
摩尔体积 Vm ：1 mol物质的体积， m3/mol。

列中间状态，最终回到初始状态。
工程热力学的发展历程
早期发展
工程热力学起源于古代人类对火的使用和对蒸汽的认识。 随着工业革命的兴起，人们对热能转换和利用的研究逐渐 深入。
基础理论建立
19世纪末，卡诺、焦耳等科学家通过实验研究，建立了热 力学的理论基础，包括卡诺循环、焦耳定律等。
现代发展
随着科技的不断进步，工程热力学在能源转换、环境保护 、航空航天等领域的应用越来越广泛，成为能源、动力、 化工等学科的重要基础。
要关注热力系统能量的转换与传递过程，以及系统状态变化的规律。
02
热力系统
热力系统是指可以与周围环境进行热量交换的封闭系统。系统内的能量
转换与传递过程遵循热力学的第一定律和第二定律。
03
热力循环
在工程热力学中，热力循环是一系列连续的热力学过程，包括吸热、膨
胀、放热、压缩等过程。循环中，系统从某一初始状态出发，经过一系
19世纪末，傅里叶、牛顿等科学家对传热学进行了系统 的研究和总结，奠定了传热学的基础。
20世纪以来，随着科技的发展和工业的进步，传热学在 理论和实践方面都取得了长足的进步。
传热学的研究对象和内容
01
传热学的研究对象是热量传递过程中的规律和现象，主要 研究导热、对流、辐射三种传热方式。
02
导热是指热量在物体内部通过分子、原子等微观粒子的运动传递 ；对流是指流体在运动过程中将热量传递给固体壁面；辐射是指
热力循环与热效率
介绍各种热力循环，如蒸汽循环 、燃气循环等，以及如何提高循 环效率和减少能量损失。
传热学部分大纲
导热基本定律与稳态导热
介绍导热基本定律，即傅里叶定律，以 及稳态导热的分析方法和计算。
对流换热