工程热力学绪论共33页文档

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。
第三章 理想气体的性质
基本要求： 1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式； 2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容计算理想 气体热力学能、焓、熵及过程热量； 3、掌握有关理想气体的术语及其意义； 4、掌握理想气体发生过程； 5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得 理想气体的相关状态参数。
T
不可逆过程的熵增（过程角度）
q
T
0
克劳休斯积分不等式（循环角度）
dsiso 0
孤立系统角度
ds sf sg 非孤立系统角度
熵、热力学第二定律的数学表达式
1. 熵的定义
ds qre
T
2. 循环过程的熵
3. 可逆过程的熵变
qre Tds
ds 0,则 q 0 可逆过程中ds 0,则 q 0
dv
q cndT Tds
T s
n
T cn
T ,定容过程 cV
T ，定压过程 cp
4个基本过程中的热量和功的计算
2
2
1、定容过程
w pdv 0 1
wt 1 vdp v( p2 p1)
2、定压过程
qv u cv (T2 T1)
2
w 1 pdv p(v2 v1)
热力学上统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。
可逆过程的热量
T
1
B
qre = Tds
T
A
2
q
ds qrev
T
S1
S dS S2
q “+”
q “-”
热力循环
功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来 初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。

工农业及交通运输提供动力。工程热力学正是 研究热能的有效利用及热能和其它能量 转换规律的科学.
二、热力学研究对象和主要内容:
• 1）研究能量转换的客观规律，即热力学第 一与第二定律。
• 2）研究工质的基本热力性质。
• 3）研究各种热工设备中的工作过程。
• 4）研究与热工设备工作过程直接有关的一 些化学和物理化学问题。
三、状态方程、坐标图
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
想确切描述某个热力系，是 否需要所有状态参数？
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立程Equation of state
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系
简单可压缩系统：N = 2
v f ( p,T) f ( p,v,T) 0
工程热力学
绪论
工程热力学是重要的专业基础课；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
一、能源及热能利用
1.能源
分为：一次能源，是自然界以自然形态存在的、 可以利用的能源；主要有风能、水利能、太阳能、 地热能、化学能和核能等，有些可直接利用，但 通常需要经过加工转换后才能利用。二次能源， 是由一次能源加工转换后的能源，主要是热能、 机械能和电能。在能量转换过程中，热能不仅是 最常见的形式，而且具有特殊重要的作用。
状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量
与路径无关，只与初终态有关 3、状态参数的微分特征：全微分
从数学上考虑，状态函数具有两个基本性质： （1）系统状态的微小变化所引起状态函数的变
化可以用全微分表示。 如：dp、dV、dT （2）状态函数的增量只与系统的始、末态有关， 与变化的具体历程无关。 (即线积分结果与积分途径无关，只取决始终 两点的坐标) NOTE：系统的状态应当是系统达平衡时的平 衡态。 基本状态参数：温度、压力、比容或密度。

3. Basic Principles
（1）The first law of thermodynamics （2）The second law of thermodynamics
4. Main Contents
（1）The thermal properties of substances （2）Processes and cycles （3）Ways and technical measures to enhance the energy conversion efficiency
0-1 Energy
0-1-1 Energy
1. Energy（能量）:
The measurement of the substance movement.
2. Various forms of energy
（1）Mechanical energy （2）Thermal energy
（3）Electrical energy
3. Research Approaches
Three basic approaches and their combination • Theory analysis • Numerical simulation • Experiment research
思考题
什么是能量？目前被人们认识和利用的能量形式有哪些？ 什么是能源？能源是如何分类的？ 热能利用的两种形式是什么？ 热工基础的研究是什么？ “热工基础”课与节能有怎样的关系？ 以任意一种热能动力装置为例，分析其在热功转换过程 中所经历的过程。 7. 你能够从各种热能动力装置的工作过程中，初步概括出 它们在实现热功转换时的某些共同特性吗？ 1. 2. 3. 4. 5. 6.

南京航空航天大学
工程热力学的研究方法
采用经典热力学的宏观研究方法，有时利用分子运动论和 统计热力学基本观点和研究成果 还普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法
南京航烧系统(Combustion systems) –动力的产生——发动机，电厂等。（ Power
按开发的步骤 ➢ 一次能源：煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能等 ➢ 二次能源：电力、煤气、汽油、沼气、氢气、酒精等
其他分类….
南京航空航天大学
能量的转化与利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转化过程
燃料电池
氢、酒精等二次能源
电能
机械能 辐射能
光电池
发电机
机械
风能、水能、海洋能
机械能
热能 直接利用
式的推导。 • 明确各章节的作用和相互的联系，解决什么问
题，得出什么结论。 • 热力学的直观语言很重要：p-v图、T-s图、h-s
煤、石油、天然气
核能
核反应
燃烧 集热器
热机 90％
热 能 直接利用
燃烧
太阳能 光合作用
生物质能 食物利用
南京航空航天大学
0-2 热力学发展简史
南京航空航天大学
“冷”、“热”的概念 钻木取火：最早的人为的热-功转换
南京航空航天大学
最早的热-功转换机械
（hero engine ）
南京航空航天大学
Thomas Savery的蒸汽机
南京航空航天大学
工程热力学涉及的领域
–流体压缩和运动——风机，泵，压缩机等。 （Fluid compression and movement — fans, pumps, compressors, etc.)
–供热通风与空调工程——制冷系统，热泵等。 （HVAC — refrigeration systems, heat pumps, etc.）

基本概念：热力系统、状态参数、平衡状态等 基本定律：热力学第一定律、热力学第二定律等
正确理解这些概念和定义，并运用它们作为判断
热数和的力推理量学理 解问第的 ，一题工 这定具 对律，于解在学决反好的复本是应课能用程量中是传加至递关深和重对转要概换的念过。及程定中义的
热力学第二定律解决的是能量传递和转换过程中的
热机种类
发电（火力、核能）
能量利用率 40%
车辆发动机（内燃机） 25~35%
轮船发动机
25~35%
航空发动机
20~30%
制冷空调(非热机，同理）
三、工程热力学的研究内容
1、基本概念与基本定律
2、能量的转化过程特别是热能
转化为机械能的过程 3、常用工质的性质 4、化学热力学基础
1、基本概念与基本定律
能源转换利用的关系
风 能
水 能
化 学 能
燃
料 电 池
风 车
水水
轮 机
车
燃 烧
核 能
聚裂 变变
热
生物质
地太 热阳 能能
利 光转 用 热换
能 90%
一次能源 (天然存在)
光 电 转 换
机械能
发
电
电
动
机
机
热机 电
直接利用 能
二次能源
二、工程热力学的研究对象
• 能量转换，特别是热能转换成机械 能的规律和方法，以及提高转化效 率的途径，以提高能源利用的经济 性
绪论
• 什么是工程热力学？工程热力学的研究背 景
• 工程热力学的研究对象 • 工程热力学的研究内容 • 工程热力学的研究方法 • 如何才能学好工程热力学
一、什么是工程热力学
热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转 换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。

从能源结构来看，2004年一次能源消费中，煤炭占 67.7%，石油占22.7%，天然气占2.6%，水电等占 7.0%；一次能源生产总量中，煤炭占75.6%，石油 占13.5%，天然气占3.0%，水电等占7.9%。
我国能源现状
据预测，目前中国主要能源煤炭、石油和天然气的储 采比分别为约80、15和50，大致为全球平均水平的 50%、40%和70%左右，均早于全球化石能源枯竭 速度。
工程热力学
Engineering Thermodynamics
绪论
工程热力学属于应用科学（工程科学） 的范畴，是工程科学的重要领域之一。
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
工程热力学所属学科
工
工程热力学
程
传热学 Heat Transfer
热
流体力学 Hydrodynamics
工程热力学是节能的理论基础
能量转化的一般模式
一
次 能
热能
源
电能 机械能
问题：下面哪些是热机，哪些不是？
燃气轮机、蒸气机、汽车发动机、燃料电池、制冷机、 发电机、电动机
能量转化的一般模式
风 能
燃
水 能
化 学 能
料 电 池
风 车
水 轮 机
水 车
燃 烧
核 能
聚裂 变变
热
生物质
地太 热阳 能能
利 光转 用 热换
大气压（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）
1 kPa = 103 Pa
1bar = 105 Pa
换 1 MPa = 106 Pa
算 关
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa

绪
论
能源的分类：热电、机械能、电能、光能、磁能等， 其中热能是最主要的。 人类利用热能有两种方式：一种是热能的直接利用； 另一种是把热能转化为机械能、电能等。
人类追求把各种可转换为热能的能量转换为电能或 机械能。因此，为了掌握热能与其他形式能量相互 转换的规律，使热能转换为机械能、电能的效率更 高，诞生了热力学。
因此，热力学的基本任务是研究能量转换以及与转 换有关的热物性之间的相互关系。
动力设备
工质状态变化
热力设备
耗功装置
ห้องสมุดไป่ตู้
流体机械
把热能转换为机 械能的设备
以消耗机械能来
获取其他能量的
设备
通过工质流体来 实现的设备
锅炉、燃气轮机、 内燃机等
压缩机、风机、 泵、制冷机等
工程热力学基础理论在研究热功转换规律时，是以 理想气体为工质进行演绎的，但实际气体的性质与 理想气体有很大差别。因此，如何架设理想气体与 实际气体之间的桥梁，把以理想气体为工质的研究 成果顺利地应用于以实际气体为工质的情况，将是 高等工程热力学要解决的一项重要任务。 热力学第一和第二定律的诞生，是热力学对物理学 乃至整个科学的重大贡献，具有极其重要的意义。
考核方式： 课程主要考核方式以笔试为主，占考核成绩的 70%，平时成绩占30%，包括：考勤、作业、文 献查阅等。
热力学基础
基本概念，热力学第一、第 二定律，熵，有效能等内容
流体工质的 热力性质 多组分的热 力学基础
实际气体的状态方程、工质
热力性质的计算等
主要内容
多组分单相混合物系统、多 组分系统的相平衡等
随着人类实践活动的深入和发展，热力学的理论和 研究方法也应当与时俱进，有所发展。例如：不可 逆过程热力学、传热过程与热力过程结合、多种能 量转换过程耦合等都是当前热力学研究的新动向。 由于环保需要，出现采用混合工质的制冷技术。 功热转换系统中的燃烧过程。 燃料电池问世和深冷技术发展。

第1章基本概念1-1 热力系统凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热力发动机，简称热机。

例如蒸汽机、蒸汽轮机（也称蒸汽透平）、燃气轮机（也称燃气透平）、内燃机（汽油机、柴油机等）和喷气发动机皆为热机。

热能和机械能之间的转换是通过一种媒介物质在热机中的一系列状态变化过程来实现的，这种媒介物质称为工质。

例如空气、燃气、水蒸气、氨蒸气等都是常用的工质。

在工程热力学中，把热容量很大且在吸收或放出有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显改变的物体称为热源。

在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。

系统以外的物体称为外界或环境。

系统与外界之间的分界面称为边界。

边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。

本文用虚线表示热力系统的边界。

如图1-1所示，如果取气缸中的气体作为研究对象，则气缸内壁和活塞内表面即构成该系统的真实边界，并且一部分边界随活塞移动。

系统通过边界与外界发生相互作用，进行物质和能量交换。

按照系统与外界之间相互作用的具体情况，系统可分为以下几类：⑴ 闭口系统：系统与外界无物质交换，如图1-1所示。

当工质进出气缸的阀门关闭时，气缸内的工质就是闭口系统。

由于系统的质量始终保持恒定，所以也常称为控制质量系统。

⑵ 开口系统：系统与外界有物质交换，如图1-2所示。

运行中的汽轮机就可视为开口系统，在运行过程中，有蒸汽不断地流进流出。

由于开口系统是一个划定的空间范围，所以开口系统又称控制容积。

⑶ 绝热系统：系统与外界无热量交换。

⑷ 孤立系统：系统与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换。

严格地讲，自然界中不存在完全绝热或孤立的系统，但工程上却存在着接近于绝热或孤立的系统。

用工程观点来处理问题时，只要抓住事物的本质，突出主要因素，就可以将这样的系统看成是绝热系统或孤立系统，而得出有指导意义的结论。

需要指出的是，选取的热力系统必须具有足够大的尺度，即和物质的微观尺度相比可以认为是无穷大，以满足宏观的假定。