清华大学热工基础课件工程热力学加传热学第二章

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二、工质
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。
工质是实现能量转换必不可少的内部条件
对工质的要求: 1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
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物质三态中 气态最适宜。
三、热源
定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 • 高温热源—热源 低温热源—冷源 • 恒温热源 变温热源
热动力装置工作可以概括为：
工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能， 把另一部分热能传给低温热源。
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1-2 热力系统（热力系、系统、体系） 外界和边界 一、定义
• 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）。
比体积
V v m
单位质量工质的体积
m3 /kg
密度
单位体积工质的质量
kg/m3
m V
两者关系:
v
1

35
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。
1-4 平衡状态 状态方程 坐标图
一、平衡状态
1、定义： 一个热力系统，在不受外界影响的条件下（重力场除外）， 如果系统的状态参数不随时间变化（始终保持不变），则该系 统处于平衡状态。
简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点 确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：
p
1
说明：
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
2
v
常见p-v图和T-s图
3）不平衡态无法在图上用实线表示
p-v图 为压容图 T-s图为温熵图

100 U1A2 60 Q2B1 U 2B1 40
Q2B1 80
第二章 讨论课
2、一个装有2kg工质的闭口系经历了如下 过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统 做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并 且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
Q E W
第二章 讨论课
空
Q
调
Q W
T
第二章 讨论课
➢ 计算题
1、对某种理想气体加热100KJ，使其由状 态1沿途径A可逆变化到状态2，同时对外做 功60KJ。若外界对该气体做功40KJ，迫使 它沿途径B可逆返回状态1。问返回过程中该 气体是吸热还是放热？热量是多少？
Q1A2 U1A2 W1A2 Q2B1 U 2B1 W2B1
V
1b 2
2c1
状态参数 ( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
热力学能及闭口系热一律表达式
定义 dU = Q - W 热力学能U 状态函数
Q = dU + W Q=U+W
闭口系热一律表达式
！！！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU
热力学能U 的物理意义
不可能制成的”
§2-2 热一律的推论热力学能
热力学能的导出 闭口系循环
Q W
( Q W ) 0
热力学能的导出
( Q W ) 0 对于循环1a2c1
p1
( Q W ) ( Q W ) 0
b
1a 2
2c1
a
c
对于循环1b2c1
2
( Q W ) ( Q W ) 0
• u : 比参数 [kJ/kg] • 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人 为定

思考
宏观动能和内动能的区别？
§2-3 热力学第一定律导出
热力学第一定律基本表达式
加入系统的能量总和—热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量
加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和
= 热力系总储存能的增量
δW
δ mi ei
E
δm jej
E+dE
δQ
d
如果是闭口系，如何简化？
闭口系统的热一律基本表达式
来源：
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世 纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都 具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它 只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形 式。而在转换中，能量的总量恒定不变。
能量转换与守恒定律
认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等有序能的守恒 热现象不是一个独立的现象，
其它形式的能量都最终转化为热能
热力学第一定律的本质
本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用
18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有
引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性
系统的能量
能量是物质运动的度量，运动有各种不同 的形态，相应的就有各种不同的能量。
系统储存的能量称为储存能，它有内部储 存能与外部储存能之分。系统的内部储存 能即为热力学能
§2-2 热力学能（内能）
Internal energy
定义
系统内部各种形式能量的总和称为系 统的热力学能，简称为内能 U。单位质量 的热力学能称为比内能 u。
闭口系， δmi 0 δm j 0 忽略宏观动能Uk和位能Up， E U

dU 0
δQ δW
7. 热力学第一定律解析式的适用条件：
q u w
①任何系统；②任何工质；③任何过程
δq δw
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例1 自由膨胀
如图， 抽去隔板，求 U 解：取气体为热力系
—闭口系？开口系？
Q U W
Q 0 W ? 0 U 0 即U1 U2
强调：功是通过边界传递的能量。
对于微元过程： δQ dU δW 热力学第一定律解析式 15 功：广义的功
注意：
1. 表达式中Q、W、ΔU都是代数值，规定：系统吸热Q为正值，系统对
外作功W为正，反之则为负。系统的热力学能增大时， ΔU为正，反之 为负。
2.对于单位质量工质： 简单可压缩系 3.对于可逆过程：
δq du δw q u w
第二定律指出在自然界中任何的过程 都不可能自动地复原，要使系统从终态回 到初态必需借助外界的作用。
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●热力学第三定律（即能斯特热定理） 不可能用有限个手段和程序使一个物体 冷却到绝对温度零度。 有效地解决了热力系统中平衡常数计算 问题和许多热动力工业生产难题。
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第二章 热力学第一定律
First law of thermodynamics
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热力学能的说明
• 热力学能是状态量 state property
• U : 广延参数 [kJ ]
• u : 比参数 [kJ/kg] －比热力学能
对于循环： dU 0 du 0
• 热力学能总以变化量出现，其零点人为定 • 只关心ΔU
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二、外部储存能（macroscopic forms of energy）
2–1 热力学第一定律的实质 2-2 热力学能和总能 2–3 热力学第一定律基本表达式 2–4 稳定流动能量方程式的应用

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对于单位质量工质， 对于单位质量工质，
1 2 q = ∆h + ∆ cf + g ∆z + ws 2
以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。 以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。 开口系统的稳定流动能量方程 对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成
1 2 δQ = dH + mdcf + mgdz + δWs 2 1 2 δq = dh + dcf + gdz + δws 2
q = ∆h + ws
1. 热交换器
( wt = ws )
q = h2 − h1
2. 动力机械
( ws = 0 )
(q = 0)
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ws = h1 − h2
3. 绝热节流
( q = 0 , ws = 0 )
h1 − h2 = 0
注意：绝热节流过程不是定焓过程 定焓过程。 注意：绝热节流过程不是定焓过程。 本质上存在摩擦和涡流， 不可逆过程， 本质上存在摩擦和涡流 ， 不可逆过程 ， 工质 处于非平衡状态，节流为不稳定流动。 处于非平衡状态，节流为不稳定流动。 22
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2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 Q ∆U W
Q − W = ∆U = U 2 − U 1 Q = ∆U + W
对于微元过程， 对于微元过程，
δQ = d U + δW
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对于可逆过程， 对于可逆过程，
δQ = dU + pdV
Q = ∆ U + ∫ pdV
1 2
对于单位质量工质, 对于单位质量工质,
3
2. 宏观动能 ：Ek ，单位为J或kJ 单位为J

混合气体各组成气体的 容积成分之和等于1
r1＝
V1 V
； r2 ＝
V2
r1＋r2＋……＋ rn＝
V V1 V
…… rn ＝
V2 V
Vn
V
Vn V
＋
＋……＋
＝1
r1＋r2＋……＋ rn ＝
Σ
n
ri＝ 1
i＝1
三、摩尔数成分表示方法 G1 G2 M1＝ μ M2＝ …… Mn＝
1
Gn μn Mn M
μ2
V xV V
i i
容积成分 ＝摩尔成分
pV nRMT
p T V
p T V
p T V
p T V
pVi ni RMT
分容积Vi
第三节 混合气体成分的 表示方法
一、重量成分
混合气体中各组成气体的重量成分 之和等于1
g1＋g2＋……＋ gn＝
Σ
n
gi ＝1
(2-3)
i=1
二、容积成分
分压定律和分容积定律
分压力定律 Dalton’s law of partial pressure
p T V
p T V
p T V 分压力pi
p T V
第二节 分容积和总容积
混合气体的总容积等于 所有各组成气体的分容积之和
V＝V1＋V2＋……＋ Vn＝
Σ
n
Vi
(2-2)
i=1
分容积定律
i
Vi V ni n xi Vi xiV
6、某混合气体是由1.3m3的空气和1m3的发生炉煤气组成，在物理标准 状态下发生炉煤气的重度为1.2kg／Nm3 ，试求此可燃混合气体的气 体常数。 7、燃烧1kg重油所产生的烟气共重20kg，其中包括3.16kg的二氧化碳、 1.15kg的氧、1.24kg的水蒸气，其余均为氮气。烟气中的水蒸气可作 为理想气体计算，试求烟气的：（1）重量成分；（2）气体常数： （3）容积成分：（4）假想的平均分子量：（5）燃烧1kg重油所产生 的烟气的标准容积。 8、以50kg的废气和75kg空气相混合，废气中各组成气体的重量成分为： gCO2=14%; gO2=6%; gH2O=7%; gN2=75%. 空气中的氧和氮的重量成分为： rO2=23.2%; rN2=76.8%; 当混合 气体的压力为3绝对大气压时，求该混合气体的（1）重量成分；（2） 气体常数；（3）假想平均分子量；（4）容积 成分；（5）各组成气 体的分压力。

沿 z 轴方向导入与导出微元体净热量： ( z)z ( z)z d z q z zd x d y d z
[导入与导出净热量]:
[ 1 ] [ d Q x d Q x d x ] [ d Q y d Q y d y ] [ d Q z d Q z d z ] [1](qx qy qz)dxdydz x y z
水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变 化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样
液体的热导率随压力p的升高而增大
p
3、固体的热导率
(1) 金属的热导率：
金 属 1 2 ~ 4 1 8W (m K )
纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动 主要依靠前者
金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：
有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料板、叠层 金属板，其导热系数随方向而变化 —— 各向异性材料
各向异性材料中：
qx
xx
t x
xy
t y
xz
t z
qyBiblioteka yxt xyy
t y
yz
t z
qz
zx
t x
zy
t y
zz
t z
三、热导率
q
grad t
— 物质的重要热物性参数
热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过 单位面积的导热量
第二章 稳态热传导
本章着重讨论稳态导热问题。首先引出导热基本定律的 最一般的数学表达式，然后介绍导热微分方程及相应的初始 与边界条件，他们构成了导热问题的完整的数学描写。在此 基础上，针对几个典型的一维导热问题进行分析求解，以获 得物体中的温度分布和热流量的计算式。
§2-1 导热基本定律

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第十七页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十八页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十九页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第二十页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第二十一页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第二十二页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第一页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第二页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
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第三十页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第三十一页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第三十二页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第九页，编辑于星一：十一点 二十三分。
第十页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十一页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十二页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十三页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十四页，编辑于星期一：十一点 二十三分。
第十五页，编辑于星期一：十一点 二十三分。

四、基本状态参数 （一）压力 1、定义：单位面积上承受的垂直作用力。即 P Fn 该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。 A 微观上看：工质的压力是物质微观粒子对器壁撞击的
总效果。 2、单位： 1Pa=1N/m2 1kPa=1000 Pa，1MPa=106 Pa，1bar= 105 Pa 1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa 标准大气压1atm=760mmHg=1.01325 ×105 Pa 工程大气压1at=1kgf/cm2= 9.80665×104 Pa
dx 很小，近似认为 p 不变
可视为准静态过程
Af
mkg工质发生容积变 化对外界作的功
p dx
W = pA dx =pdV p外 1kg工质
w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV
2
W pdV
1
1kg工质：w =pdv
2
w 1 pdv
注意：
p
p外 上式仅适用于
1
2
准静态过程
p
p外 系统不能同时恢
复原态。
1
2
摩擦损失的影响
若f＝0
系统对外作功W，外界得到的功W ’＝W 若外界将得到的功W ’再返还给系统 则外界、活塞、系统同时恢复原态。
p
p外
1
2
二、可逆过程
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，则此过程为可逆过程。
注意
可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
热机
直接利用
二次能源
电
能
能源转换利用的关系
风力发电
水力发电

第二章 热力学第一 定律 (dìyī)
First Law Of Thermodynamics
共六十一页
本章 的基本要求 (běn zhānɡ)
深入理解热力学第一定律的实质； 掌握能量(néngliàng)、储存能、热力学能、迁移能、焓的概念及计算式； 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式；
2、准平衡(pínghéng)过程和可逆过程
准平衡过程：偏离平衡态无穷小，随时(suíshí)恢复平衡的状态变 化过程。
实现(shíxiàn)条件：
A、物系平衡恢复的速度＞＞过程进行的速度（外界条件变化率 的大小）
B、过程进行无限缓慢
建立准平衡过程概念的好处：
（1）可以用确定的状态参数变化描述过程 （2）可以在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程
考虑系统本身具有的能量（储存能），也要考虑系统与外界之间所 传递的能量（迁移能）。
储存能取决于系统本身所处的状态；
迁移能取决于系统与外界之间的相互作用。
区别这两类能量的不同特点，有助于正确地进行各项能量的计算。
共六十一页
储存能：系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能和外部储存能 之分。
一.内部(nèibù)储存能——热力学能(internal energy)
根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其 他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。
共六十一页
§ 2–1 热力学第一定律(dìnglǜ)的实质
一.第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
二.第一定律的表述：
➢ 热是能的一种，机械能变热能， 或热能变机械能的时候，他们之间的比 值是一定的。
温物体
共六十一页
作功过程往往伴随着能量形态的转化：

对于大多数工程材料，热导率都是温度的
函数。在日常生活和工业应用的温度范围内，
可近似地认为热导率随温度线性变化，并表示
为： （ 0 1 bt）
（2-5）
λ0—按公式计算的0℃时的热导率
b—实验测定的系数，b>0或b≤0
常取t=(t1+t2)/2 一般材料生产厂家都会随材料提供其热导
率的数值,工程中的常用材料在特定温度下的热 导率值可参看附录，查取热导率数值时,应注意 材料的确切名称、密度、使用温度范围等。
内容精粹
§1 导热的基本概念 §2 导热的基本定律 §3 热导率 §4 导热微分方程和单值性条件
第一节 导热的基本概念
一、温度场
1.概念
在某一时刻τ，物体内所有各点温度分 布的总称，称为该物体在τ时刻的温度场。
一般，温度场是空间坐标和时间的函数，在 直角坐标系中可表示为：
t=f (x,y,z,τ)
作为热工技术人员应掌握一些常用材 料的热导率数据。
第四节 导热微分方程式及单值性条件
目的：求解温度场 t f x, y, z,
一、 导热微分方程式的导出
依据：能量守恒和傅里叶定律。 假设：1）物体由各向同性的连续介质组成；
2）有内热源，强度为 ，V 表示单位时间、单位
体积内的生成热，单位为W/m3 。
第二节 导热基本定律
法国数学家傅立叶（J.B.J.Fourier）在 对导热过程进行实验研究的基础上,发现了导 热热流密度与温度梯度之间的关系,于1822年 提出了著名的傅立叶定律即导热基本定律。
一、数学q表达式g：rad
t
t
n
W/m2
n
式中“-”号表示
q
与gradt二者方向相