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1、65 第一章第一章第一章第一章燃气涡轮发动机热力学气动基础燃气涡轮发动机热力学气动基础燃气涡轮发动机热力学气动基础燃气涡轮发动机热力学气动基础 66 理想气体：理想气体： 分子本身只有质量而不占有体积，分子间不存在吸引力的气体。分子本身只有质量而不占有体积，分子间不存在吸引力的气体。 1.气体是由大量分子组成的，气体分子的直径约为气体是由大量分子组成的，气体分子的直径约为10-10m; 2.标准状态下，标准状态下，1m3的气体约有的气体约有1025个分子。个分子。1mol气体有气体有6.0221023个分子。个分子。 3.分子在不停地作热运动，在常温常压下每秒发生几亿次碰撞。分子在不停地作热运
2、动，在常温常压下每秒发生几亿次碰撞。 4.分子之间有作用力。当分子间距离较小时为斥力，分子间距离较大时为引力。分子之间有作用力。当分子间距离较小时为斥力，分子间距离较大时为引力。 5.分子之间有间隙。分子之间有间隙。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 67 一、理想气体的状态方程式一、理想气体的状态方程式 理想气体的状态方程式：理想气体的状态方程式： PV=nRTPV=nRT P是指理想气体的压力 V为理想气体的体积 n表示气体物质的量 T表示理想气体的热力学温度 R为理想气体常数，值为8.315J/mol P是指理想气体的压力 V为理想气体的
3、体积 n表示气体物质的量 T表示理想气体的热力学温度 R为理想气体常数，值为8.315J/molK。K。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 68 二、比热容和热量二、比热容和热量 比热容定义：使1kg工质温度升高1度所需要吸收的热量。比热容定义：使1kg工质温度升高1度所需要吸收的热量。 Q=mc(T2-T1) 比容比容C不是一个常数，它与工质的成分、温度和工作过程有关。 定容比热容： 不是一个常数，它与工质的成分、温度和工作过程有关。 定容比热容：cv 定压比热容：定压比热容：cp dQ=mc(T)dT 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定
4、律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 69 三、工质的内能三、工质的内能三、工质的内能三、工质的内能 内能动能势能内能动能势能 对理想气体：u=u(T) 原因：1、分子间没有引力就没有势能； 2、分子动能大小只与温度的高低有关。 结论：内能只是 对理想气体：u=u(T) 原因：1、分子间没有引力就没有势能； 2、分子动能大小只与温度的高低有关。 结论：内能只是温度温度的单值函数。的单值函数。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 70 四、对外作功四、对外作功四、对外作功四、对外作功 膨胀功：气体膨胀，推动外界物体而做功，为正；膨胀功：气体
5、膨胀，推动外界物体而做功，为正； 压缩功: 气体被压缩，外界对气体做功，为负。 举例：活塞式发动机的压缩冲程和做功冲程 dW= 压缩功: 气体被压缩，外界对气体做功，为负。 举例：活塞式发动机的压缩冲程和做功冲程 dW=p pd dv v 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 71 五、工质的焓五、工质的焓五、工质的焓五、工质的焓 焓的物理意义为：在某一状态下气体所具有的总能 量，它等于内能和压力势能之和。焓用符号h表示。 焓的物理意义为：在某一状态下气体所具有的总能 量，它等于内能和压力势能之和。焓用符号h表示。 h h= =u u+ +pv h
6、 pv h= =u u(T)+(T)+RTRT 结论：理想气体的焓也是温度T的单值函数。结论：理想气体的焓也是温度T的单值函数。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 72 六、热力学第一定律六、热力学第一定律六、热力学第一定律六、热力学第一定律 气体是处于静止状态的；气体是处于静止状态的； 对气体所加入的热量，将转化为内能和对外做功 两部分； 对气体所加入的热量，将转化为内能和对外做功 两部分； 内能和压力势能发生变化时，焓也发生变化。内能和压力势能发生变化时，焓也发生变化。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热
7、力学第一定律 73 状态参数和过程参数状态参数和过程参数 1 v p 2 B A 1 v p 2 B A 状态参数：仅与过程 的始点和终点有关； 状态参数：仅与过程 的始点和终点有关； 过程参数：与与过程 的始点和终点、过程 的路径都有关； 过程参数：与与过程 的始点和终点、过程 的路径都有关； 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 74 热力学第一定律热力学第一定律 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 准静态过程准静态过程QuasiQuasi- -static processstatic proce
8、ss 过程中的每一状态都是平衡态 (Equilibrium state ) 过程中的每一状态都是平衡态 (Equilibrium state ) 系统状态的变化就是过程。 不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。 系统状态的变化就是过程。 不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。 举例举例1：外界对系统做功：外界对系统做功 u 过程无限缓慢 非平衡态到平衡态的过渡时间， 即弛豫时间，约 过程无限缓慢 非平衡态到平衡态的过渡时间， 即弛豫时间，约 10 -3秒 ，如果 实际压缩一次所用时间为 秒 ，如果 实际压缩一次所用时间为 1 秒， 就可以说 是准静态过程。 外界压强总比系统压强大一
9、小量 秒， 就可以说 是准静态过程。 外界压强总比系统压强大一小量P ， 就可以缓慢压缩。， 就可以缓慢压缩。 75 举例举例2：系统（初始温度：系统（初始温度 T1）从 外界吸热）从 外界吸热 系统系统T1 T1+TT1+2TT1+3TT2 从从 T1 T2是准静态过程是准静态过程 系统 温度系统 温度 T1直接与 热源直接与 热源 T2接触，最终达到热平衡， 不是 准静态过程。 接触，最终达到热平衡， 不是 准静态过程。 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 76 系统状态图 因为状态图中任何一点都 表示系统的一个平衡态，故准 静态程可以用系统
10、的状态图， 如 系统状态图 因为状态图中任何一点都 表示系统的一个平衡态，故准 静态程可以用系统的状态图， 如P-VP-V图（或图（或P-TP-T图，图，V-TV-T图）中 一条曲线表示，反之亦如此 图）中 一条曲线表示，反之亦如此。 V V P P o o 等温过程等温过程 等容过程等容过程 等压过程等压过程 循环过程循环过程 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 77 某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功W，系统内 能从初始态E1变为E2，则由能量守恒： QW EE 21 对无限小过程： dQdEdW 气体真空 阀门 例： 水 打开 阀门，水
11、温一直不变 问： 1）气体吸热？ 2）气体温度？ 3）气体内能？ 4）气体做功？ 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 78 循环过程循环过程 一个系统（或工作物质，简称工质），经历一系列变化 后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。 一般从高温热库吸热 一个系统（或工作物质，简称工质），经历一系列变化 后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。 一般从高温热库吸热Q Q1，对外做净功W，向低温热库放 热 1，对外做净功W，向低温热库放 热Q Q2（只是表示数值），2（只是表示数值），W W= =Q Q1 -1 -Q Q20则为正循环
12、；反之为逆 循环。 20则为正循环；反之为逆 循环。 循环为准静态过程，在状 态图中对应闭合曲线。 循环为准静态过程，在状 态图中对应闭合曲线。 V V 例，在P-V图例，在P-V图 P P 正循环正循环 逆循环逆循环 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 正循环过程对应热机， 逆 循环过程 对应制冷机。 正循环过程对应热机， 逆 循环过程 对应制冷机。 79 循环过程 热机效率： ( 循环过程 热机效率： (efficiencyefficiency) ) W Q Q Q 1 2 1 1 制冷系数： ( 制冷系数： (Coefficient of
13、performance Coefficient of performance) ) w Q W Q QQ 22 12 V V 例，在P-V图例，在P-V图 P P 正循环正循环 逆循环逆循环 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 80 卡诺循环(Carnot cycle)卡诺循环(Carnot cycle) Q Q1 1 Q Q2 2 W W 高温热库高温热库T T1 1 低温热库低温热库T T2 2 工质 准静态循环，工质为 理想气体，只和两个 恒温热库交换热量。 工质 准静态循环，工质为 理想气体，只和两个 恒温热库交换热量。 P V P V
14、T T1 1 T T2 2 卡诺循环的热机效率：卡诺循环的热机效率： 1 2 1 T T 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 81 制冷机(Refrigerator)制冷机(Refrigerator) Q Q1 1 Q Q2 2 W W 高温热库高温热库T T1 1 低温热库低温热库T T2 2 工质工质 P V P V T T1 1 T T2 2 致冷系数：致冷系数： w T TT 2 12 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 82 从微观角度看：从微观角度看： 1、内能1、内能体系中所有分子的无
15、规热运动动能 (平动、转动、 振动等)以及分子间的相互作用势能之和。 体系中所有分子的无规热运动动能 (平动、转动、 振动等)以及分子间的相互作用势能之和。 2、功2、功所起的作用是物体的有规律运动与系统内分子无规热 运动之间的转换。 所起的作用是物体的有规律运动与系统内分子无规热 运动之间的转换。 3、热量3、热量所起的作用是无规热运动能量的传递。所起的作用是无规热运动能量的传递。常见发动 机分类 常见发动 机分类 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 83 热力学第一定律阐明：热力学第一定律阐明： 1、功与热量在能量方面的等效性；1、功与热量在
16、能量方面的等效性； 2、功与热量相互转化的可能性2、功与热量相互转化的可能性 第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 84 熵熵 1850年，德国物理学家鲁道夫年，德国物理学家鲁道夫克劳修斯首次提出熵的概 念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分 布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这 个系统的熵就达到最大值。 克劳修斯首次提出熵的概 念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分 布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这 个系统的熵就达到最大值。 s=s(p,T)s=s(p,T) 第二节第二节第二节第二节 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律 85 熵熵 第二节第二节第二节第二节 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律 s 2 T 21 1 b a 86 热力学第二定律使人们
