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1、工程热力学教学课件,主讲：徐桂转 2009年9月,授课内容：,1. 热力学第一定律在开口系统中的应用（2学时） 2.理想混合气体热力过程分析（2学时） 3.热力学第二定律，熵火用方程（4学时） 4.火用方程（2学时） 5.热力学微分关系式（4学时） 6.实际气体的热力学性质（4学时） 7.气体流动、压气机过程（2学时） 8.动力循环分析（4学时） 9.制冷循环、湿空气热力过程（2学时） 10.化学热力学基础（4学时）,1. 热力学第一定律在开口系统中的应用,热力学第一定律输入的能量输出的能量储存的能量开口系统：,流入 min;uin;pin;vin;cin;zin,W, Q,dE,流出 mou
2、t;uout;pout;vout;cout;zout,能量分析：,流入的能量：流入流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流入时得到的流动能、流体从外界获得的热能。流出的能量：流出流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流出时得到的流动能、流体通过转动部件对外界传出的机械能。, Q,dE,W,流入 min;uin;pin;vin;cin;zin,流出 mout;uout;pout;vout;cout;zout,流入的能量具体为：,微观能即热力学能：宏观动能：宏观位能流体流动能从外界吸收的热能,流出的能量具体为：,微观能即热力学能：宏观动能：宏观位能流体流动能从外界吸收的热能,根据热力学第一定律
3、表达式：,由于：其中：即：,热力学第一定律在开口系统中的应用：,某输气管道内气体压力为4MPa，温度为30，焓为303KJ/Kg。设该气体为理想气体，它的热力学能与温度间的关系为u=0.72T KJ/Kg，气体常数为287J/Kgk。现将1m3的真空容器与输气管连接，打开阀门对容器充气，直至容器内压力达4MPa为止。充气时输气管内气体参数保持不变，问充入容器的气体量为多少Kg？（气体满足理想气体状态方程式） 分析：输气过程中，将真空容器作为一个开口系统考虑，则满足开口系统能量方程式，在该过程中，与外界无热量和功量交换。,热力学第一定律的具体应用,则相应的能量方程为：,即：,U=U2-U1=m2
4、u2-m1u1=m2u2,热力学第一定律在开口系统中的应用：,一可自由伸缩不计张力的容器内有压力为0.8MPa，温度为27的空气74.33Kg，由于泄露，压力降为0.75MPa，温度不变。称重后发现少了10Kg，不计容器热阻，求过程中通过容器的换热量。（已知，大气压力为0.1MPa，温度为27，且空气的焓和热力学能分别可表示为：h=1005T J/kg; u=718J/kg) 分析：空气泄露过程中，将容器看作为开口系统，则满足开口系统能量方程式，在该过程中，系统与外界有热量和功量及质量的交换。,热力学第一定律在开口系统中的应用,则此时热力学第一定律的具体表达式为：,dE=dU=m2u2-m1u
5、1,做功量为气体在泄露过程中，抵抗外界大气压力而做功，在泄露过程中，微功的积分为： W=P0(V2-V1) 泄露过程中，引起的质量变化为m1-m2；可以认为在泄露时，从容器中出去的气体具有初始时的焓和热力性能。,上式可具体积分为：,根据题意，初态时的质量为74.33Kg，泄露了10Kg，则m1，m2均为已知；关键是求取体积，初态和终态时的体积如何求取呢？,课堂练习：,2-12 一刚性绝热容器，容积为0.028m3，原先装有压力为0.1MPa，温度为21的空气，现将连接此容器与输气管道的阀门打开，向容器内快速充气。设输气管道内气体的状态参数不变，压力为0.7MPa，温度为21。当容器内压力达到0
6、.2Mpa时阀门关闭，求容器内气体可能达到的最高温度。（设空气可视为理想气体，h=1005T J/kg; u=720J/kg),2.理想混合气体性质及其热力过程,混合气体满足的道尔顿分压定律和阿美加分体积定律 道尔顿分压定律：组成混合气体的各组分，具有有混合气体相同的体积时，各组分的压力成为分压力，混合气体的分压力即为各组分分压力之和。,阿美加分体积定律：当理想混合气体各组分具有与混合气体相同的压力时，各组分具有的体积为分体积，分体积之和为理想混合气体的总体积。,混合气体成分：,质量分数：,摩尔分数：,体积分数：,有：,混合物的密度、摩尔质量及折合气体常数,密度为：,摩尔质量为：,折合气体常数
7、按气体常数的定义可表示为：,其中的M为：,理想混合气体的热力学能,理想混合气体的热力学能等于组成混合物的各组分热力学能之和,混合气体比热力学能为：,理想混合气体的焓,理想混合气体的焓等于组成混合物的各组分焓之和,混合气体比焓为：,理想混合气体的熵,理想混合气体的熵等于组成混合物的各组分熵之和,混合气体比熵为：,例题,3-6 燃烧1kg重油产生烟气20kg，其中CO2有3.16kg、O21.15kg、水蒸汽1.24kg，其余为氮气。烟气中的水蒸汽可以作为理想气体，对于烟气，试求：1.各组分的质量分数；2.折合气体常数；3.折合摩尔质量；4.摩尔分数；5.燃烧1kg重油所产生的烟气在标准状态下的体
8、积；6.烟气在0.1MPa、200下的体积。 分析：各组分的质量分数即为各组分质量与总质量之比；折合摩尔质量： ；折合气体常数为： 其中用到各种组分的摩尔分数，而摩尔分数为 各组分的摩尔数与总摩尔数之比，,在标准状态下的体积：由于理想气体在标准状态下的体积为22.4L/moL，燃烧1kg重油产生的烟气的总摩尔数可以由m/M计算得到，因此，烟气的体积为22.4nL。,在0.1MPa，200下的体积，则根据理想气体状态方程式可以计算，,3-7 刚性绝热容器被隔板一分为二，如图所示，左侧A装有氧气，体积为0.3m3，压力为0.4MPa，温度为288k；右侧B装有氮气，体积为0.6m3，压力为0.50
9、5MPa，温度为328k。抽去隔板氧和氮相互混合，重新达到平衡后，试求：1.混合气体的温度和压力；2.混合气体中氧和氮各自的分压力；3.混合前后的熵变量，按定值比热容计算。 分析：容器刚性绝热，因此，抽去隔板的混合过程为一绝热、且与外界无体积功交换的过程，因此，以A、B两部分气体组成的闭口热力系统，在抽去隔板前后应满足能量守恒方程，即总热力性能保持不变。UAUBUA+B，即：UAUB0,A O2,B N2,A+B,课堂练习；,习题3-19，刚性绝热容器中放置一个只能透过氧气、不能透过氮气的半渗透膜，两侧体积各为VA0.15m3和VB1m3。渗透开始前左侧氧气的压力为0.4MPa、温度为300k
10、，右侧为空气，其压力为0.1MPa、温度为300k。若空气中的氧和氮的摩尔分数各为0.22和0.78，通过半渗透膜氧气将均匀占据整个容器。试计算：1.渗透终了A中氧气的物质的量；2.B中氧氮混合物的压力以及各组分的摩尔分数；3.渗透前后系统的熵变。,A 氧气,B 空气,例题4-6 有一气缸和活塞组成的系统，汽缸壁和活塞均由绝热材料制成，活塞可在气缸中无摩擦地自由移动。初始时活塞位于气缸中央，A/B两侧各有1kg空气，压力均为0.45MPa，温度同为900k。现对A侧冷却水管中通水冷却，A侧压力逐渐降低，求压力降低到0.3MPa时两侧的体积以及冷却水从系统中带走的热量，将上述过程在p-v，Ts图
11、上示意出。按定值比热容计算，k1.4，定容比热容为0.717KJ/kgk,A,B,上海交大1999年硕士入学试题,1kg某双原子理想气体经历一可逆循环1-2-3-4-1，其中1-2为可逆等温吸热；2-3为可逆多变膨胀；3-4为可逆等温放热；4-1为可逆等熵压缩。1.画出循环的T-s图；2.完成下表；3.求循环热效率；4.求过程2-3的多变指数n。假定气体定容比热容为常数，大小为718J/Kgk。,过程,1-2,2-3,3-4,4-1,Q/kJ,100,10,U/kJ,W/kJ,S/KJ/K,0.1,-48,-0.16,浙江大学1998年硕士入学试题,两级活塞式氮气压缩机，第一级低压缸的进气压力
12、为0.1MPa，温度为27。两级间有用水冷却的中间冷却器，并假定氮气流经冷却器的压力不变。第二级高压缸的进气温度也为27，出气压力为6.4MPa。两级压缩过程均为=1.3的多变过程，每小时生产2160Kg的氮气。氮气的气体常数为297J/Kgk，定压比热容为1.04KJ/Kgk，水的比热容为4.18KJ/Kgk。求： 1.在最佳增压比条件下，两级压缩机的总耗功率； 2.若中间冷却器的冷却水进口温度为24，流量为1.2Kg/s，计算每秒中间冷却器由于不可逆传热引起的可用能的损失（环境温度为24）,浙江大学1999年硕士入学试题,在一个刚性绝热容器中，0.75Kmol的氮气与0.25Kmol的氧气
13、混合，混合前，氮气的温度为500k，压力为1Mpa；氧气的温度为300k，压力为0.1Mpa。若取氮气和氧气的摩尔定容比热容均为21J/molk，定压比热容为29.34J/molk，试求：1.混合前后系统的温度和压力；2.混合前后系统的熵变化量；3.如环境温度为300k，混合过程引起的可用能的损失为多少？,上海交大1999年硕士入学试题,某次对可以认为在绝热条件下运行的空气压缩机测试的实测数据如下：压气机进口处的温度为17、压力为0.1MPa；出口处温度为207，压力为0.4MPa；压气机生产量为1kg/s，耗功率为185kW。试计算说明实测数据是否可靠？空气比热容取为定值，气体常数为287J
14、/kgk、定压比热容为1.005KJ/kgk。,第五章 实际气体的性质及热力学一般关系,教学目标：使学生了解实际气体模型与理想气体模型的差别，实际气体状态的描述方法，掌握热力学一般关系式及其物理意义。 知识点：理想气体状态方程用于实际气体的偏差；范德瓦尔方程和RK方程；对应态原理与通用压缩因子图；麦克斯韦关系和热系数；热力学能、焓和熵的一般关系式。 重 点：压缩因子图及其应用；麦克斯韦关系和热系数的物理意义；热力学能、焓和熵的一般关系式及其在工程中的应用。 难 点：麦克斯韦关系和热系数的物理意义；热力学能、焓和熵的一般关系式及其在工程中的应用。,5.1 理想气体状态方程用于实际气体的偏差,但是
15、对气体做实验的结果却不是一条值为1的水平线，尤其是在高压下，误差更大。,这种偏差通常用压缩因子Z表示。,5.1 理想气体状态方程用于实际气体的偏差,Z值的大小不仅与气体种类有关，而且同种气体的Z值还随压力和温度而变化。,5.2 范德瓦尔方程和R-K方程,一、范德瓦尔方程（1873年）范德瓦尔考虑到两点：1.气体分子有一定的体积，所以分子可自由活动的空间为（Vm-b)2.气体分子间的引力作用，气体对容器壁面所施加的压力要比理想气体的小，用内压修正压力项。,5.2 范德瓦尔方程和R-K方程,范德瓦尔方程:,问题:在p-V图中,范德瓦尔方程的等温曲线是什么形状?与理想气体等温曲线有什么差异?,5.2
16、 范德瓦尔方程和R-K方程,（理想气体等温曲线）,5.2 范德瓦尔方程和R-K方程,求解范德瓦尔方程:,给定一个T值，可得出三个不等的实根，或三个相等的实根或一个实根两个虚根。,。,。,v,p,T1,A,B,D,M,N,c,T = 常量,（实验曲线）,。,范德瓦尔方程的理论曲线和实验曲线,5.2 范德瓦尔方程和R-K方程,5.2 范德瓦尔方程和R-K方程,下界线：各凝结过程终了点的连线。,上界线：开始凝结的各点的连线。,临界点：上界线与下界线的交点。通过临界点的等温线为临界等温线。,在上界线与下界线之间的等温线为水平线。,范德瓦尔方程的3个根，对应图中的3个点（如E，P，H）。中间的根无意义。,由临界状态：得：Pcr=a/27b2 Tcr=8a/27Rb Vm,cr=3b或 a =27(R Tcr)2/64 Pcrb = RTcr/8PcrR=8PcrVm,cr/3Tcr,
