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1、1,专业基础知识 （初级）,工程热力学 传热学 流体力学与流体机械,2,第一篇 工程热力学 Engineering Thermodynamics,1.熟悉热力学基本概念：热力系统、热力平衡状态及工质状态参数等 2.掌握理想气体和实际气体的性质、混合气体的性质及相关参数的计算 3.掌握气体热力过程的能量交换及参数变化 4.掌握热力学第一定律的实质及应用、理想气体模型及其状态方程 5.掌握热力学第二定律的实质及表达、卡诺循环和卡诺定理 6.熟悉朗肯循环、再热循环、回热循环、热电循环,3,第一节 热力系统 Thermodynamic system,一、 系统、边界与外界,系统：热设备中分离出来作为热
2、力学研究对象的物体 外界：surrounding系统之外与系统有关的物体 边界：boundary系统与外界的分界面,边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。,4,5,二、系统的类型,（1）开口系统：open system 系统与外界有物质交换,6,7,（2）闭口系统： closed system 系统与外界无物质交换,（ ） 闭口系统的质量保持恒定，保持质量恒定的系统是闭口系统。,闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统 。,8,9,（3）绝热系统：adiabatic system 系统与外界没有热量交换.,自然界不存在理想的绝热
3、系统，只有当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时，可以看做是绝热系统。汽轮机、喷管一般都看做绝热系统。,10,（4）孤立系统：isolated system系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。,自然界中绝对的孤立系统是不存在的，有时候把研究对象连同与它直接相关的外界用一个新的边界包围起来，可以共同看做是一个孤立系统。,（）一切热力系统连同与之相互作用的外界可以抽象为孤立系统。,11,一、工质(working substance; working medium),1.定义：实现热能和机械能相互转化，或传递热能的媒介物质 例如： 电站锅炉的水蒸气 燃烧形成的烟气 气缸中的燃气 工质种类
4、有：气态、液态和固态,第二节 工质及基本状态参数,物质三态中气态最适宜,12,2.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,13,二、工质的基本状态参数,系统中某一瞬时表现的工质热力性质的总状态称为工质的热力状态，简称状态 热力状态反映的是工质大量分子热运动的平均特性。 热力系统中工质的状态可以用描述各种宏观状态特性的物理量来表示，这些物理量被称为状态参数 凡是能从任何一方面说明工质所处状态的物理量均为状态参数,14,1.常用状态参数： 压力、温度、比容、密度、内能、焓和熵,15,2.状态参数分类,（）状态参数的变化只与系统的
5、初、终状态有关，而与变化途径无关。 （）功也是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。 （）热量是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。,16,3.基本状态参数,a.压力：系统表面单位面积上的垂直作用力。,压力的单位：1N/m2 = 1Pa(帕） 1MPa = 106Pa ； 1bar = 105Pa,(2)大气压力B（mmHg）：1mmHg133.3Pa 标准大气压（atm)：1atm=0.101325MPa,(3)绝对压力P 、表压力Pg、真空度H,17,U形管式压力计示意图,真空度,U形管式压力计示意图,18,（）压力表显示的压力是状态参数,19,b.温度：表征物体冷热程度的物理量
6、。,(1)热平衡定律(热力学第零定律),两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系 统彼此之间必定处于热平衡。,(2)温标 ： 温度的数值表示法,热力学温标T,t(C)=T(K)-273.15,温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量,20, 热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。（这是由实验、经验中得到的。不可以由其它定律推出。） 既然两个（或多个）独立的系统各自处于一定状态时是热平衡的，那么，这两个（或多个）系统具有一个共同的宏观性质。可以用一个物理量来描述。 温度的定义：标志系统热平衡性质的物理量为温度。一切
7、处于热平衡的物体，其温度相等。上述第三个系统，可作为测量温度的仪器，叫温度计。 温度标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。它是描述热力学平衡系统的一个状态参数，是强度量。,21,体积V：工质所占有的空间 m3 比容(比体积)：单位质量工质所占有的体积 m3/kg 密度 ：单位体积工质所具有的质量 kg / m3,c.比容和密度,比容和密度不是两个独立的状态参数，一个已知，另一个也就确定了。,22,第三节 理想气体定律,一、理想气体与实际气体 1.理想气体是一种实际上不存在的假想气体，这种气体分子本身不占有体积，分子之间完全没有引力。 2.实际气体是气体的状态处于很高的压力或很低的温度，气体有很高
8、的密度，以至于分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略的气体。 理想气体实质上就是实际气体的压力p 0或比容v 0 时的极限状态的气体,23,（1）当气体分子本身的体积与整个气体的容积相比微不足道，而且由于气体分子的平均距离相当大以至于分子间的引力可以忽略到不计时，实际气体可以看作是理想气体 （2）实际应用时，气体温度不太低，压力不很高，比容比较大，且距离液态比较远时，可以看成是理想气体,理想气体,氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳,空气、烟气,实际气体,锅炉产生的水蒸气、制冷剂蒸气、石油气,24,为什么要讨论不存在的理想气体?,在工程中具有很重要的实用价值和理论意义。 1、在通常的工作参数范围
9、内，按理想气体性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确度，其误差在工程上往往是允许的。对于一般的气体热力发动机和热工设备中的气体工质，在无特殊精确度要求的情况下，多可按理想气体性质进行热力计算。 2、理想气体性质是研究工质热力性质的基础。理想气体性质反映了气态工质的基本特性，更精确的气体、蒸气的热力性质表达式，往往可以在理想气体性质的基础上引入各种修正得出。,25,二、理想气体状态方程ideal-gas equation; Clapeyrons equation（克拉贝隆方程）,26,举例,例1 容积为2m3的压缩空气罐上的压力表指针指示为1.5MPa，此时的温度为20，试计算罐中空气质量，
10、已知空气气体常数R为287J/(kgK)。 解： pVmRT 绝对压力：p1.50.11.6MPa1.6106Pa 气体体积：V2m3 绝对温度：T20273293K 那么，,27,二、理想气体状态方程的应用,1.波义耳马略特定律 对于一定量的理想气体，当温度不变时，压力与比容（或容积）成反比。,2.查理斯定律 对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压力与绝对温度成反比。,3.给吕萨克定律 对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压力与绝对温度成反比。,28,4.理想气体状态方程的另外一种表示,29,例2：某燃气加热炉每小时耗气量为200m3,燃气供气压力为30KPa（表压）,温
11、度为15，当地大气压为95KPa，请核算一下，燃气加热炉每小时实际消耗燃气多少标准立方米？（标准状态大气压按105Pa，温度按273K计。）,30,例3：某燃气用气设备，燃气供气压力为1000103Pa（表压）,温度为20，当地大气压为95103Pa。试问：当燃气流量计显示的实际用气量为5000m3时，经温度压力校正后，燃气用气量应为多少标准立方米？（标准状态大气压按105Pa，温度按273K计。）,31,三、摩尔、摩尔容积及气体常数,1.摩尔物质的量的单位。 热力学中是以气体中所包含的分子数目与0.012kg碳-12的原子数目相等时气体的质量，称为1mol。 热力学中常以n表示千摩尔kmol
12、为单位。1kmol就等于该物质的分子量对应的千克数。 1kmol氧气32kg 各种气体的千摩尔数等于该气体的质量m除以该气体的分子量M,32,2.摩尔容积 对于任何理想气体，1kmol气体所占的容积称为千摩尔容积。 在标准状态下，任何理想气体1kmol容积均为22.4Nm3。 那么，在标准状态下：,标态比容 m3/kg,标态密度 kg/m3,33,3.气体常数计算 各种气体1kg 的气体常数R为：,J/(kgK),kJ/(kgK),理想气体的气体常数与气体所处的热力状态无关，只与气体的种类有关。,通用气体常数R0：在标准状态下，得出通用气体常数是,J/(kmolK),34,四、理想气体的比热容
13、、热力学能、焓和熵,1、比热容,单位物量的物质，温度升高或降低1K（1）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热容（简称比热）,比热容的单位取决于热量单位和物量单位，相应有：,质量比热c：kJ/（kgk） 体积比热c：kJ/（m3k） 摩尔比热Mc： kJ/（kmolk）,定容比热和定压比热 定容比热cv：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化1K(1)所吸收或放出的热量。 定压比热cp：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化1K(1)所吸收或放出的热量。,（）等量气体升高相同的温度，定压过程吸收热量多于定容过程吸收热量。,35,36,第四节 混合气体,工程实际应用的气体通常是混合气体，如空气、烟
14、气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成份及热力性质。,混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个混合物中所占的份额有关。,37,一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律,分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独占据混合气体的容积时所呈现的压力。 道尔顿分压力定律：混合气体的总压力p等于各组成气体分压力pi之和。,38,二、混合气体分容积和阿米盖特分容积定律,分容积是各组成气体在混合气体的温度和压力下，单独存在时所占据的容积。 阿米盖特分容积定律：混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之和。,39,三、混合气体的成份表示方法及换算,1.质量成份gi混合气体中某组成气体的质量mi与混合气体
15、总质量m的比值,2.容积成份ri混合气体中某组成气体的分容积Vi与混合气体总容积V的比值,3.摩尔成份xi混合气体中某组成气体的摩尔数ni与混合气体总摩尔数n的比值,40,四、混合气体的分子量与气体常数,1.混合气体的分子量 （1）已知容积成分ri或摩尔成份xi和各组成气体分子量Mi,（2）已知质量成分gi和各组成气体分子量Mi,41,2.混合气体的气体常数,（1）已知混合气体分子量M，即可以求得混合气体的折合气体常数R：,（2）已知各组成气体的质量成份及气体常数，则,（3）已知各组成气体的容积成份及气体常数，则,42,3.混合气体的分压力,（1）已知总压和各组成气体的容积成分,（2）已知总压
16、和各组成气体的质量成分,43,4.混合气体的比热,（1）已知各组成气体的质量比热和质量成份,（2）已知各组成气体的容积比热和容积成份,44,5.混合气体的热力学能、焓和熵,理想混合气体的热力学能,理想混合气体的焓,45,理想混合气体的熵,* 熵不仅与温度有关，而且还与压力有关。因为温度为T的组成气体单独存在于体积V中，其分压力为Pi，所以计算组成气体比熵的变化量时应采用其分压力Pi ，而不是理想混合气体的压力P，即,（ A ）1、理想气体的熵是状态参数，当理想气体从一个状态变化到另一个状态时，其熵值的变化由哪个因素确定 A、气体的初、终状态 B、状态间变化的过程 C、变化过程的方向性 D、变化过程是否可逆,46,6.应用比热计算热量,（1）定压过程中，质量mkg的气体，温度由t1升
