朱明善清华大学工程热力学课件全集

工程热力学朱明善 教材与参考书教材：《工程热力学》朱明善等编参考书：《工程热力学》（第二版）庞麓鸣等编《工程热力学》（第四版）沈维道编2007年《工程热力学》严家騄编2007年 绪论工程热力学是重要的专业基础课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 主要内容0-1热能及其利用0-2热能转换装置的工作过程0-3工程热力学的研究对象及其主要内容0-4热力学的研究方法 0-1热能及其利用热能电能机械能风能水力能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖能源转换利用的关系 风力发电 水力发电 火力发电 江苏田湾核电站 0-2热能转换装置的工作过程一、蒸汽动力装置的工作原理 火力发电装置基本特点锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热) 二、燃气轮机装置的工作原理压气机—从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。燃烧室—空气和燃料在其中混合并燃烧，得到高温高压的燃气。涡轮机—高温高压的燃气推动涡轮机叶轮旋转对外输出机械功。工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务。燃烧室 燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气燃料 三、内燃机的工作原理进气过程：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。压缩过程：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升高。燃烧过程：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。 内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气 内燃机装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热) 四、蒸汽压缩制冷装置压气机—吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩(耗功)产生高温高压的蒸汽。冷凝器—使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀—使液体降压，产生低压低温的液体。蒸发器—工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷库降温。 制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热) 热力装置共同基本特点1、热源，冷源2、工质3、容积变化功4、循环 0-3工程热力学的研究内容1、能量转换的基本定律2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础 1、宏观方法：连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。特点：可靠，普遍，不能任意推广经典（宏观）热力学0-4工程热力学研究方法√ 2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律特点：揭示本质，模型近似微观（统计）热力学工程热力学研究方法 工程热力学的学习方法抓住主线理论联系实际重视基本技能训练分析计算能力、实验技能认真完成作业 绪论完 第一章基本概念1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环 第一章基本概念主要内容1-1热力系统1-2状态平衡状态1-3热力状态参数1-4状态方程、状态参数坐标图1-5准静态过程和可逆过程1-6功和热量1-7热力循环 1-1热力系统一、系统、外界与边界热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面 边界特性真实、虚构固定、活动 封闭热力系（闭口系）只与外界有能量交换而无物质交换开口热力系(开口系)与外界既有能量交换又有物质交换孤立系与外界既无能量交换又无物质交换二、热力系的分类以系统与外界关系划分： 有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系归纳： 1234mQW1开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系 热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相 简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功 1-2状态平衡状态一、状态与状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。二、平衡状态与非平衡状态平衡状态：热力系宏观性质不随时间变化。非平衡状态：热力系宏观性质随时间变化。三、平衡状态的判据1、力平衡2、热平衡3、相平衡4、化学平衡 1-3热力状态参数一、定义：用于描述热力系状态的宏观特性量。二、特点1、与状态一一对应，完全取决于状态。2、状态变化时，状态参数只取决于初、终两态，与变化路径无关。三、分类1、强度参数：与质量无关，且不可相加的状态参数。如压力P、温度T、密度ρ、比焓h、比熵s、比容ν、比内能u2、广延参数：与质量成正比且可以相加的状态参数。如容积V、内能U、熵S 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。即该公式计算的是工质的真正压力，也称绝对压力。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/m21kPa=1000Pa，1MPa=106Pa，1bar=105Pa1mmH2O=9.80665Pa，1mmHg=133.3Pa标准大气压1atm=760mmHg=1.01325×105Pa工程大气压1at=1kgf/cm2=9.80665×104Pa 注意：只有绝对压力p才是状态参数压力p测量 绝对压力与相对压力当p>pb表压力pg当p>有足够时间恢复新平衡准静态过程 准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。 准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA=p外A+fA如果p外微小可视为准静态过程dx以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pAdx=pdV1kg工质w=pdvdx很小，近似认为p不变 准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1注意：上式仅适用于准静态过程 示功图(p-V图)pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW 准静态容积变化功的说明pV.12.2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，过程量4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）dV<0，压缩对内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别1）单位为[kJ]或[kJ/kg]Ww 摩擦损失的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’T2Q节流过程(阀门）p1p2p1>p2 常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空•••••••••••• 引入可逆过程的意义准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。 1-6功和热量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义I：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。热力学定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。一、功 3、功的计算式①物理上为:W=Fx②若系统内外力平衡 二、热量1、定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。2、热量的表达式考虑：δW=pdV式中：p为压差是作功的驱动力,dV表示热力系是否作功对于热量Q：热传递的驱动力是温度T，若dS表示热力系是否传热应有: 热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力p温度T标志dV,dvdS,ds公式条件准静态或可逆可逆 熵的定义比参数[kJ/kg·K]ds:可逆过程qrev除以传热时的T所得的商清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量[kJ/K] 熵的说明1、熵是状态参数3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向2、符号规定系统吸热时为正Q>0dS>0系统放热时为负Q<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量 示功图与示热图pVWTSQ示功图温熵(示热)图 1-7热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 循环和过程循环由过程构成不可逆循环可逆过程不可逆循环可逆循环 正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向2112动力循环 逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向2112制冷循环 热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率 热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数 第一章小结基本概念：热力系平衡态准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功量、热量、熵p-V图、T-S图循环、评价指标 第一章讨论课热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。 例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。 (1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞从外界吸热Q (2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’ (3)以放逸气体为系统闭口系功量：W+W’热量：Q+Q’WQW’Q’ (4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’ (5)以气缸活塞为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ 思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。 可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。 判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆 判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散是不是准静态，取决于开度 判断是否准静态与可逆（3）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水＋活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆 判断是否准静态与可逆（4）电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热耗散是否准静态，看加热快慢但不可逆 有用功气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功pbp 可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA1）以B中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态无摩擦可逆B中气体（理想气体，可逆，绝热）B得到的功遵循 可逆过程与准静态过程的功加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体BA2）以A中气体为系统绝热，无摩擦缓慢加热准静态无摩擦内可逆3）以A腔为系统4）以A＋B腔为系统电功耗散为热不可逆电功耗散为热不可逆 自由膨胀过程刚性，绝热真空•••••••••••••••••ABB中没有气体，不能取做系统以A中原有气体为系统A中气体非准静态A中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的气体作功了吗？ 气体混合过程刚性，绝热，pA>>pB•••••••••••••••••AB非准静态过程，非可逆过程取A或B中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取A＋B气体为系统，无功 灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功 第一章完 第二章热力学第一定律主要内容2-1热力学第一定律的实质2-2储存能2-3闭口系统能量方程2-4开口系统能量方程2-5稳定流动能量方程2-6稳定流动能量方程的应用 2-1热力学第一定律的实质一、能量守恒与转化定律定义：能量既不能创造也不能被消灭。只能由一种形式向另一种形式转化。在转换中，能的总量不变。 二、热力学第一定律1、内容：当热能与其它形式的能量相互转化时，能的总量保持不变。（在热力系中，消耗等量的热必产生等量的功。反之消耗等量的功必产生等量的热。）2、实质：能量守恒与转化定律在热力学中的应用3、数学表达式Q=W 闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的” 三、热力学第一定律的解析式1、Q=W的不足(1)只表明热力学第一定律的数学意义，但未考虑热力系的能量变化，无法应用于工程计算。(2)只体现了Q，W之间的量的关系，还不能区分二者之间质的不同。2、热力学第一定律的解析式若考虑热力系的能量变化，则有：输入热力系的能-输出热力系的能=热力系内部储存能的变化量 2-2储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能一、从宏观上看：宏观能（外部储存能） 二、从微观上看：微观能（内部能）对于热力系的内部能，热力学上称之为内能，用u表示它包括：①微观动能：由分子热运动之和构成，由温度T来反映②微观位能：由分子间相互作用力引起，由比容v和温度来反映所以：u=f(T,v)内能是状态参数。 三、系统的总储存能（总能）总能：E=U+Ek+Ep比总能量：e=u+ek+ep系统总能变化量可以写为： 内能的导出内能的导出闭口系循环 内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc 内能及闭口系热一律表达式定义dU=Q-W内能U状态参数Q=dU+WQ=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 内能U的物理意义dU=Q-WWQdU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能） 内能的说明内能是状态量U:广延参数[kJ]u:比参数[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定 热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化- 2-3闭口系统能量方程WQ一般式Q=dU+WQ=U+Wq=du+wq=u+w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程 准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq=du+pdvq=u+pdv热一律解析式之一Tds=du+pdvTds=u+pdv热力学恒等式 门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱 门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系闭口系能量方程T空调Q 2-4开口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化 推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv这个结果与实验不符少了推进功 推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdlW推=pAdl=pVw推=pv注意：不是pdvv没有变化 对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量 开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcvminpvout 开口系能量方程微分式Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用流率 开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在 焓的引入定义：焓h=u+pvhh开口系能量方程 焓的说明定义：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是状态量2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。 2-5稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功每截面状态不变4、 稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0 稳定流动能量方程的推导1kg工质 稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程 技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能 单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功 稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？ 几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws 对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwswt 准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二 技术功在示功图上的表示 机械能守恒对于流体流过管道，压力能动能位能机械能守恒柏努利方程 2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1m/sc2=30m/s(c22-c12)/2=0.449kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg 例1：透平机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机 透平机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws=-△h=h1-h2>0输出的轴功是靠焓降转变的 q=Δh+wtq=Δh+Δc2/2+gΔz+ws现q=0;Δc=0;Δz=0故ws=-Δh=h1-h2 例2：压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机 压缩机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws=-△h=h1-h2<0输入的轴功转变为焓升 泵与风机q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws现q=0Δc=0Δz=0故ws=-Δh=h2-h1（压缩功） 例3：换热设备火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器 换热设备热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变 锅炉q=Δh+wt现wt=0∴q=Δh=h2-h1 例4：绝热节流管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管 绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热 例5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶 喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略 第二章小结1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化- 第二章小结通用式2、热一律表达式： 第二章小结稳流：dEcv/=0通用式 第二章小结闭口系：通用式 第二章小结通用式循环dEcv=0out=in 第二章小结孤立系：通用式 第二章小结3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化 第二章小结4、准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式 第二章小结5、u与hU,H广延参数u,h比参数U系统本身具有的内部能量H不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量 第二章小结6、四种功的关系准静态下闭口系过程开口系过程 第二章作业2-152-162-18 第二章完 第三章理想气体的性质与过程主要内容3-1理想气体状态方程3-2热容3-3理想气体的内能、焓和比热容3-4理想气体的熵3-5研究热力过程的目的和方法3-6绝热过程3-7基本热力过程的综合分析3-8活塞式压气机的过程分析 工程热力学的两大类工质1、理想气体可用简单的式子描述如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等2、实际气体不能用简单的式子描述，真实工质火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等 一、理想气体1.气体的分子是一些弹性的,不占体积的质点2.气体分子之间没有相互作用力二、研究理想气体的意义1.理论上引入它可简化分析，简化计算2.工程上部分气体按理想气体处理与实际出入不大3-1理想气体状态方程 三、理想气体状态方程理想气体状态方程:pv=RT----又称克拉贝龙方程其中：p为绝对压力Pav为比容m3/kgT为开氏温度KR为气体常数J/kg·k 四种形式的克拉贝龙方程：注意:Rm与R摩尔容积Vm状态方程统一单位 摩尔容积(Vm)阿伏伽德罗假说:相同p和T下各理想气体的摩尔容积Vm相同在标准状况下Vm常用来表示数量 Rm与R的区别Rm——通用气体常数R——气体常数M-----摩尔质量例如与气体种类无关与气体种类有关 计算时注意事项1、绝对压力2、温度单位K3、统一单位（最好均用国际单位） 计算时注意事项实例V=1m3的容器有N2，温度为20℃，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。1）2）3）4）√ 1.分子之间没有作用力2.分子本身不占容积但是,当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。理想气体模型现实中没有理想气体 当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO2 3-2(比)热容计算内能,焓,热量都要用到热容定义:比热容单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量其大小取决于:①工质数量②加热的过程③工质性质④工质的状态 比热容c:质量比热容Cm:摩尔比热容C’:容积比热容Cm=M·c=22.414C’ Ts(1)(2)1K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容 定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设定容 定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设定压 cv和cp的说明1、cv和cp，过程已定,可当作状态量。2、前面的推导没有用到理想气体性质3、h、u、s的计算要用cv和cp。适用于任何气体。cv物理意义：v时1kg工质升高1K内能的增加量cp物理意义：p时1kg工质升高1K焓的增加量 3-3理想气体的u、h、s和热容一、理想气体的u1843年焦耳实验，对于理想气体pvT不变AB绝热自由膨胀真空 理想气体的内能u理气绝热自由膨胀pvT不变 理想气体内能的物理解释内能＝内动能＋内位能T,v理想气体无分子间作用力，内能只决定于内动能?如何求理想气体的内能uT理想气体u只与T有关 理想气体内能的计算理想气体，任何过程理想气体实际气体 理想气体的焓理想气体实际气体理想气体h只与T有关理想气体，任何过程 熵的定义:可逆过程理想气体理想气体的熵pv=RT仅可逆适用？T1p1v1s1T2p2v2s212理想气体，任何过程 1.由δq=du+pdv代入δq=Tds,du=cvdT,p=RT/v有：两边同除T 2.由δq=dh-vdp代入δq=Tds,dh=cpdT,v=RT/p得两边同除T 3.对于pv=RT两边微分有pdv+vdp=RdT两边同除pv有根据理想气体状态方程pv=RT得1/T=R/pv则：将上式代入熵的计算式： 合并同类项得：将迈耶公式cp=cv+R代入上式得到新的熵表达式 结论：①Δs只取决于p、v、T中任何两个，即只与状态有关②工程上只关心Δs而很少涉及绝对熵的问题，故这里暂不提熵的零点问题③上面Δs的计算式虽然由可逆条件下导出，但它也可用于不可逆过程4.总结：根据以上推导得： 一般工质:理想气体：迈耶公式理想气体的热容令比热比 1、按定比热2、按真实比热计算3-4理想气体热容、u、h和s的计算3、按平均比热法计算理想气体热容的计算方法：h、u、s的计算要用cv和cp 分子运动论1、按定比热计算理想气体热容运动自由度单原子双原子多原子Cv,m[kJ/kmol.K]Cp,m[kJ/kmol.K]k1.671.41.29 2、按真实比热计算理想气体的热容根据实验结果整理理想气体 3、按平均比热计算理想气体的热容tt2t1c(cp,cv)附表3，4，5，6c=f(t)摄氏℃求O2在100-500℃平均定压热容 1.2.cv为真实比热3.cv为平均比热理想气体u的计算4.若为空气，直接查附表2理想气体，任何过程T1u1T2u212 1.2.cp为真实比热3.cp为平均比热理想气体h的计算4.若为空气，直接查附表2理想气体，任何过程 1、若定比热理想气体s的计算理想气体，任何过程 理想气体s的计算2、真实比热取基准温度T0若为空气，查附表2得 §3-5研究热力学过程的目的与方法目的提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算 研究热力学过程的对象与方法对象1)参数(p,T,v,u,h,s)变化2)能量转换关系,q,w,wt方法抽象分类2)可逆过程(不可逆再修正)基本过程 研究热力学过程的依据2)理想气体3)可逆过程1)热一律稳流 研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w,wt,q4)求3)用T-s与p-v图表示2)根据已知参数及过程方程求未知参数 1、过程方程v=constdv=02、状态参数关系式现v1=v2则：一、定容过程 3、曲线对于T-S图1-2过程曲线，因为dv=0，根据公式：得：即：1-2过程曲线斜率为T/cv △u=cv△T△h=cp△T5.功与热①闭口系dw=pdv=0q=Δu+pdv=Δu4.u，h，s变化量 ②开口系 二、定压过程现p1=p2，则：1、过程方程p=constdp=02、状态参数关系式 3.曲线因此，如图所示，定压线斜率小于定容线斜率。现dp=0故：比较定容与定压过程，有>pvTs 5.功与热①开口系dwt=vdp=0q=Δh-vdp=Δh=cpΔT②闭口系4.u，h，s变化量△h=cp△T△u=cv△T 3-6理想气体的等熵过程(2)不仅,s处处相等绝热可逆s说明:(1)不能说绝热过程就是等熵过程,必须是可逆绝热过程才是等熵过程。 三个条件:(1)理想气体(2)可逆过程(3)k为常数理想气体s的过程方程当理想气体 3.曲线显然：代入pv=RT得：故在p~v图上定熵线较定温线陡。对于p-v图因为ds=0根据公式：得：由于定温时： 4.u，h，s变化量u=cvΔTh=cpΔTΔS=0 5.功与热①闭口系因pvk为常数，所以： 同时，因pv=RT由式得：因为cv=R/(k-1)，所以这个式子也可以变为w=cv(T1-T2)关于热量q因为绝热所以热量为零 ②开口系因pvk为常数，所以： 同时，因pv=RT由式得：因为cp=kR/(k-1)，所以这个式子也可以变为wt=cp(T1-T2)可见对于绝热过程wt是w的k倍。关于热量q因为绝热所以热量为零。 3-7理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程过程方程n是常量，每一过程有一n值nn=ks 理想气体nw,wt,q的计算多变过程比热容 (1)当n=0(2)当n=1多变过程与基本过程的关系(3)当n=k(4)当n=pTsvnpTsv基本过程是多变过程的特例 基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表3－4公式汇总理想气体基本过程的计算 斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp 斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv 斜率理想气体过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT 理想气体过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss 理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTss u在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT=u>0u>0 h在p-v,T-s图上的变化趋势sTvphT=u>0u>0h>0h>0 w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0 wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0 q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0 u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>0 p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？ p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？ p-v,T-s图练习（3）sTvp膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？ 3-8活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等型式结构活塞式(往复式)离心式，涡旋轴流式，螺杆连续流动压力范围通风机鼓风机压缩机出口当连续流动 理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt (1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是可能的压气过程sTn 三种压气过程的参数关系 三种压气过程功的计算最小重要启示 两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比省功 最佳增压比的推导省功 最佳增压比的推导省功欲求w分级最小值，可证明若m级最佳增压比 分级压缩的其它好处润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级 分级压缩的级数省功分级降低出口温多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)一般采用2~4级压缩T 压气机的设计计算需要压气机，想设计一台已知：要求：配马达功率，出口温度。？sn？根据经验，有无冷却水套假定，理论功s 压气机的设计计算实际过程有摩擦机械效率经验值70％ 压气机的校核计算已有压气机，实测要求：压气机效率太低，则压气机报废或修理 活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙余隙容积压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变 活塞式压气机的余隙影响活塞排量研究VC对耗功和产气量的影响新气量产气量有效吸气容积 余隙容积VC对理论压气功的影响设12和43两过程n相同功＝面积12341＝面积12561－面积43564 余隙容积VC对理论压气功的影响余隙对单位产气量耗功不影响 余隙容积VC对产气量的影响定义容积效率令余隙比工程上一般＝0.03~0.08 余隙容积VC对产气量的影响讨论：（1）一定，c（2）c和n一定，极限 余隙影响例题已知：求（1）有余隙时的排气量和耗功（2）无余隙时的排气量和耗功解：（1）有效容积 例题(1)有余隙影响 余隙影响例题解：（2）无余隙时的排气量和耗功 第三章小结1、什么样的气体是理想气体？2、理想气体状态方程的正确使用3、理想气体比热、内能、焓的的特点和计算4、理想气体各种可逆过程的特性，参数变化，功，热的计算。5、p-v图，T-s图上的表示6、压气机热力过程的分析方法 作图练习题（1）s比较：vp 作图练习题（2）比较： 作图练习题（3）比较： 第三章完 第四章热力学第二定律 能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行 自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势 自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热 热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律 4-1热二律的表述与实质热功转换传热热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度 开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T过程q=w 理想气体T过程q=wTspv12热机：连续作功构成循环12有吸热，有放热 但违反了热力学第二定律第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源 锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQoutQ 克劳修斯表述不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功 两种表述的关系开尔文－普朗克表述完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!! 热二律的实质•自发过程都是具有方向性的•表述之间等价不是偶然，说明共同本质•若想逆向进行，必付出代价 热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？???热一律与热二律t>100％不可能热二律否定第二类永动机t=100％不可能 4-2卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高 卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1) 卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w •t,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2t,c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c<100%，热二律 T0c卡诺逆循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2c T1’卡诺逆循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0’ 三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力 卡诺定理—热二律的推论之一定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效率为最高。卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下 卡诺定理推论一在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。卡诺定理推论二在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。 卡诺定理小结1、在两个不同T的恒温热源间工作的一切可逆热机tR=tC2、多热源间工作的一切可逆热机tR多<同温限间工作卡诺机tC3、不可逆热机tIR<同热源间工作可逆热机tRtIR<tR=tC∴在给定的温度界限间工作的一切热机，tC最高热机极限 卡诺定理的意义从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。 卡诺定理举例A热机是否能实现1000K300KA2000kJ800kJ1200kJ可能如果：W=1500kJ1500kJ不可能500kJ 实际循环与卡诺循环内燃机t1=2000oC，t2=300oCtC=74.7%实际t=30~40%卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上Ts很难实现火力发电t1=600oC，t2=25oCtC=65.9%实际t=40%回热和联合循环t可达50% 4-3克劳修斯不等式4-3、4-4熵、4-5孤立系熵增原理围绕方向性问题，不等式热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性定义熵 克劳修斯不等式克劳修斯不等式的研究对象是循环方向性的判据正循环逆循环可逆循环不可逆循环克劳修斯不等式的推导 克劳修斯不等式的推导（1）可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热∴ 克劳修斯不等式的推导（2）不可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热∴假定Q1=Q1’，tIR<tR，W’W可逆时IRW’Q1’Q2’ 克劳修斯不等式推导总结可逆=不可逆<正循环（可逆、不可逆）吸热反循环（可逆、不可逆）放热仅卡诺循环??? 克劳修斯不等式∴对任意循环克劳修斯不等式将循环用无数组s线细分，abfga近似可看成卡诺循环=可逆循环<不可逆循环>不可能热源温度热二律表达式之一 克劳修斯不等式例题A热机是否能实现1000K300KA2000kJ800kJ1200kJ可能如果：W=1500kJ1500kJ不可能500kJ注意：热量的正和负是站在循环的立场上 4-4熵热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二克劳修斯不等式反映方向性热二律推论之三熵反映方向性 熵的导出定义：熵克劳修斯不等式可逆过程，，代表某一状态函数。=可逆循环<不可逆循环比熵 熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度比熵克劳修斯不等式可逆时熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小熵的物理意义 熵是状态量可逆循环pv12ab熵变与路径无关,只与初终态有关 不可逆过程S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可逆>不可逆 S与传热量的关系=可逆>不可逆<不可能热二律表达式之一对于循环克劳修斯不等式除了传热,还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增针对过程 熵流和熵产对于任意微元过程有：=：可逆过程>：不可逆过程定义熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：永远热二律表达式之一 熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求 熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用Ts1234任何过程 熵变的计算方法非理想气体：查图表固体和液体：通常常数例：水熵变与过程无关，假定可逆： 熵变的计算方法热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变 熵变的计算方法功源（蓄功器）：与只外界交换功功源的熵变理想弹簧无耗散 4-5孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统熵增原理。无热量交换无功量交换=：可逆过程>：不可逆过程热二律表达式之一 为什么用孤立系统？孤立系统=非孤立系统+相关外界=：可逆过程>：不可逆过程<：不可能过程最常用的热二律表达式 孤立系熵增原理举例(1)传热方向(T1>T2)QT2T1用克劳修斯不等式用用用没有循环不好用不知道 孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系当T1>T2可自发传热当T1tIR可逆T1T0IRWIRQ1’Q2’作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功假定Q1=Q1’，WR>WIR作功能力损失 作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRW’Q1’Q2’假定Q1=Q1’，WR>WIR作功能力损失 4-6熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动 热二律讨论热二律表述(思考题1)“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功”温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想T(1)体积膨胀,对外界有影响(2)不能连续不断地转换为功 熵的性质和计算不可逆过程的熵变可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；熵的变化只与初、终态有关，与过程的路径无关熵是广延量 熵的表达式的联系•可逆过程传热的大小和方向•不可逆程度的量度作功能力损失•孤立系•过程进行的方向•循环克劳修斯不等式 熵的问答题•任何过程，熵只增不减•若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S•可逆循环S为零，不可逆循环S大于零╳╳╳•不可逆过程S永远大于可逆过程S╳ 判断题（1）•若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？相同初终态，s相同=：可逆过程>：不可逆过程热源T相同相同 判断题（2）•若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？相同热量，热源T相同=：可逆过程>：不可逆过程相同初态s1相同 判断题（3）•若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？可逆绝热不可逆绝热STp1p2122’ 判断题（4）•理想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程AB真空 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000K300K100kJ15kJ85kJ 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机2000K300K100kJ15kJ85kJScycle=0,Siso=0ST2000K300K 可逆与不可逆讨论(例2)2000K300K100kJ15kJ85kJ不可逆热机83kJ17kJ由于膨胀时摩擦摩擦耗功2kJ当T0=300K作功能力损失=T0Siso=2kJ 可逆与不可逆讨论(例2)2000K300K100kJ15kJ85kJ不可逆热机83kJ17kJ由于膨胀时摩擦=2kJScycle=0T0ST2000K300KSiso=0.0067 可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000K300K100kJ16kJ84kJ100kJ1875K 可逆与不可逆讨论(例3)有温差传热的可逆热机2000K300K100kJ16kJ84kJ100kJ1875KST2000K300K1875KSiso=0.0033Scycle=0T0S热源温差 •热二律的表述•热二律的表达式•熵•孤立系熵增原理作业:3-8;3-17;4-4第四章小结 第四章完 第五章气体动力循环 动力循环研究目的和分类动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功按工质气体动力循环：内燃机蒸汽动力循环：外燃机空气为主的燃气按理想气体处理水蒸气等实际气体研究目的：合理安排循环，提高热效率 气体动力循环分类按结构活塞式叶轮式汽车，摩托，小型轮船航空，大型轮船，移动电站 气体动力循环分类小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船，移动电站汽油机按燃料柴油机煤油机航空 气体动力循环分类点燃式按点燃方式：按冲程数：四冲程压燃式二冲程 动力循环研究方法实际动力循环非常复杂不可逆，多变指数变化，燃烧等工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽象和理想化，形成各种理想循环进行分析，最后进行修正。 5-1活塞式内燃机动力循环一、四冲程高速柴油机（混合加热循环） 四冲程柴油机工作原理空气、油废气吸气压缩膨胀排气 四冲程高速柴油机工作过程1230—1吸空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02’01—2’多变压缩p2’=3~5MPat2’=600~800℃2’喷柴油2开始燃烧2—3迅速燃烧，近似Vp↑5~9MPa 四冲程高速柴油机工作过程123453—4边喷油，边膨胀pVp01’2’0t4可达1700~1800℃4停止喷柴油4—5多变膨胀V近似膨胀pp5=0.3~0.5MPat5500℃5—1’开阀排气，降压1’—0活塞推排气,完成循环 四冲程高速柴油机的理想化123451.工质pVp01’2’0工质数量不变定比热理想气体P-V图p-v图2.0-1和1’-0抵消开口闭口循环3.燃烧外界加热4.排气向外界放热5.多变绝热6.不可逆可逆 理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTs分析循环吸热量，放热量，热效率和功量 理想混合加热循环的计算12345Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率 定义几个指标性参数12345pv压缩比定容增压比预胀比反映气缸容积反映供油规律 理想混合加热循环的计算12345Ts热效率 理想混合加热循环的计算12345Ts热效率 各因素对混合加热循环的影响1、当、不变受气缸材料限制一般柴油机潜艇用氦气，k=1.66 各因素对混合加热循环的影响2、当不变注意：图示的研究方法不必记忆的复杂式12345pv 柴油机与汽油机动力循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式汽油机，点燃式 定容加热循环（奥托循环)12341234pvTs 定容加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率 定容加热循环的计算1234Ts热效率 定容加热循环的计算汽油易爆燃一般汽油机一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧 柴油机与低速柴油机循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式 定压加热循环（狄塞尔循环)1234pv1234Ts 定压加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率 定压加热循环的计算热效率当不变当不变已被淘汰 5-2活塞式内燃机循环比较比较的条件压缩比吸热量反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）最高压力反映材料耐压、壁厚、成本最高压力反映材料耐温比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热 和相同Ts平均温度法3m4m123v4v3p4p 和相同Ts相等12v342m2p 和相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m 5-3斯特林循环斯特林循环是活塞式热气发动机的理想循环。冷气室热气室加热器冷却器AB回热器1-2T压缩2-3V吸热3-4T膨胀4-1V放热 斯特林循环图示12341234pvTs概括性卡诺循环核潜艇，制冷 循环效率:特点:1、循环效率高。2、采用外式热源，可以燃用廉价燃料。（比如：太阳能） 改良的单缸斯特林发动机示意 5-4勃雷登循环用途：航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船 勃雷登循环示意图和理想化1234压气机燃气轮机燃烧室1）工质：数量不变，定比热理想气体理想化：2）闭口循环3）可逆过程 pvTs12341234P-v图和T-s图 勃雷登循环的计算Ts1234吸热量：放热量：热效率： 勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率表达式似乎与卡诺循环一样 勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：定义：循环增压比 勃雷登循环净功的计算Ts1234定义：循环增温比 对净功的影响Ts12343’4’当不变不变但T3受材料耐热限制 对净功的影响Ts当不变太大太小存在最佳，使最大 最佳增压比（w净）的求解Ts令最大循环净功 燃气轮机的实际循环Ts1234压气机：不可逆绝热压缩燃气轮机：不可逆绝热膨胀2’4’定义：压气机绝热效率燃气轮机相对内效率 燃气轮机的实际循环的净功Ts12342’4’净功吸热量 燃气轮机的实际循环的热效率Ts12342’4’热效率 影响燃气机实际循环热效率的因素··一定，·一定，有最佳·右移 第五章完 第六章水和水蒸气的性质 6-3水蒸气的定压发生过程ttsvv’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽hh’’ss’’水预热汽化过热 水蒸气定压发生过程说明(1)(2)(3)理想气体实际气体汽化时，T＝Ts不变，但h增加汽化潜热(4)未饱和水过冷度过冷水过热蒸汽过热度 sp-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态 等压线上饱和态参数ptsv’(m3/kg)v’’s’s’’kJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.003260.003264.4294.429(bar)(℃)bdbd 定压加热线与饱和液线相近的说明当忽略液体cp变化，不同的p，液体近似不可压，v不变对每个不变的T 一点：临界点C（pc=22.129MPa,tc=374.15℃，hc=2100kJ/kg)两线：饱和水线与饱和蒸汽线三区：未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽 水和水蒸气状态参数确定的原则1、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸汽确定p或T3、湿饱和蒸汽p和T不独立，除p或T外，引入干度X6-4水和水蒸气状态参数及其图表 干度x定义干饱和蒸汽饱和水对干度x的说明：x=0饱和水x=1干饱和蒸汽0≤x≤1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义 湿饱和蒸汽区状态参数的确定如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)+干度xh,v,s 饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列） 饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录） 表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。但原则上不为0，对水：表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：水的三相点 查表举例（1）查表时先要确定在五态中的哪一态。例.1已知：p=1MPa,试确定t=100℃,200℃各处于哪个状态,各自h是多少？ts(p)=179.88℃t=100℃ts,过热蒸汽h=2827.5kJ/kg 查表举例（2）已知t=250℃,5kg蒸汽占有0.2m3容积,试问蒸汽所处状态?h=?t=250℃,湿蒸汽状态 查表举例（2）已知t=250℃,5kg蒸气占有0.2m3容积,试问蒸气所处状态?h=?t=250℃,湿蒸汽状态 查表举例（3）在一刚性容器内充满p=0.1MPa，t=20℃的水。由于太阳照射，使其温度升为40℃,求容器承受的压力。p=0.1MPat=20℃t=40℃等容过程储液罐很危险，不能装满。 查表举例（4）已知t=85℃,p=0.015MPa,试确定状态?h=?ts=54.0℃,过热状态p=0.015MPa内插法p=0.01MPat=85℃p=0.02MPat=85℃p=0.015MPat=85℃ 饱和参数未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线） 如何在图上表示功和热p-v图（示功图）：面积代表功能否用线段表示热和功T-s图（示热图）：面积代表热 蒸汽动力循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器定压过程等熵过程 焓熵图的画法(1)1、零点：h=0，s=0；2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）3、等压线群：p两相区pT=Const斜直线单相区sT向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上 焓熵图hsCpx=1x=0pC 焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：T、p一一对应，T线即p线在x=0,x=1之间，从C点出发的等分线同理想气体一样，v线比p线陡4、定温线T5、等容线v6、等干度线x 焓熵图hsCx=1x=0pvTx 6-5水蒸气的热力过程任务：确定初终态参数，计算过程中的功和热在p-v、T-s、h-s图上表示热力过程：psTv 注意与理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用准静态可逆 水蒸气的定压过程q=hwt=0342pv1例：锅炉中，水从30℃，4MPa,定压加热到450℃q=h2-h1ts(4MPa)=250.33℃锅炉、换热器 水蒸气的定压过程例：水从30℃，4MPa,定压加热到450℃q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg 水蒸气的绝热过程p12’pvp2不可逆过程：汽轮机、水泵12可逆过程：s1212’q=0 水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q=02’12Ts不可逆过程：可逆过程：sp1p2 水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q=0hs不可逆过程可逆过程：sp1p221h1h2h2’2’透平内效率 水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’例：汽轮机求：解：由t1、p1查表 水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’求：由p2查表 水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’求： 水蒸气的定温过程pv实际设备中很少见TCTcT远离饱和线，接近于理想气体 水蒸气的定温过程12Tshs122’理想气体测量干度原理绝热节流可逆过程：12’ 水蒸气的定容过程实际设备中不常见12pv 水蒸气的定容过程1TshspT212vpv 4、注意与理想气体比较，哪些公式可用、哪些不能用第六章小结1、熟悉一点、两线、三区、五态2、会查图表3、基本热力过程在p-v、T-s、h-s图上的表示，会计算q、wt 第六章完 第七章蒸汽动力循环 第七章蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的 四个主要装置：锅炉汽轮机凝汽器给水泵7-1郎肯循环水蒸气动力循环系统锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器 水蒸气动力循环系统的简化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器郎肯循环1234简化（理想化）：12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热 1342pv郎肯循环pv图12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热 4321Tshs1324郎肯循环Ts和hs图12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热 hs1324郎肯循环功和热的计算汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量： hs1324郎肯循环热效率的计算一般很小，占0.8~1%，忽略泵功 工程上常用汽耗率,反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h功量所消耗的蒸汽量kg汽耗率的概念的单位是kJ/kg1kW=1kJ/s 郎肯循环与卡诺循环比较sT64211098753q2相同；q1卡诺>q1朗肯卡诺>朗肯；等温吸热4’1难实现11点x太小,不利于汽机强度；12-9两相区难压缩；wnet卡诺小卡诺<朗肯；wnet卡诺13.5MPa，一次再热超临界机组，t1>600℃，p1>25MPa，二次再热 Ts65431b蒸汽再热循环的定量计算吸热量：放热量：净功（忽略泵功）：热效率： 7-4蒸汽回热循环抽汽去凝汽器冷凝水表面式回热器抽汽冷凝水给水混合式回热器抽汽式回热 蒸汽抽汽回热循环(1-)kgkg65as43211kgTakg4(1-)kg51kg由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功 抽汽回热循环的抽汽量计算(1-)kgkg65as43211kgTakg4(1-)kg51kg以混合式回热器为例热一律忽略泵功 抽汽回热循环热效率的计算(1-)kgkg65as43211kgT吸热量：放热量：净功：热效率： 为什么抽汽回热热效率提高？(1-)kgkg65as43211kgT教材P.256推导简单朗肯循环：物理意义：kg工质100%利用1-kg工质效率未变 蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为1～3级中大型火力发电厂一般为4～8级。优点提高热效率减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面可兼作除氧器缺点循环比功减小，汽耗率增加增加设备复杂性回热器投资>缺点 提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环联合循环热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…... 7-5热电联产(供)循环用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。背压式机组(背压>0.1MPa)热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？ 背压式热电联产(供)循环背压式缺点：热电互相影响供热参数单一清华北门外2台背压式，5000kW电负荷 抽汽调节式热电联产(供)循环抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。 热电联产(供)循环的经济性评价只采用热效率显然不够全面能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同Ex经济学评价热电联产、集中供热是发展方向，经济环保 1、熟悉郎肯循环图示与计算2、郎肯循环与卡诺循环3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响4、再热、回热原理及计算第七章小结 第七章完 第八章制冷（致冷）循环 动力循环与制冷（热泵)循环•制冷循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热•动力循环输入热,通过循环输出功•热泵循环输入功量（或其他代价），向高温热用户供热—正循环—逆循环—逆循环 制冷空调原理与装置 制冷循环和制冷系数T0环境T2冷库卡诺逆循环q1q2wTsT2T0T0不变,T2εCT2不变,T0εC 热泵循环和供热系数卡诺逆循环wTsT2T0T1不变,T0εCT0不变,T1εCT1 制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)。1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻到0°C的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热r=334kJ/kg1冷吨=3.86kJ/s1美国冷吨=3.517kJ/s 制冷循环种类空气压缩制冷压缩制冷蒸气压缩制冷吸收式制冷制冷循环吸附式制冷蒸汽喷射制冷半导体制冷热声制冷，磁制冷√√√ 8－1空气压缩制冷循环冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器3214 空气压缩制冷循环过程四个主要部件；工质：空气12绝热压缩pT23等压冷却向环境放热，T34绝热膨胀T弊 蒸气压缩制冷循环的计算Ts12345蒸发器中吸热量冷凝器中放热量制冷系数两个等压，热与功均与焓有关lnp-h图 lnp-h图及计算Ts12345lnph12345 过冷措施Ts12345lnph123455’4’不变4’5’工程上常用 8-3热泵q2q2q1q1wwT2T0T0T1制冷系数制热系数制冷热泵 蒸气压缩式热泵装置T0房间供暖化工温度提升节能 热泵lnp-h图及计算Ts12345lnph12345 8-4吸收式制冷循环利用溶液性质压缩制冷循环以消耗机械功为代价吸收式制冷以消耗热量为代价溶液=溶剂+溶质溶液T溶液T溶剂吸收溶质的能力溶剂吸收溶质的能力溶液浓度溶液浓度氨（溶质）+水（溶剂）溶液溴化锂（溶剂）+水（溶质）溶液（NH3） 吸收式制冷循环示意图循环性能系数 吸收式制冷循环特点用于大型空调、中央空调。优点：直接利用热能可用低品质热缺点：设备体积大，启动时间长环境性能好 8-5制冷剂蒸气压缩制冷，要尽可能利用工质两相区，因此与工质性质密切相关。对热物性要求：1.沸点低，tb<10ºC2.压力适中，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中不太高；3.汽化潜热大，大冷冻能力；4.T-S图上下界线陡峭：上界陡峭，冷冻更接近定温，下界线陡，节流损失小；5.凝固点低，价廉，无毒，不腐蚀，不爆，性质稳定、油溶性、材料相容性、环境性能、安全性能好。 制冷剂的命名CmHxFyClzR(m-1)(x+1)y例：R12—CF2Cl2氯氟烃CFFClClR22—CHF2ClH90+nR12=102CHF 制冷剂的命名R134a—C2H2F4CFFHCHFFR134R134aFFHCHFFC同素异构体 混合物制冷剂的命名R400R600R500非共沸混合物共沸混合物HCR700其它氨R717R744CO2R718水甲烷丁烷ASHRAE 第八章小结1.空气压缩制冷，分析、计算、回热；2.蒸汽压缩制冷，分析、计算；3.热泵循环，与制冷原理相同，会计算4.吸收式制冷，制冷剂，一般了解空气压缩制冷循环是否可以使用节流阀代替膨胀机？思考题： 第八章完