1、第一章,第一節(jié)熱功轉換的基礎知識第二節(jié)熱力學第一定律第三節(jié)熱力過程分析第四節(jié)熱力學第二定律,一、能量與能源,世界由物質構成。一切物質都處于運動狀態(tài)，能量是物質運動的度量。一切物質都具有能量，如果沒有能量，世界就會永遠處于靜止狀態(tài)，也就不會有生命。能量也是人類社會進步的動力。人類在日常生活和生產過程中需要各種形式的能量。隨著人類社會的發(fā)展，人們對能量的認識和利用水平不斷提高。到目前為止，人類所認識的能量主要有機械能、熱能、電能、化學能、核能、輻射能等幾種形式。能源是指能夠直接或間接提供能量的物質資源,第一節(jié)熱功轉換的基礎知識,基本概念,1.工質:實現(xiàn)熱能與機械能相互轉換的工作物質（氣體）。 2.

2、熱力系統(tǒng)和外界:把作為研究對象的某一宏觀尺寸范圍內的工質總稱為熱力系統(tǒng)，如汽缸內的氣體；把熱力系統(tǒng)以外和熱功轉換過程有關的其他物體統(tǒng)稱為外界，如汽缸體。 3.熱力狀態(tài):把工質在某一時刻所處的宏觀狀態(tài)稱為工質的“熱力狀態(tài)”，簡稱“狀態(tài)”。工質的熱力狀態(tài)用物理量來描述，這些物理量稱為氣體的狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力和比體積等。 4.熱力過程:將熱力系統(tǒng)中的工質從某一初始狀態(tài)變化到另一狀態(tài)所經歷的整個過程稱為熱力過程。,二、工質的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),開口系統(tǒng)：與外界不僅有能量交換，又有物質交換的系統(tǒng)。 封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質交換的系統(tǒng)。 絕熱系統(tǒng)：與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)

3、：與外界既無能量交換，也無物質交換的系統(tǒng)。,熱力系統(tǒng)分類,基本狀態(tài)參數(shù),氣體常用的狀態(tài)參數(shù)有6個，其中溫度（T）、壓力（p）和比體積（）這三個物理量，稱基本狀態(tài)參數(shù)。 內能（U）、熵（S）、焓（H）。,溫度,溫度表示氣體的冷熱程度。按分子運動論，氣體的溫度是氣體內部分子不規(guī)則運動劇烈程度的物理量。氣體的溫度越高，氣體內部分子的平均動能就越大。 熱力學溫度:開氏溫度，用符號T表示，單位為開爾文，單位符號為“K” （基本溫標)。熱力學溫度以水的三相點溫度為基本定點溫度(即水的固、液、氣三態(tài)共存時的溫度)，并規(guī)定其溫度為273.15K。于是1K就是水的三相點溫度的1/273.15。 工程上的溫度：攝

4、氏溫度，用符號t表示，單位符號為“”。 攝氏溫度與開氏溫度的關系為： tT273.15 注意：只有開氏溫度才是狀態(tài)參數(shù)。,定義：氣體在單位面積容器壁上的垂直作用力,用符號p表示，單位是帕斯卡，簡稱為帕（Pa）。由于帕很小，工程上常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）為單位。 1 kPa =103Pa 1 MPa =106Pa 壓力的表示方法： 1.絕對壓力：指氣體作用在容器壁上的真實壓力,用p表示。 2.表壓力：當氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓力表指示的數(shù)值就是表壓力。表壓力等于氣體的絕對壓力與大氣壓力p0的差值，用pg表示。其關系式為pg=p-p0 。 3.真空度：當氣體的絕對壓力低于大氣壓力

5、時，真空表測量的數(shù)值就是真空度。真空度等于大氣壓力與氣體絕對壓力的差值，用pv表示。其關系式為pv=p0p。 注意：只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)。,壓力,比體積,比體積：單位質量的氣體所占的體積，稱為氣體的比體積。用符號v表示，單位為m3/kg。 密度：單位體積的氣體所具有的質量稱為密度，以符號 表示，其單位為kg/m3。,三、理想氣體狀態(tài)方程,理想氣體：分子不占體積、分子之間沒有吸力的氣體。 理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝隆方程式）：溫度、壓力、比體積之間關系式。 1理想氣體： 理想氣體： 式中：Vmkg理想氣體的總容積，V=mv。 R氣體常數(shù)，其數(shù)值取決于氣體的性質，單 位為kJ/（kgK）。,四

6、、工質的比熱容,(一)比熱容與物質單位的關系,因為工質的計量單位可用、，所以工質的比熱容有如下三種： 比質量熱容：() 比摩爾熱容：() 比容積熱容：(),(二)比定壓熱容和比定容熱容,氣體在壓力不變或體積不變的情況下被加熱時的比熱容，分別叫比定壓熱容和比定容熱容，通常用腳標 和V來標注。,(三)真實比熱容和平均比熱容,根據(jù)大量精確的試驗數(shù)據(jù)和量子力學理論，理想氣體的比熱容與壓力無關，而應是溫度的函數(shù)。,(四)定比熱容,表-理想氣體的定值比摩爾熱容和比熱容比,一、功、熱量和內能,1功 當氣體的壓力和容積發(fā)生變化時，氣體與外界之間相互傳遞的機械能稱之為功，用W表示。單位為焦耳，單位符號為“J”或

7、“kJ”， 1kJ=103J。 1kg氣體容積（即比體積）的微小變化量為: dv = Adx 1kg氣體對外界所作的微元功為: dw= pAdx = pdv 1kg氣體對外界所作的功為: 若汽缸內的氣體為mkg，其總容積V=mv， 則mkg氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2對外所作 的功為:,第二節(jié)熱力學第一定律,一、功、熱量和內能,2熱量 熱量是由于溫度的不同，系統(tǒng)和外界之間穿越邊界而傳遞的能量。 熱量的國際單位與功一樣為焦耳，單位符號為“J”或“kJ”。熱量通常用比熱來計算。比熱是指單位量的物質溫度每變化1K時吸收或放出的熱量，用符號c表示，即 式中：dq單位量的物質在溫度變化dT時吸收或放出的熱量

8、。 1kg氣體的溫度變化dT時，吸收或放出的微元熱量dq為:dq=cdT 1kg氣體的溫度從T1 T2時，吸收或放出的熱量q為: mkg氣體的溫度從T1 T2時，吸收或放出的熱量Q為: 規(guī)定:氣體從外界吸收熱量為正，向外界放出熱量為負。 注意：功和熱量都不是狀態(tài)參數(shù)。,一、功、熱量和內能,3內能 氣體的內能是指氣體內部所具有的各種能量的總和，由氣體分子運動的動能和分子間位能組成。 內能是氣體的狀態(tài)參數(shù)。 對于理想氣體，因假設其分子間沒有引力，其位能為零，所以其內能僅指其內部動能，它是溫度T的單值函數(shù)。 1kg氣體的內能用符號u表示，單位為J/kg或kJ/kg，則 u = f（T） 1kg氣體的

9、溫度從T1變化到T2時，其內能的變化量u為: u = u2u1 = f（T2）f（T1） mkg氣體的內能用符號U表示，單位為J或kJ，溫度從T1變化到T2時，其內能的變化量U為: U = U 2U 1 =mf（T2）f（T1),二、熱力學第一定律,熱力學第一定律：熱和功可以相互轉換，為了要獲得一定量的功，必須消耗一定量的熱；反之，消耗一定量的功，必會產生一定量的熱。 第一類永動機是不可能被成功地制造的。在熱能與其他能量的相互轉換過程中，能的總量保持不變-遵循能量守恒原則。 1kg氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所經歷的過程中，如果氣體與外界交換的熱量為q1-2，機械功為w1-2，內能的變化量為u2u

10、1，三者之間的平衡關系可用能量平衡方程表示為: q1-2= u2u1+ w1-2 mkg氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所經歷的過程中，則有 Q1-2= U2U1+ W1-2 氣體狀態(tài)發(fā)生變化時，從外界吸收的熱量等到于其內能的增加量與對外所作的機械功之和。,三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式與焓,圖-4開口系統(tǒng)示意圖,四、熵及溫熵圖,)熵是一狀態(tài)參數(shù)，如已知兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，即可求出熵的值。)只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定值。)與內能和焓一樣，通常只需求熵的變化量，而不必求熵的絕對值。)熵是可加性的量，工質的熵是工質的熵的倍，。)在可逆過程中，從熵的變化過程中可判斷熱量的傳遞方向：系統(tǒng)吸熱；系統(tǒng)絕熱；系統(tǒng)

11、放熱。)熵可以判斷自然界一切自發(fā)過程的熵變。,pv圖,循環(huán)中工質所作的凈功為:w0 循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量為: q1q2 由于u=0。根據(jù)熱力學第一定律則可得出:q1q2= w0 結論:循環(huán)中工質從高溫熱源吸收熱量q1，只將其中的一部分轉換成機械功w0，而另一部分熱量q2傳遞給低溫熱源。 mkg：Q1 Q2=W0,圖-5可逆過程的圖和圖)圖)圖,一、定容過程,()過程方程：定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間關系式： ()功量與熱量分析計算,第三節(jié)熱力過程分析,定容過程，故定容過程膨脹功 定容過程的技術功為 () 根據(jù)比定容熱容定義，定容過程吸收的熱量為 或由熱力學第一定律表達式 ,圖-6定容過程,

12、()圖和圖 根據(jù)過程方程可知，在p圖上定容線是一條與橫坐標垂直的直線，如圖-所示。,二、定壓過程,()過程方程：定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間關系式： ()功量和熱量分析計算,定壓過程，則膨脹功和技術功為 () 類似于定容過程分析，定壓過程吸熱量 ,圖-7定壓過程,()圖和圖 根據(jù)過程方程知，在圖上定壓線為一條與縱坐標垂直的直線，如圖-所示。,三、定溫過程,()過程方程：由定義知，定溫過程溫度保持不變，即定值。()基本狀態(tài)參數(shù)間關系： ()功量和熱量的分析計算,根據(jù)過程方程，過程的膨脹功為 / 根據(jù)理想氣體熱力性質，即，從而有 因此在理想氣體的定溫過程中，膨脹功、技術功和熱量三者相等。,圖-8定溫過

13、程,()圖和圖 根據(jù)過程方程知，定溫線在圖上是等軸雙曲線，如圖所示。,四、定熵過程,()過程方程 根據(jù)理想氣體熵變的微分表達式和定熵過程熵不變的特點，有/定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間的關系 / / ()功量和熱量的分析計算,定熵過程的技術功為 定熵過程是絕熱可逆過程，故 ,圖-9絕熱過程,()圖和圖 由定熵過程的過程方程=定值可知，定熵過程在圖上是一條冪指數(shù)為負的冪函數(shù)曲線(又稱高次雙曲線)。,五、理想氣體的多變過程,圖-0多變過程,開爾文一普朗克說法：“不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉變?yōu)楣?，而不引起其他變化?！?第二類永動機是不可能被成功制造的。) 為了連續(xù)地獲得

14、機械功，至少必須有兩個熱源，即高溫熱源和低溫熱源。 克勞修斯說法：“不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化?！?這一表述說明：不管利用什么機器，熱量不可能自發(fā)地、不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體。各種制冷設備必須消耗功并把這些功轉換為熱量和低溫物體的熱量一起傳給高溫物體，以達到制冷的目的。 結論：自發(fā)過程具有方向性-一切自發(fā)實現(xiàn)的過程都是不可逆的。,第四節(jié)熱力學第二定律,一、自發(fā)過程的方向性與熱力學第二定律的表述,定義:工質由某一初始狀態(tài)出發(fā)，經過一系列的狀態(tài)變化又重新回到初始狀態(tài)所經歷的封閉過程，簡稱循環(huán)。 循環(huán)可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。 循環(huán)過程可用pv圖表示。,二、熱力循

15、環(huán)與熱效率,pv圖,循環(huán)中工質所作的凈功為:w0 循環(huán)中工質從外界吸收的凈熱量為: q1q2 由于u=0。根據(jù)熱力學第一定律則可得出:q1q2= w0 結論:循環(huán)中工質從高溫熱源吸收熱量q1，只將其中的一部分轉換成機械功w0，而另一部分熱量q2傳遞給低溫熱源。 mkg：Q1 Q2=W0,循環(huán)評定指標,1.循環(huán)熱效率t ：指循環(huán)中熱功轉換的效率，它等于循環(huán)中工質對外界作的凈功與循環(huán)加熱量之比 （評價經濟性）。 2.循環(huán)平均壓力pt ：指單位汽缸工作容積所作的循環(huán)功（評價動力性）。,三、卡諾循環(huán)與卡諾定理,1.卡諾循環(huán),)卡諾循環(huán)的熱效率僅決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度。)由于不可能為無限大，不可能為零，所以卡諾循環(huán)的熱效率不可能達到。)無論采用什么工質和什么循環(huán)，也無論將不可逆損失減小到何種程度，在一定的溫度范圍到之間，不可能制造出熱效率超過()的熱機。,圖-卡諾循環(huán)示意圖,.卡諾定理,卡諾定理告訴我們，兩個給定熱源之間的所有循環(huán)中，以卡諾循環(huán)的熱效率最高。一切工質的循環(huán)都是不可逆循環(huán)，因此實際循環(huán)的熱效率必小于相同熱源條件下卡諾循環(huán)的熱效率。所以提高熱效率的途徑是減小過程的不可逆性，使實際循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)。卡諾定理還指出了兩個給定熱源之