第1章---工程热力学 绪论、基本概念

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1、工程热力学工程热力学(航空航天专业航空航天专业)AVAV20205 5上海交通大学上海交通大学 航空航天学院航空航天学院20122012年年老师以及答疑时间安排老师以及答疑时间安排羌晓青空天院1434房间周一至周五电话：34207423email：课程的教学目标课程的教学目标本课程为航空航天专业技术基础课。通过课程讲授和实践，以期达到如下目标目标：1、掌握能源转换、利用，特别是热能转换成机械能的原理、途径及提高转换效率的方法；2、明白热能利用的广泛性和特殊性；掌握工程热力学的研究内容和研究方法；了解本课程与后续专业课程乃至专业培养目标的关系；3、培养学生科学地抽象、简化、分析的能力，解决工程上

2、热能利用的一般问题。学习本课程的意义学习本课程的意义学习本课程的意义21世纪的要求人类面临的问题：粮食、环境、和平能源学科交叉发展与国际接轨：国际上工科院校热工类课程所占学分很高！阴魂不散的永动机：本课程将告诉你们永动机为什么不存在！本课程难不难？本课程难不难？难课程特点概念活课程内容比较使用的数学工具“课程难与不难？”研究对象气体(远较刚体复杂)不难物理基础上课认真听讲并思考 自己完成作业 利用网络资源教学内容与要求教学内容与要求1.基本概念(4学时)；2.过程和能量守恒原理-热力学第一定律(8学时)；3.气体和蒸气的性质、基本热力过程(10学时)；4.过程方向条件及限度-热力学第二定律(1

3、2学时)；5.实际气体性质及热力学一般关系式(4学时)；6.气体和蒸汽的流动(6学时)；7.压气机的热力过程、气体动力循环、蒸汽动力循环装置(8学时)；8.制冷循环、湿空气、化学热力学基础(8学时)；115周上课，16周参观推进实验室、复习考试。考核方式考核方式成绩按照下面的比例确定：30%平时作业和上课参与程度70%期末考试参考书目参考书目主要参考教材工程热力学(第四版),童钧耕编,高等教育出版社,2007其他参考书目工程热力学(第三版),曾丹苓等编,高等教育出版社,2002;工程热力学总复习理论概要和习题,童钧耕等编,上海交大出版社,2001;工程热力学学习辅导与习题解答,童钧耕编,高等教

4、育出版社Thermodynamics-AnEngineeringApproach,YUNUSA.CENGELMICHAELA.BOLESMcGraw-HillPublishingCompany;Thermodynamics6th.Edition,KENNETHWARKDONALAE.RICHARDS,McGraw-HillPublishingCompany,1999.绪绪 论论Introduction0-1热能及其利用0-2热力学发展简史0-3工程热力学主要内容及研究方法0-1 0-1 热能及其利用热能及其利用一、能源一、能源(Energy)定定义：提供各种有效能量的物：提供各种有效能量的物质

5、资源源。据据统计：世界上：世界上经过热能形式能形式而被利用的能量超而被利用的能量超过85%天然气天然气石石 油油 煤煤 核核 能能太阳能太阳能地地热能能生物生物质能能燃燃烧炉炉工工业热装置装置核反核反应堆堆热能能热电直接直接转换装置装置电热装置装置热机机发电机机机机械械能能各各类用用户电能能0-1 0-1 热能及其利用热能及其利用二、二、热能的利用形式能的利用形式l热利用：冶金、化工、食品等工利用：冶金、化工、食品等工业和生活上和生活上应用；用；l热能的能的动力利用：力利用：热能能转化成机械能或化成机械能或电能。能。三、其他形式的能源利用三、其他形式的能源利用l化学能；化学能；l原子能；原子能

6、；l磁流体磁流体发电；l太能能太能能电池；池；l燃料燃料电池；池；l潮汐能；潮汐能；l风能。能。0-2 0-2 热力学发展简史热力学发展简史一、一、热力学力学 定定义：研研究究物物质的的能能量量、能能量量传递和和转换以以及及能能量量与与物物质性性质之之间普遍关系的科学。普遍关系的科学。工工工工程程程程热热力力力力学学学学是是热力力学学的的工工程程分分支支，是是在在阐述述热力力学学普普遍遍原原理理的的基基础上上，研研究究这些些原原理理的的技技术应用用的的学学科科，着着重重研研究究的的是是：热能能与与其其他他形形式式能能量量(主主要要是是机机械械能能)之之间的的转换规律及其工程律及其工程应用。用。

7、二、二、发展展简史史1763-1784：英英国国人人瓦瓦特特，对蒸蒸汽汽机机重重大大改改进，提提高高热效效率；率；1824：法法国国人人卡卡诺，提提出出卡卡诺定定理理与与卡卡诺循循环，阐明明了了热力学第二定律的基本内容；力学第二定律的基本内容；0-2 0-2 热力学发展简史热力学发展简史二、二、发展展简史史1842：迈耶，提出了能量守恒原理；耶，提出了能量守恒原理；1850：焦耳，以各种精确的：焦耳，以各种精确的实验结果充分果充分证实了了热力学力学第一定律；第一定律；1850-1851：克：克劳修斯和修斯和汤姆姆逊先后独立提出了先后独立提出了热力学第力学第二定律，指明了二定律，指明了热过程的方

8、向性；程的方向性；热力学第一定律宣告了第一类永动机热力学第一定律宣告了第一类永动机(即不消耗能量的永动机即不消耗能量的永动机)是不可能是不可能实现的；热力学第二定律则使制造第二类永动机实现的；热力学第二定律则使制造第二类永动机(只从一个热源吸热的永动只从一个热源吸热的永动机机)的梦想破灭！的梦想破灭！1906：能斯特，：能斯特，归纳提出了提出了热力学第三定律力学第三定律(绝对零度不零度不能达到原理能达到原理)；1942：凯南，提出了有效能的概念；南，提出了有效能的概念；。0-3 0-3 工程热力学主要内容及研究方法工程热力学主要内容及研究方法一、主要研究一、主要研究对象：象：能量能量转换，特，

9、特别是是热能能转化成机械能的化成机械能的规律和方法，律和方法，以及提高以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的化效率的途径，以提高能源利用的经济性。性。二、主要研究内容：二、主要研究内容：基本概念与基本定律：基本概念与基本定律：热力系力系统、状、状态参数、平衡参数、平衡态、热力学第一定律、第二定律等；力学第一定律、第二定律等；能量的能量的转化化过程，特程，特别是是热能能转化化为机械能：工机械能：工质的的状状态变化化过程、程、过程和循程和循环分析研究及分析研究及计算方法等；算方法等；常用工常用工质的性的性质；通常的通常的热工工设备：燃：燃烧、燃料、燃料电池等新型能源。池等新型能源。0-3 0-3

10、 工程热力学主要内容及研究方法工程热力学主要内容及研究方法三、三、热力学研究方法：力学研究方法：宏宏宏宏观观的研究方法，微的研究方法，微的研究方法，微的研究方法，微观观的研究方法。的研究方法。的研究方法。的研究方法。宏宏观的的研研究究方方法法：以以热力力学学第第一一、第第二二定定律律等等基基本本定定律律为基基础，针对具具体体问题采采用用抽抽象象、概概括括、理理想想化化和和简化化的的方方法法，抽抽出出共共性性，突突出出本本质，建建立立分分析析模模型型，推推导出一系列有用的公式，得到若干重要出一系列有用的公式，得到若干重要结论；宏宏观热力学，也叫做力学，也叫做经典典热力学。力学。微微观的的研研究究

11、方方法法：利利用用量量子子力力学学和和统计方方法法，将将大大量量粒粒子子在在一一定定宏宏观条条件件下下一一切切可可能能的的微微观运运动状状态予予以以统计平均，将平均，将阐明物明物质的宏的宏观特性，特性，导出出热力学基本力学基本规律。律。微微观热力学，也叫做力学，也叫做统计热力学。力学。工程工程热力学主要力学主要应用用热力学的宏力学的宏观方法。方法。第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts and Definition1-1热能和机械能相互转换过程1-2热力系统1-3工质的热力学状态及其基本状态参数1-4平衡状态1-5工质的状态变化过程1-6功和热量1-7热力循环1-1 1-1

12、 热能热能和机械能相互转换的过程和机械能相互转换的过程 一、一、热能能动力装置力装置(Thermal power plant)定定义：从燃料燃：从燃料燃烧中得到中得到热能以及利用能以及利用热能得到能得到动力的整力的整套套设备(包括包括辅助助设备)。分分类共同本共同本质：由媒介物通由媒介物通过吸吸热膨膨胀作功作功排排热燃气燃气动力装置力装置(combustion gas power plant)内燃机内燃机(internal combustion gas engine)燃气燃气轮机装置机装置(gas turbine power plant)喷气气发动机机(jet engine)蒸汽蒸汽动力装置力

13、装置(steam power plant)1-1 1-1 热能热能和机械能相互转换的过程和机械能相互转换的过程 二、工二、工质(working substance;working medium)对工工质的要求的要求:物物质三三态中中气气态最适宜最适宜。1）膨）膨胀性性 2）流）流动性性 3）热容量容量 4）稳定性，安全性定性，安全性 5）对环境友善境友善 6）价廉，易大量）价廉，易大量获取取 定定义：实现热能和机械能相互能和机械能相互转化的媒介物化的媒介物质。1-1 1-1 热能热能和机械能相互转换的过程和机械能相互转换的过程 三、三、热源源(heat source;heat reservoi

14、r)定定义：工：工质从中吸取或向之排出从中吸取或向之排出热能的物能的物质系系统。高温高温热源源 热源源(heat source)低温低温热源源 冷源冷源(heat sink)恒温恒温热源源(constant heat reservoir)变温温热源源1-21-2热力系统热力系统 系系统(thermodynamic system,system)人人为分割出来，作分割出来，作为热力学力学研究研究对象的有限物象的有限物质系系统。外界外界(surrounding)：与系与系统发生生质、能交、能交换的物体的物体统称。称。边界界(boundary)：系系统与外界的分界面（与外界的分界面（线），可以），可以

15、实际存在，也可以是假想的。存在，也可以是假想的。一、定一、定义1-21-2热力系统热力系统二、系二、系统及及边界示例界示例汽汽车发动机机1-21-2热力系统热力系统汽缸汽缸-活塞装置（活塞装置（闭口系例）口系例）1-21-2热力系统热力系统 移移动和虚构和虚构边界界1-21-2热力系统热力系统 1）系）系统与外界的人与外界的人为性性 2）外界与）外界与环境介境介质 3）边界可以是：界可以是：a）刚性的或可性的或可变形的或有形的或有弹性的性的 b）固定的或可移固定的或可移动的的 c）实际的或虚的或虚拟的的注意：注意：1-21-2热力系统热力系统三、三、热力系分力系分类 按按组元数元数:单元系元系

16、(one component system;pure substance system)多元系多元系(multicomponent system)按相数按相数:单相系相系(homogeneous system)复相系复相系(heterogeneous system)注意：注意：1）不）不计恒外力恒外力场影响；影响；2）复相系未必不均匀）复相系未必不均匀湿蒸汽湿蒸汽；单元系也未必均匀元系也未必均匀气液平衡分离状气液平衡分离状态。1.按按组元和相元和相1-21-2热力系统热力系统 闭口系（口系（closed system）（控制（控制质量量CM）没有没有质量越量越过边界界 开口系（开口系（open

17、 system）（控制体（控制体积CV）通通过边界与外界有界与外界有质量交量交换2.按系按系统与外界与外界质量交量交换1-21-2热力系统热力系统 1）闭口系与系口系与系统内内质量不量不变的区的区别；2）开口系与）开口系与绝热系的关系；系的关系；3）孤立系与）孤立系与绝热系的关系。系的关系。注意：注意：4.简单可可压缩系（系（simple compressible system）由可由可压缩物物质组成，无化学反成，无化学反应、与外界有交、与外界有交 换容容积变化功的有限物化功的有限物质系系统。绝热系（系（adiabatic system）与外界无与外界无热热量量量量交交换;孤立系（孤立系（is

18、olated system）与外界无任何形式的与外界无任何形式的质能交能交换。3.按能量交按能量交换1-21-2热力系统热力系统四、四、热力系示例力系示例 1刚性性绝热气缸气缸-活塞系活塞系统，B侧设有有电热丝 红线内内闭口口绝热系系黄黄线内内不包含不包含电热丝闭口系口系黄黄线内内包含包含电热丝闭口口绝热系系蓝线内内孤立系孤立系1-21-2热力系统热力系统闭口系口系2刚性性绝热喷管管取取红线为系系统取取喷管管为系系统开口系开口系绝热系系?1-21-2热力系统热力系统3.A、B两部落两部落“鸡、犬之声相、犬之声相闻，民至老死不相往来，民至老死不相往来”ABA部落部落为系系统A+B部落部落为系系统

19、孤立系孤立系闭口系口系 热力学状力学状态（state of thermodynamic system）工工质在在热力力变化化过程中的某一瞬程中的某一瞬间所呈所呈现的宏的宏观物理状况物理状况 状状态参数（参数（state properties）用来用来描述工描述工质所所处平衡状平衡状态的宏的宏观物理量物理量 1状状态参数是参数是宏宏观量量，是大量粒子的，是大量粒子的统计平均效平均效 应，只有，只有平平衡衡态才有状才有状态参数，系参数，系统有有多多个状个状态参数，如：参数，如：一、一、热力学状力学状态和状和状态参数参数二、状二、状态参数的特性和分参数的特性和分类1-3 1-3 工质的热力学状态和基

20、本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数2状状态的的单值函数函数 物理上物理上与与过程无关；程无关；数学上数学上点函数，其微元差是全微分。点函数，其微元差是全微分。3状状态参数分参数分类 广延量广延量(extensive property):体体积、热力学能、力学能、焓、熵 强度量度量(intensive property):压力、温度力、温度 又：广延量的比性又：广延量的比性质具有具有强度量特性，如比体度量特性，如比体积 工程工程热力学力学约定用大写字母表示广延量，小写字母表定用大写字母表示广延量，小写字母表示示单位

21、位质量参数。量参数。1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数三、系三、系统状状态相同的充分必要条件相同的充分必要条件 系系统两个状两个状态相同的充要条件：相同的充要条件：所有所有状状态参数一一参数一一对应相等相等 简单可可压缩系两个状系两个状态相同的充要条件：相同的充要条件：两个独立的两个独立的状状态参数参数对应相等相等1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数四、温度和温四、温度和温标(temperature and temperature scale)温度的定温度的定义：测温的基温的基础热力学零定律力学零定律 (zero

22、th law of thermodynamics)热力学温力学温标和国和国际摄氏温氏温标(thermodynamics scale;Kelvin scale;absolute temperature scale and internal Celsius temperature scale)1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数华氏温氏温标和朗肯温和朗肯温标华氏温氏温标和和摄氏温氏温标附：附：T R=t +459.67t=5/9t-32t =9/5t +321-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数五、五、压力力(press

23、ure)绝对压力力 p(absolute pressure)表表压力力 pe（pg）(gauge pressure;manometer pressure)真空度真空度 pv(vacuum;vacuum pressure)当地大气当地大气压pb(local atmospheric pressure)1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数常用常用压力力单位：位：1-3 1-3 工质的热力学状态和基本状态参工质的热力学状态和基本状态参数数六、比体六、比体积和密度和密度比体比体积(specific volume)单位位质量工量工质的体的体积密度密度(density

24、)单位体位体积工工质的的质量量两者关系两者关系:1-41-4平衡状态平衡状态1定定义：无外界影响系：无外界影响系统保持状保持状态参数不随参数不随时间而改而改变的状的状态热平衡平衡（thermal equilibrium）：在无外界作用的条件下，系在无外界作用的条件下，系统内部、系内部、系统与外界与外界处处温度相等。温度相等。力平衡力平衡（mechanical equilibrium）：）：在无外界作用的条件下，系在无外界作用的条件下，系统内部、系内部、系统与外与外 界界处处压力相等。力相等。热力平衡的力平衡的充要条件充要条件 系系统同同时达到达到热平衡和力平衡平衡和力平衡。一、平衡状一、平衡状

25、态（thermodynamic equilibrium state）1-41-4平衡状态平衡状态讨论：1）系）系统平衡与均匀平衡与均匀2）平衡与平衡与稳定定 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡定未必平衡平衡一定平衡一定稳定，定，稳定未必平衡！定未必平衡！1-41-4平衡状态平衡状态*二、二、状状态公公设（state postulate）n系系统独立的状独立的状态参数数参数数；f系系统与外界交与外界交换功形式数功形式数。简单可可压缩系系与外界与外界仅有容有容积变化功一种形式化功一种形式1-41-4平衡状态平衡状态状状态方程方程1理想气体状理想气体状态方程方程 （ideal-gas equat

26、ion;Clapeyrons equation）Rg 气体常数气体常数(gas constant)R通用气体常数通用气体常数 (universal molar gas constant)摩摩尔质量量三、三、纯物物质的状的状态方程方程 （pure substance state equation）1-41-4平衡状态平衡状态2实际气体气体(real gas;imperfect gas)的状的状态方程方程范德瓦范德瓦尔方程方程（a,b为物性常数物性常数）R-K方程方程1-41-4平衡状态平衡状态BWR方程方程维里型方程里型方程1-41-4平衡状态平衡状态四、四、状状态参数坐参数坐标图(parame

27、tric coordinates)一一简单可可压缩系只有两个独立参数，所以可用平系只有两个独立参数，所以可用平面坐面坐标上一点确定其状上一点确定其状态，反之任一状，反之任一状态可在平面坐可在平面坐标上找到上找到对应点，如：点，如：pv1p1v1Ts2T2p3p3T3OOOT1-41-4平衡状态平衡状态附：附：纯物物质的的p-v-T图水水p-v-T图1-41-4平衡状态平衡状态1-51-5工质的状态变化过程工质的状态变化过程 一、准静一、准静态过程程(quasi-static process;quasi-equilibrium process)定定义：偏离平衡偏离平衡态无无穷小，随小，随时 恢复

28、平衡的状恢复平衡的状态变化化过程程。进行条件行条件：破坏平衡的破坏平衡的势 过程程进行无限行无限缓慢慢工工质有恢复平衡的能力有恢复平衡的能力准静准静态过程可在状程可在状态参数参数图上用上用连续实线表示表示无无穷小小1-51-5工质的状态变化过程工质的状态变化过程 定定义：系系统可可经原途径返回原来状原途径返回原来状 态而在外界不留下任何而在外界不留下任何变化化 的的过程程。可逆可逆过程与准静程与准静态过程的关系程的关系非准静非准静态不可逆不可逆准静准静态可逆可逆单纯传热过程程二、可逆二、可逆过程程1-51-5工质的状态变化过程工质的状态变化过程 非准静非准静态过程程(nonequilibriu

29、m process)准静准静态过程，不可逆程，不可逆准静准静态过程，可逆程，可逆作功作功过程程pFfpb1-51-5工质的状态变化过程工质的状态变化过程 1.可逆可逆=准静准静态+没有耗散效没有耗散效应；2.准准静静态着着眼眼于于系系统内内部部平平衡衡，可可逆逆着着眼眼于于系系统内内部部及及系系统与与外界作用的外界作用的总效果；效果；3.一切一切实际过程不可逆；程不可逆；4.内部可逆内部可逆过程的概念；程的概念；5.可逆可逆过程可用状程可用状态参数参数图上上实线表示。表示。讨论：1-61-6功和热量功和热量 一、功一、功(work)的定的定义和可逆和可逆过程的功程的功 1功的力学定功的力学定义

30、：力和力方向上位移的乘力和力方向上位移的乘积 2功的功的热力学定力学定义：通通过边界界传递的能量其全部的能量其全部效果可表效果可表现为举起重物。起重物。3可逆可逆过程功的程功的计算算功是功是过程量程量功可以用功可以用p-v图上上过程程线与与v轴包包围的面的面积表示表示1-61-6功和热量功和热量 系系统对外作功外作功为“+”外界外界对系系统作功作功为“-”5功和功率的功和功率的单位：位：附：附：4功的符号功的符号约定：定：1-61-6功和热量功和热量 6讨论有用功有用功(useful work)概念概念其中其中:W 膨膨胀功功(compression/expansion work)；Wl 摩擦

31、耗功；摩擦耗功；Wp 排斥大气功。排斥大气功。pbf1-61-6功和热量功和热量 用外部参数用外部参数计算不可逆算不可逆过程的功程的功?1-61-6功和热量功和热量 二、广二、广义功功(generalized work)简介介弹性力功性力功表面表面张力功力功 电极化功及磁化功等极化功及磁化功等1-61-6功和热量功和热量 三、三、热量量(heat)1定定义：仅仅由于温差而由于温差而 通通过边界界传递的能量的能量。2符号符号约定：定：系系统吸吸热“+”系系统放放热“-”3单位：位：4计算式及状算式及状态参数参数图热量是量是过程量程量（T-s图上）表示上）表示1-61-6功和热量功和热量 四、四、

32、热量与功的量与功的异同异同：1.均均为通通过边界界传递的能量；的能量；3.功功传递由由压力差推力差推动，比体，比体积变化是作功化是作功标志；志；p-v图 热量量传递由温差推由温差推动，比，比熵变化是化是传热的的标志；志；T-S 图 4.功是物系功是物系间通通过宏宏观运运动发生相互作用生相互作用传递的能量；的能量；热是物系是物系间通通过紊乱的微粒运紊乱的微粒运动发生相互作用而生相互作用而传递的的能量。能量。功功2.均均为过程量；程量；热是无条件的；是无条件的；热功是功是有条件、限度的。有条件、限度的。1-61-6功和热量功和热量 讨论题：P31 1-12题 容器容器为刚性性绝热，抽去隔板，抽去隔

33、板，重重又又平平衡衡，过程程性性质？是是否否做做功功？逐个抽去隔板，又如何？逐个抽去隔板，又如何？1-71-7热力循环热力循环一、一、定定义：封封闭的的热力力过程程 特性特性：一切状一切状态参数恢复原参数恢复原值，即二、二、可逆循可逆循环与不可逆循与不可逆循环(reversible cycle and irreversible cycle)1-71-7热力循环热力循环三、动力循力循环(power cycle;正向循正向循环,direct cycle)输出出净功；功；在在p-v图及及T-s图上上顺时针进行；行；膨膨胀线在在压缩线上方；吸上方；吸热线在放在放热线上方。上方。1-71-7热力循环热力

34、循环四、四、逆向循逆向循环(reverse cycle)制冷循制冷循环(refrigeration cycle)热泵循循环(heat-pump cycle)一般地一般地讲：输入入净功；功；在状在状态参数参数图逆逆时针运行；运行；吸吸热小于放小于放热。1-71-7热力循环热力循环 动力循力循环：热效率效率(thermal efficiency)逆向循逆向循环：制冷系数制冷系数(coefficient of performance for the refrigeration cycle)供暖系数供暖系数(coefficient of performance for the heat-pump cycle)五、循五、循环经济性指性指标：本章主要构筑工程热力学的基本概念。工程热力学主要研究对象；工质、热能动力装置和热力系统概念；平衡态、状态参数、温度、压力、比体积概念；准静态过程、可逆过程、循环以及过程功和热量；本本 章章 小小 结结