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1、一、相关知识1 .能源与能量的利用能量一切物质都具有能量。能源：提供各种有效能量的物质资源。暖气-热能：风-风能：太阳-太阳能；原子-原子能，汽、柴油-化学能。能量的利用过程实质是能量的传递和转换过程，参看课本图本1。大多数的能量以热能的形式被利用。热能的直接应用一一供热、采暖热能的动力应用转化为机械能或电能2 .热力学热力学：一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。工程热力学：研究热能与其他形式能量（丰攀为机帙熊）之间的转换规律及其工程应用，是热力学的工程分支。3 .常见的能量转换装置（1）蒸汽动力装置锅炉内燃机汽油机/柴油机（3）燃气轮机航空发动机、机车（4
2、）蒸汽压缩制冷装置冷库、空调四种装置都是热能与机械能的相互转换。二、课程内容1.基本概念及定律（基础）热力系统、状态参数、平衡态、热力学第一定律、第二定律等等。U（热力学能）、”（始）、S（埼Entropy）、ErH月EXergy）、AnIfAnergy）热力学第0定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。热力学第1定律：热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。热力学第2定律：一切自发实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。热力学第3定律：当趋于绝对零度时，各种物质的熠都趋于零。2 .能量转换过程和循环的分析研究及计算方法（方法）热能6
3、9机械能提高热效率大气中的热能能否利用？抽掉中间挡板是否做功？3 .能量转换过程常用工质的热力性质（工具）水、氧气、空气、氨（制冷剂）4 .化学热力学（第十三章，自学）（补充）燃料的燃烧基础+方法工具+（补充）三、研究方法热力学按研究方法分1 .宏观热力学（经典）宏观热力学：以热力学第第二定律为基础，简化模型，推导公式得出结论，结果可靠。不足：未考虑分析原子结构，无法说明热现象本质及其内在原因。2 .微观热力学（统计）微观热力学：从物质分子运动角度，利用统计学和概率论来找出规律，得出结论，可解释热现象本质。不足：分析复杂，结论不够精确。本课:宏观人力学为主-少数微观力学的方法四、学习方法本课程
4、较为抽象，不易理解。1 .课前预习，难点标出：2 .上课认真听讲，做好笔记：3 .下课复习，结合实例来理解概念，独立完成作业。五、教材使用教材：工程热力学（4版）童钧耕.高教。参考教材：工程热力学（第3版）沈维道、蒋智敏、童钧耕.高教；工程热力学（第3版）华自强、张忠进.高教；工程热力学（第3版）曾丹苓等.高教。答疑考勤：作业：实验=4：4：2平时：期末=3：71-1热能和机械能相互转换的过程热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备）。分为蒸汽动力装置及燃气动力装置，主要介绍内燃机、燃气轮机、蒸汽机。一、内燃机图0-3柴油机示意图燃料在内部燃烧，分汽油机/
5、柴油机。汪克尔转子发动机进气今压缩分作功分排气（四冲程柴油机）应用：汽车、柴油机车、船舶、备用发电机、割草机、弥雾机:（油、气）燃料化学能令热能少机械能二、燃气轮机与内燃机同属燃气动力装置压缩空气+燃料一顾今高温燃气T燃气轮机H作机械功废气应用：航空器、船舶、机车、电厂发电画：（煤、油、核反应）燃料化学能/核能分热能令机械能三、蒸汽动力装置水一幽炉加热B蒸汽一辰丽S过热蒸汽一盛机卜机械功发电一因）蒸汽（乏气）一脸凝器I今水一S蒜I画四分锅炉瓦特1784年改进蒸汽机，第一次工业革命。应用：蒸汽机车、蒸汽船一一蒸汽动力发电（电厂、热电厂）:（煤、油）燃料化学能分热能分机械能（少电能）核电蒸汽动力装
6、置只不过用核反应堆取代蒸汽锅炉，其余一致。四、制冷和热泵装置简单介绍蒸汽压缩制冷装置:3冷藏库蒸气压缩制冷装置小意图（致冷剂）高压常温液体T节流阀降压I今低温液体书匣邈低压蒸汽一叵网）高压蒸汽一瓯噩高压液体应用：冷库、空调陋：消耗机械功（或其他能量）使热量从低温物体流向高温物体。总结：四种装置都是用某种媒介物质从某个能源获取热能，从而具备做功能力并对机器做功，最后又把余下的热能排向环境介质，即吸热一膨胀做功一排热，也即热能与机械能的相互转换。工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源：工质从中吸取热能的物系。冷源：接受工质排除热能的物系。热源和冷源可以恒温也可以变温。1-2热力系统一、热力
7、系统1 .（热力）系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统，简称系统或体系。2 .外界：与系统发生.质能交换的物体。3 .边界：系统和外界之间的分界面。边界可实可虚，可定可动。系统：教室内；外界：教室外；边界：墙、门、窗。酗切实可虚：教室开关门：可定可动：膨胀的气球二、系统的分类根据系统和外界之间物质、能量的交换情况分：1 .闭口系统（控制质量）物质交换和外界只有能量交换没有物质交换。图11闭口系统示意图2 .开口系统（控制容积、控制体）物质交换和外界既有能量交换又有物质交换。此变化是在某一固定空间范围内。3 .I绝热系统I能量交换和外界间没有砂罩交换。例如：密闭容器内放一蜡烛；不加
8、热的爆米花机。4 .孤立系统能量交换和外界既无能量交换又无物质交换。孤立系统：宇宙？把研究对象和与之发生质能交换的物系放在一起就是孤立系。画1 .闭Il系统内质量恒定，系统内质量恒定则一定是闭口系统。2 .开口系统中与外界有物质交换，物质与睡不可分割，所以开口系不可能是绝热系统。三、系统的选取取决于分析问题需要及分析方法的方便，同一物体在不同问题下会选为不同的系统。内燃机整个内燃机（开口系统）；热功转化（闭口系统）四、简单可压缩系工质为可压缩流体，且系统与外界可逆的功交换?有侍秋变化切（膨胀功或压缩功）一种形式，该系统称为简单可压缩系。常见热力系由可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等）构成；不可压
9、缩流体：水等液体。1-3工质的热力学状态及基本状态参数一、热力学状态：1 .定义：宏观物理状况，称为热力学状态，简称状态。工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的2 .状态参数：描述工质所处热力学状态的宏观物理量。状态参数反映了工质大量分子运动的宏观平均效果。基本状态参数P、匕了可用仪器直接测量得到。常用状态参数：p、V.T、U.H、S状态参数是热力系统的状态的单值函数，其值取决于给定状态，与到达此状态的途径无关，所以状态参数的全微分积分为0,即“伙=0。P、7与系统质量无关，为强度量。匕U.H、S与系统质量成正比，为广延量，具有可加性。广延参数用大写字母，其比参数用小写字母。二、基本状态参数1
10、.温度TK物体冷热程度的标志。标志物质分子热运动的激烈程度。定义基础热力学第。定律：两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两系统彼此也必然处于热平衡。经验温标：由选定的任意一种测量物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标。热力学温标：把水的三相点的温度，即水的固相、液相、气相平衡共存的温度作为单一基准点，规定为273.16Ko摄氏温度Z=7273.15T-273摄氏温度/与热力学温度T只是零点取值与单位不同。2 .压力pPa、MPa（压强）单位面积上的垂直作用力。表压力p,真空度p“环境压力必。我压、真空发利绝对东力的关系示意图P=Pb+pc=Pb-PV压力用压力计（真空计）来
11、测量，真实压力（绝对压力）与环境介质压力（PQ的差。大气压力会随纬度、高度、气候、天气变化而变，即使绝对压力不变，表压力或真空度也会变。常用单位：巴Ibar=IooOOOPa:标准大气压Iatm=101325Pa；工程大气压1at=98066.5Pa；10米水柱的压力受米汞柱1mmHg=1333224Pa；亳米水柱1mmH2O=9.80665Pa。当绝对压力很大时，可视大气压力为常数。3 .比体积及密度V=V7m=1/Pm3kg、，、P不互相独立。网P321-11-1华氏温标规定，在标准大气压（101325Pa）下纯水的冰点是32F,汽点是212F（F为华氏温电温度单位的符号）。试推导华式温度
12、与摄氏温度的换算关系。解：（通常温度级的感应原件的某种物理量是温度的线性函数0）t=atc+b代入（0,32）和（100,212）解得a=1.8,b=32（t）=1.8tr+32网类似P331-7使用原理测量锅炉烟道中真空度时常用斜管压力计。如图所示，若角为30,液柱长度/=200mm,且压力计中所用液体为煤油，其密度为800kg,试求烟道中烟气的真空度为多少mmH2（4C）。斜管压力计I：作示意图解：真空度可以表示为V=心，即有PV=。油gAh曲=水8水得：4.=-it,=-sina=-200sin30o水夕水XlQ水I（XM）=80mmH2O(4C)画某烟囱高30m,其中烟气的平均密度为0
13、.735kgm3o若地面大气压力为0.1MPa,温度为20,现假设空气密度在烟囱高度范围内为常数，试求烟囱底部的真空度。解：设地面大气压力为，烟囱底部的烟气压力为p,则在烟囱顶部处有P-夕烟=Pl-P及gh烟囱内底部真空度pv=Pb-P=-。烟)gh=yy-Pw(100OOO八IEOD=0.7359.8130=133.5PaV287.1-293)作业：12,L9课后自做，下节讲解1-4平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态1 .平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态。热力平衡热的平衡：没有热量的传递；力的平衡：各部分之间没有
14、相对位移：化学平衡。2 .平衡状态的特点：(1)在不受外界影响下，平衡不会自发的破坏;(2)处于不平衡的系统,在不受外界影响时，会自发的趋于平衡;(3)单相工质处于平衡状态时,在忽略重力的影响下，其内部性质均匀一致。对于气液两相并存的热力平衡系统,气相和液相密度不同，所以整个系统不是均匀的。均匀非平衡状态之必要条件。酗当热力学系统的状态不随时间而改变时，称为系统处于稳定状态,试分析稳定状态和平衡状态是否相同？否稳定状态状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。稳定导热：热量通过金属杆传递，对于金属杆组成的系统，
15、经过一定时间后金属杆任意一点的温度将是定值，可认为达到稳定状态，但金属杆不处于平衡状态。酗当热力学系统内的温度和压力等状态参数均匀一致时，称为系统处于均匀状态,试分析均匀状态和平衡状态是否相同？否气液并存的平衡水和水蒸气组成的系统，不受外界的影响，系统的宏观性质不随时间变化，处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。所以系统平衡不一定均匀。平衡必稳定，稳定未必平衡：平衡不一定均匀，均匀一定平衡。简单可压缩系只要有两个独立的状态参数即可确定一个状态。两个系统状态若相同，则其所有状态参数都一一对应。二、状态方程式1.状态方程式对于简单可压缩热力系统,当其处于热平衡状态时,各部分具有
16、系统的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定关系式，这样的关系式叫做状态方程式。F(.p,v,T)=0或(p,v),P=P(VH),v=v(p,T)(热能令机械能，通过工质膨胀做功实现，工质应具有显著的涨缩能力，即其体积随着温度、压力有较大变化。)2.理想气体状态方程式(克拉贝龙方程式)pV=nRTfpv=RrT,pV=mRfiTt)单位：摩尔气体常数RJ(molK)8.3145气体常数RgJ(kgK)RM=287气体常数R=JLr=JL,M为摩尔质量(kgmol)*mM阿伏加德罗定律：同温同压下各种气体的摩尔体积相同。三、状态参数坐标图任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意一
17、点都相应于系统某一确定的平衡状态。p-W压容）图；T-S（温端）图；小s（玲谪）图状态在py图上的衣示只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示，非平衡状态其系统各部分的物理量一般不相同，无法在坐标图上表示。1-5工质的状态变化过程一、（热力）过程定义：热力学系统从一个状态出发经过一系列中间状态而变化到另一状态所经历的全都状态的综合。平衡热平衡/力平衡处于平衡状态的热力学系统发生状态变化都是平衡遭受破坏的结果。一切热力过程经历的都是不平衡状态。不平衡状态的状态参数难以用简单的数值表示，不能用状态方程式表示其关系。二、准平衡过程为便于分析，引入一种理想的热力过程。1 .定义：过程进行的相对缓慢,
18、工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓驰豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态,那么这样的过程就叫做准平衡过程，又称为准静态过程。准平衡过程认为：192过程中活塞位移6x（微量）无限小，气体恢复平衡状态时间非常短，随时都不致显著离开平衡状态，我们可认为气体始终处于平衡状态，整个过程为准平衡过程。压差作用下实现准平衡过程的前提条件:压差无限小pO,p-（p+）0A温差作用下实现准平衡过程的前提条件：温差无限小ATO,T-tx0准平衡过程一定是温差和压差无限小。2 .准平衡过程在坐标图上的表示由于为平衡状态，所以准平衡过程可在图上用实线表示，非准平衡过程在图
19、上只能用虚线表示。三、可逆过程1 .可逆过程完成某一过程后，有可能使工质沿相同的路卷逆狂而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦同复到原来状态而不留下任何改变，这一过程称为可逆过程。2 .可逆过程与准静态过程的关系可逆过程一定是准静态过程,反之不一定。不存在任何耗散效应的准静态过程是可逆过程。耗散效应：比如因摩擦产生功变热。实际过程都是不可逆的。1-6过程功和热量一、功的热力学定义力学上功的定义：W=QArI重力势能I没有边界热力学定义：热力学系统通过边界传递的能量,且其全部效果可表现为举起为物。功的正负:热力学中约定对外做功为正。W单位：焦耳U=INm比功W=m二、可逆过程的功膨胀至
20、IoOOCm3。气体膨胀时：（1）压力保持不变；（2）压力和容积的函数关系式保持pV=p1V1o试求这两种过程中气体所作的功，并利用PR图上过程曲线下的面积进行比较。解：p=4MPa,=500106mV2=100OX10-6m3(I)W1.,=2pV=p(V2-V1)=2000J说明：气体初终态相同，途径不同，功也不同。(2)叫=fPdV=f华dV=In向=136J功V=FdX=PAdx=pdV过程功r12=JpdV比功咋2=JPdV功为过程量，路线不同时，所作的功也不一样。（可逆过程中，P变化甚小，近似为不变）注意下标，过程量用“12”表示。在pv图上看，阴影面积就为容积变化功。例1-3利用
21、体积为2m3的储气罐中的压缩空气给气球充气，开始时气球内完全没有气体，可忽略其体积，气球弹力忽略不计，充气过程中气体温度不变，大气压力叱-2二J：PdV只适用于可逆过程，当过程中有耗散效应时（不可逆过程）则不适用。通过工质体积的变化而与外界交换的功称为容积变化功，包括膨胀功、压缩功。外界为大气环境时，膨胀功%2=12（-PoMV=2PdV-0（匕-V1）网设气缸中气体的压力为4MPa,容积由500cm30.9XlO5Pao为使气球充到2,问罐内气体最初压力及气体所作的功为多少？（假设空气满足pV=mRgT）解：气球VI=Om3,=2m3T=T?;结束后：罐内压力=结束后气球内压力=大气压力（1
22、）质量守恒：PmuMs=+匕）,得出PnIin=2小=1.8xl（）5pa（2）储气罐向气球充气过程不可逆,所以不可用考虑气罐体积不变，气球膨胀排斥大气做功，将气球与气罐看作一个系统，系统对大气做功W=p0（V2+）-Vi=1.8IO5Pa真空做功，P31思考题1-12三、过程热量Q矶单位质量传递热量，非比热）定义：热力学系统利外界间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。过程量分子运动快慢令分子碰撞今分子动能）热量单位：焦耳JkJ非法定:卡路里Callcal=4.I868J（定义为Iatm下，Ikg水温度升高ItC（14.5C-15.5C）所需要的热量）y=pdv（可认为是压差）推导出热量的而
23、SQ=TdS，Sq=Tds。”2=颁St吸热；S2VSl,放热。热量与功的区别：热量：紊乱的分子运动，传热过程没有能量转化。功：有规则的微观/宏观运动，伴随能量形态的变化。功转变为热量是无条件的（全部效果表现为举起重物）；热量转变为功则是有条件的（由于有温差）。热量与热能的区别：热量是过程量，只存在于过程中；热能是分子热运动所具有的能量，可存在于物体中。1-7热力循环（内燃机必须连续不断的作功，为此，工质经过一系列变化后，排到大气中又被吸入，为便于分析，将燃烧过程看作一个热力过程。排气分冷却今吸气今作功今排气）一、循环定义：系统由初始状态出发，经过一系列中间状态后，重新同到初始状态所完成的一个
24、封闭的热力过程称为热力循环,准静态过程的循环可在R，7图上表示。图中面积为循环所做的功及与外界传递的热量。经济性指标=得到的收获 花费的代价二、循环分类（结合图理解）1 .正向循环：（热动力循环）顺时针，热能转变为机械能，使外界得到功。3*循环净功“一T一工质吸热量2 .逆向循环：（制冷/热泵循环）逆时针，将热量从低温热源传给高温热源，消耗功，可得到热。制冷系数E=幺=工质吸热量wnel循环净功热泵系数=也=工质放热量Ww循环净功作业：1-13,1-21,1-232-1热力学第一定律的实质一、能量守恒与转换定律自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一种能量形态转换为另一种能量
25、形态，转换中能量的总量守恒。热力学第一定律就是能量守恒及转换定律在热现象中的应用。二、热力学第一定律的表述1 .热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。2 .热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时必产生相应量的功：消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。3 .热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。4 .第一类永动机是不可能制成的。第一类永动机：企图不消耗能量而获取机械动力的所谓的永动机。小鸟自动喝水，木牛流马。第二类永动机：单一热源吸热并将之全部转化为功的所谓的永动机。第五章介绍2-2热力学能和总能一、热力学能u
26、（内能）（比热力学能）热力学能：系统内部各种形式能量的总和。对于气体分子，热力学能的组成：1 .平移运动；2 .多原子分子的旋转运动和振动：3 .分子的内位能：4 .分子化学能：5 .原子能：6 .电磁能。热力学能是一个状态参数，所以有：U=f（p,T）iU=f（v,T）：w=（v）3.jdu=Oc二、总能E6（比总能）总能量E包含内部储存能（即热力学能）和外部储存能（即系统宏观动能反及位能多）。E=U+Ek+Epe=u+ek+ep2-3能量的传递和转化一、做功和传热能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式：作功、热传递。作功令宏观位移（气球）热传递）不需要宏观位移，本质为分子运动。对于热动装
27、置来说，热能变成机械能的过程由两个过程组成：（I）能量转化的热力学过程；（2） 单纯的机械过程。二、推动功和流动功功：1.与界面移动有关的功（膨胀功、压缩功）；2.工质在开口系中流动而传递（推动功）。推动功：在进出口界面上，为推动工质进、出系统所传递的功。对于开口系统，入口出口均有推动功，推动功之差Apv）-P2V2-0匕,为流动功,是系统为维持工质流动所需要的功。工质流入A缸，推动活塞移动A/,做功pAA/=pV=mpv，推动功就为，印打1kg工质的推动功为pv.开口系统与外界交换的功为膨胀功与推动功之差，VV-（P2V2-P1V1）02-4焰一、焰热工计算中经常用到u+v,在这里定义状态焰
28、为H=U+pVI力=+dh=du+d(pv)单位J,由于给满足状态参数的定语，所以焰是一个状态参数，可以表示为其余任意两个独立状态参数的函数,如:h=f(p,T),A=(v.T)同样的有，劭=O某一确定的平衡状态卜始是定值，与到达此状态的路径无关(状态参数的特征)。二、焰的意义焙是流动工质移动时随工质一起转移的能量，Ikg工质通过一定界面进入热力系统时，将存储于它内部的热力学能，以及从外部功源获得的推动功方带入系统，其总能量为+py。热力设备中，工搂动而转移的能量为烯h而不是热力学能结合推动功理解。不是工质储存的能量。2-5热力学第一定律的基本能量方程式一、热一定律最基本公式对于某一热力系统，
29、热力学第一定律可写为:进入系统的能量一离开系统的能量=系统中存储能量的增加。即能量in能量OUt=能量憎二、闭口系统能量方程式对于闭口系统(见图),有Q-W=E,闭口系统一般不作整体平移，Ek=Ep=O,则有Q-W=AU=%，即Q=AU+W,4=+卬微元过程Q=dU+W的=血+苏，土号规定：系统吸热为正，放热为负；系统对外界作功为正，外界对系统作功为负。意义：闭口系统在热力过程中从外界接受的热量，一部分用于增加系统的热力学能，另一部分用于对外界作功。Q=AU+W公式可用于可逆或不可逆过程的闭口系，气液均可。用于不可逆过程时，初始状态及终了状态务必是平衡状态，以便确定热力学能。三、闭口可逆过程能
30、量方程式因为可逆过程狒=pdv所以有Q=AU+JpdV,=w+pdv微兀过程SQ=dU+pdVq=du+pdv四、热力循环中热力学第一定律表达式经历一个热力循环时,工质状态不变，循环净热量=循环净功，即SQ=W或Qnfl-Wnfl单位：J、kJlW=Us=3.6kJh例一台IOkW柴油机，耗油量2kg小时，试求废气及冷却水每小时排出的热量？解：柴油发热量为44000kJkg,根据Qi-Q2=W得QlW-Qi=4000J2-10W3600=52000kJ网人体在静止情况下，每小时向环境散发的热量为418.68kJ,某会场可容纳500人，会场的空间为400Om3。己知空气的密度1.2kgm3,空气
31、的比热容为1.0kJ(kg-K)o若会场空气温度允许的最大温升为15,试求会场所用空调设备停机时间最多可允许多少分钟？解：500人每小时向环境散发的热量为Q=500X418.68=2.09310Jlh会场空气所允许获得的最大热量为Qnax=pVcz,=l.240001.01.5=0.72105V则空调设备停机所允许的最长时间为Qma、0.72IO5八.TmaX=0.344h=20.6minmaxQ2.093IO5网P572-4气体在某一过程中吸收了50J的热量，同时热力学能增加84J,此过程为膨胀过程还是压缩过程？对外做功多少？解：Q:50J,U=U2-Ui=84J,Q=AU+WW=e-t=5
32、0-84=-347负号说明外界对系统作功，此过程为压缩过程，对外做功34J。2-6开口系统能量方程式一、连续性方程式dm=dmutdtnhlddd/.(质量流量，kgs)说明：单位时间内开口系统中工质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。质量守恒定律二、开口系统能量方程式分析之前，先简化模型，假设工质在同一截面上的流速相同。在d的时间内系统进行的一个微元过程中，质量为加I(体积,化)的微元工质经进口截面流入，而质量为内2(体积dL)的微元工质经截面2-2,流出；同时系统从外界接受热量60,对外输出轴功SW(当机械损失为0时，内部功等于对外输出的轴功)。系统内工质质量增加了叫小系统的总能量
33、增加了d品，。能量in能量out=能量增(E1+PQK+6Q)-(dE2+p2dV2+刎)=dEcv将dE=dU+dEk+dEp=dU+J(mc1f)+d(mgz)代入，得Q=dEcv+m2(u2c2+gz2)+p2v2(wlic)1+z1)+p1v1+Jl.将=+py代入，则有Q-dEcv+m2(h2+cj2+gz2)一mx(1+C1+gzl)+Vi单位时间c/z内，有QdEcvSm、.2、学=-l+T(h,+%+gz,)ddd工J,即一察g-Z,)+华=隼L+4吗(他+*；2+心)热流量；如质量流量；忆轴功功率。当没有位能及动能变化时，上式可化为Q=Ecv+m2h2一/+叱g一台锅炉每小时
34、生产水蒸气401,已知供给锅炉的水的熔为417.4kJkg,而锅炉生产的水蒸气的熔为2874kJkgo煤的发热量30()(X)kJkg.若水蒸气和水的流速及离地高度的变化可忽略不计，试求当燃烧产生的热量用于产生水蒸气的比率即锅炉效率为085时，锅炉每小时的耗煤量。解：每小时锅炉耗煤切kg,Q,”为煤发热量，根据能量平衡(功为0)有Q=H汽-H格=MQrl即（2874-417.4）40I03=0.851130000解得w=38535kg三、稳定流动能量方程1 .稳定流动过程对于一个开口系统来说，除了系统和外界间传递的热量和功量保持稳定不变外，在系统内各处及进口、出口截面处，工质的热力学状态和流速
35、、流量均保持不变。这种过程称为稳定状态稳定流动过程，或简称稳定流动过程。反之为不稳定流动。（热力系统的启动加速等变工况）2 .稳定流动的特点系统质量流量不变受=Qm-Qm2=,即%，in=0”.out系统内总能不变（热力学参数不变）&=0，即d%v=0,ECV=常数d以上两特点为稳定流动的必要条件3 .稳定流动能量方程式小dEcv.12、=+/2(2+P2V2+-Cf2+gz2)+PM+g+gz)+E将必生=0,/2=4m代入，得到=+P2V2+；的2+2)-(ttl+P1V1+gz)+Pi两边同除以，(S”质量流量，kgs)q=A”+(pv)+；cJ+gz+wi=(w+pv)+；cj.+gz
36、+wi=A?+gcJ+gz+;上式适用条件：稳定流动四、稳定流动能量方程式分析1 .轴功稳定流动时，有q-=3cJ+gz+(pv)+wi将可逆过程能量方程式夕-=/P八代入，有轴功吗=（pdv-cJ+z+（pv）l轴功=容积变化功一（动能+势能+流动功）（上式适用于可逆过程。对于开口稳流系统，可以将系统内工质作为闭口系研究，进入的微元工质也作为闭口系研究，即可得到开口稳流系统与闭口系统是等价的。）稳定流动过程中开口系统所作的轴功，是工质受热而得到的相当于容积变化功的机械能，在扣除了推动工质流动的净推动功以及增加流动动能、重力位能之后，通过边界输出的功。2 .技术功wi技术功wt=+gAz+wi
37、是工程上直接可以利用的机械能可得开口稳流系能量方程式g=M+%。动能势能可忽略时，叱=%，代入轴功公式h;=Jpdv-（pv）=-Jvdp（适用于可逆过程）开口稳流系能量方程式可化为q=dh-vdp（plvl+Jpdv=p2v2-vdp,结合图理解）压力增大，技术功为负（压气机，对内作功）;压力减小，技术功为正（汽轮机，对外作功）。五、可逆过程能量方程式（二）闭口可逆过程q=du+pdv，开口可逆过程有的=da-ufj,且z=+pu,则=+pdv-dh-vdp闭口可逆系统用前半部分，开口稳流可逆系统用后半部分。2-7能量方程式的应用一、实例1 .动力机汽轮机、燃气轮机等。进出口动能差很小C常数
38、；对外界的热损失较小q=0;位能差不大，可忽略z。常数，得：Wi=hl-h2=W1即轴功全部用来变为技术功。2 .压气机涡轮机、压气机特点：夕=0,C,=常数，Za常数得wl=-A=-h2焙降对外输出轴功；焙增消耗轴功。3 .换热器（传递热量）锅炉、燃烧室、太阳能集热器、空气加热器、热水器、冷却器及散热器等各种热交换器。和外界有热量交换，没有功交换。特点：Wj=0，C常数，z常数代入g=M+gz+wi得g=M=2-A1焰增吸热，熔降放热。4 .喷管（扩压管降速增压）降压增速，焰降特点：g=0,wi=0z7ft，数得4-=；（K）5 .绝热节流节流：工质流过管道中截面突然缩小的部分而发生压力降低
39、的现象绝热节流：热量为0的节流过程。特点：q=0,叱=0，C常数，ZK常数M=O,即刈=41-1到2-2存在摩擦和涡流，过程不可逆，1-1和2-2界面的焰值相等，即绝热节流前后焰值相等。但节流过程不是一个等给过程。二、例题解题思路1 .确定分析对象，选择相应系统2 .选取相应能量方程式3 .代入已知条件求解i:已知新蒸汽流入汽轮机时熔加=3232Hkg,流速11=50ms,乏气流出汽轮机熔力2=2302kJkg,流速=120ms,散热及势差忽略，求每千克蒸汽流经汽轮机对外所作的功。若蒸汽流量10th,求汽轮机的功率。解：系统为开口系稳定流动，方程为已知q=0，z=0,得wl=(hi-)+(-c
40、j2)=(3232-2302)+-(5O2-1202)10002=930-5.95=924.05JW=js=3.6kJhE=心.吗=10x1()3,924o5+3.6=2.567XIO6W=2567kV瓯：有一储气罐，初始时其内部为真空，现连接于输气管道进行充气。假设输气管内空气的状态始终保持稳定，其焰为人经过丁时间的充气后，储气罐内空气的质量达到，加，试求此时储气罐内空气的热力学能乩。作业:2-7、2-13、 2-18. 2-19解：储气罐内为一个稳定流动开口系，方程为薪Lf小X队即延E=q,%=gwtAr,Ecv=UaUo=/r=r=小-h方法&-%=%得到/一O=U。，BP0=；Woa而
41、:课本P51例2-3已知输气管内气体参数p=4MPa,=30eC,=303kJkgo设其为理想气体，=072T(kJkg),气体常数Rg=287J(kgK),现将In?真空容器与输气管连接，打开阀门充气直至容器内压力为4MPa0充气过程中输气管气体参数不变，问充入气体多少千克？(气体满足状态方程式pV=mRliT)解：错误解法=-，匕=XRvT正解根据上题，Uo=%方，得A=%，充气完成后容器内气体温度T=-!-=-=420.83K0.720.72PV4106lqqio,m=-=33.12KsRT287x420.83说明：容器内气温420.83K管道内气温303.15K,原因：结变为热力学能。
42、本题中：热力学能+推动功今热力学能3-1理想气体的概念一、理想气体模型理想气体是一种实际不存在的假想气体。(两个假想条件将分子运动简化，其弹性碰撞没有功能损耗。)理想气体两个假想条件：(1) 分子是具有弹性的，不具有体积的质点;(2) 分子间相互没有作用力。气体在什么条件下可将其视为理想气体？斯温低.时，密度小，比体积大，单位空间内分子数少，满足两个假想条件。(p0,To)通常温度压力下：。2、N2、空气、燃气可视为理想气体：水蒸气、制冷剂则不可视为理想气体，需查图标确定：空气中的水蒸气因为分压力较小，可视为理想气体。二、理想气体状态方程式(克拉贝龙方程式)pV=nRT,PV=RKT,pV=f
43、nRfiT,PVln=RT。(摩尔体积Vm=Wn)单位：摩尔气体常数RJ(molK)8.3145气体常数RgJ(kgK)Rg,片287摩尔体积Vmm3molVft=0.0224141根据阿伏加德罗定律：同温同压下各种气体的摩尔体积相同。求标准状态下的摩尔体积：Vm=RlTlp;Vm=R2T2p2Ri=R2=R代入标准状态参数，po=101325Pa;7b=273.15K求得=0.0224141m3mol)M为摩尔质量(kgmol)气体常数R=NrJ,gmM对于空气，MW=O.02897kg/molRg,=287J(kgK)网某台压缩机每小时输出3200m表压力pe=0.22Mpa,温度T=429K的压缩空气，当地大气压力pb=765mmHg,求压缩空气的质量流量qm，以及标准状态下的体积流量如0。解：将空气看作理想气体，=外+%=756X133.3224xIO6+0.22IO6=0332MPaqqP=&=端=836910,kgVR11Tq%o/PUP，=-=成为P。T办=-Qv=6471J/hPo3-2理想气体的比热容一、比热容Ikg物质温度升高IK所需要的热量可逆过程中定义：比定容热容Cy=(那)y必定压热容C/,=(募),由的=+pdv-dh-vdp得
