《工程热力学》电子讲稿-all - 图文

第0章 绪论

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。

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??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？

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0-1。

大多数的能量以热能的形式被利用。 热能的直接应用——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（主要为．．．

机械能）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 (2) 内燃机 汽油机 / 柴油机 (3) 燃气轮机 航空发动机、机车 (4) 蒸汽压缩制冷装置 冷库、空调

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：以热力学第一第二定律为基础，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。

四种装置都是热能与机械能的相互转换。

不足：分析复杂，结论不够精确。

本课：宏观热力学为主+少数微观热力学的方法

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）、H（焓）、S（熵Entropy）、Ex（Exergy）、An（Anergy）

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，各种物质的熵都

四、学习方法

本课程较为抽象，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：①工程热力学(第3版)沈维道、蒋智敏、童钧耕.高教；

②工程热力学（第3版）华自强、张忠进. 高教； ③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= 3：7 1/44

第一章 基本概念及定义

1-1 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

水—锅炉加热?蒸汽—过热器?过热蒸汽—汽轮机?机械功发电—水?蒸汽（乏气）—冷凝器?水—给水泵加压?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——? 蒸汽动力发电

（电厂、热电厂）

实质：（煤、油）燃料化学能?热能?机械能（?

燃料在内部燃烧，分汽油机/柴油机。汪克尔转子发动机 进气?压缩?作功?排气 （四冲程柴油机）

电能）

核电蒸汽动力装置只不过用核反应堆取代蒸汽锅炉，其余一致。

应用：汽车、柴油机车、船舶、备用发电机、割草机、弥雾机

实质：（油、气）燃料化学能?热能?机械能

四、制冷和热泵装置

简单介绍蒸汽压缩制冷装置：

二、燃气轮机

与内燃机同属燃气动力装置

（致冷剂）高压常温液体—节流阀降压?低温液体—冷库吸热?低压蒸汽—压气机?高压蒸汽—冷凝器?高

压缩空气+燃料—燃烧?高温燃气—燃气轮机?作机械功?废气

压液体

应用：冷库、空调

实质：消耗机械功（或其他能量）使热量从低温物体流向高温物体。

应用：航空器、船舶、机车、电厂发电 实质：（煤、油、核反应）燃料化学能/核能?热能?机械能

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—膨胀做功

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三、蒸汽动力装置

第一章 基本概念及定义

—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。

3. 绝热系统 能量交换 和外界间没有热量交换。 ．．

例如：密闭容器内放一蜡烛；不加热的爆米花机。

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

1-2 热力系统

一、热力系统

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。 思考 可实可虚：教室开关门；可定可动：膨胀的气球

的物系放在一起就是孤立系。 判断 1.闭口系统内质量恒定，系统内质量恒定则一定是闭口系统。 3 qin=qout

2.开口系统中与外界有物质交换，物质与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系统。

3

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)

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

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．．．．．

交换只有体积变化功（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；不可压缩流体：水等液体。

和外界只有能量交换没有物质交换。

1-3 工质的热力学状态及

基本状态参数

一、热力学状态：

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。

1. 定义：

工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观物理状况，称为热力学状态，简称状态。 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、V、T可用仪器直接测量得到。 常用状态参数：p、V、T、U、H、S

3/44 第一章 基本概念及定义

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?dx?0。

p、T与系统质量无关，为强度量。

V、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。

工程大气压 1 at = 98066.5 Pa； 10米水柱的压力 毫米汞柱 1 mmHg =133.3224 Pa； 毫米水柱 1 mmH2O=9.80665 Pa。

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 = V/m =1/ρ

v、ρ不互相独立。

m3/kg

例 P32 1-1

1-1华氏温标规定，在标准大气压（101325Pa）

二、基本状态参数

1. 温度 T

K

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。 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。

下纯水的冰点是32℉，汽点是212℉（℉为华氏温电温度单位的符号）。试推导华式温度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。） {t}℉ = a{t}℃ + b

代入（0，32）和（100，212） 解得a=1.8，b=32 {t}℉ =1.8{t}℃ + 32

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273.16K。

摄氏温度 t=T-273.15≈T-273 ℃

摄氏温度 t与热力学温度T只是零点取值与单位不同。

例 类似 P33 1-7 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l＝200 mm，且压力计中所用液体为煤油，其密度为800 kg/m3，试求烟道中烟气的真空度为多少mmH2O(4℃)。

2. 压力 p Pa、MPa

（压强）单位面积上的垂直作用力。

表压力pe，真空度pv，环境压力pb。

解 ：真空度可以表示为pv??g?h，即有

p= pb + pe = pb - pv

压力用压力计（真空计）来测量，真实压力（绝对压力）与环境介质压力（pb）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

1 bar =100000 Pa；

得：

pv??油g?h油??水g?h水

?h水??油? 800?h油?油l?sin??200?sin30??水?水1000 =80 mm H2O (4℃)

例 某烟囱高30 m，其中烟气的平均密度为

0.735 kg/m3。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pb，烟囱底部的烟气压力为p，则在烟囱顶部处有 4/44

标准大气压 1 atm =101325 Pa；

第一章 基本概念及定义

p??烟gh?pb??空gh

烟囱内底部真空度

思考 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？

? 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。

?p?pv?pb?p???空??烟?gh??b??烟?gh?RT? ?g??100000????0.735?9.81?30?133.5Pa?287.1?293? 否

作业：

1-2，1-9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：各部分之间没有相对位移；化学平衡。

★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T=T（p,v），p=p（v,T），v=v（p,T）

（热能?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. 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。

思考 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。

2. 理想气体状态方程式（克拉贝龙方程式） pV=nRT，pv=RgT，pV=mRgT。

单位：摩尔气体常数R J/(mol2K) 8.3145

气体常数 Rg J/(kg2K) Rg,空=287

气体常数R?nR?R，M为摩尔质量（kg/mol） gmM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点都相应于系统某一确定的平衡状态。

稳定导热：热量通过金属杆传递，对于金属杆组成的系统，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。

p-v(压容)图；T-s(温熵)图；h-s(焓熵)图

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第一章 基本概念及定义

1?2?3 过程是不平衡的，只能用点表示。 准平衡过程认为：

1?2过程中活塞位移δx（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：

★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。

温差无限小 ?T?0，T?Text?0 准平衡过程一定是温差和压差无限小。 压差无限小 ?p?0，p?(pext?F)?0 A温差作用下实现准平衡过程的前提条件：

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部状态的综合。 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。

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径逆行而恢复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回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。

★ 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，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。

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?F??x 重力势能 没有边界

热力学定义：热力学系统通过边界传递的能量，

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且其全部效果可表现为举起重物。

第一章 基本概念及定义

功的正负：热力学中约定对外做功为正。 单位：焦耳 1J=1N2m 比功 w?W m二、可逆过程的功

p1=4MPa，V1=500310-6m3，V2=1000310-6m3 （1）W（2）W1?2??pdV?p(V2?V1)?2000J

121?2

功?W?F?dx?p?A?dx?p?dV 过程功 W1?2?pdV，比功w1?2?pdv

??12??pdV??1221Vp1V1dV?p1V1ln2?136JVV1

★说明：气体初终态相同，途径不同，功也不同。

2例1-3 利用体积为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0.93105Pa。为使气球充到2m3，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）

1★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“1-2”表示。在p-v图上看，阴影面积就为容积变化功。

★W1?2??2解：气球V1=0 m3，V2=2 m3，T= T2；

结束后：罐内压力=结束后气球内压力=大气压力 （1）质量守恒：

1pdV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

pminV罐RgT?p2(V罐?V2)，得出RgT2pmin?2p2?1.8?105Pa

（2）储气罐向气球充气过程不可逆，所以不可用W1?2??pdV计算功。

12W1?2??(p?p0)dV??pdV?p0(V2?V1)

1122例设气缸中气体的压力为4MPa，容积由500cm3膨胀至1000 cm3。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?p1V1。试求这两种过程中气体所作的功，

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?V罐)?V罐]?1.8?105Pa

真空做功：P31思考题 1-12

并利用p-v图上过程曲线下的面积进行比较。

解：

三、过程热量Q q(单位质量传递热量，非比热)

定义：热力学系统和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?分子碰撞?分子动能?热量 7/44

第一章 基本概念及定义

单位：焦耳 J kJ 非法定:卡路里cal

1cal=4.1868J（定义为1atm下，1kg水温度升高1℃（14.5℃-15.5℃）所需要的热量）

一、循环

定义：系统由初始状态出发，经过一系列中间状态后，重新回到初始状态所完成的一个封闭的热力过程称为热力循环，简称循环。

?w?p?dv （可认为是压差）?推导出热量的公式 ?Q?T?dS，?q?T?ds

Q1?2??TdS，q1?2??Tds

1221

★准静态过程的循环可在p-v，T-s图上表示。

图中面积为循环所做的功及与外界传递的热量。

图中面积表示为可逆过程单位质量的热量。不同路线，热量不同。

(★q为何不叫比热？初中化学，比热容c，1kg物质温度升高1K所需要的热量，J/(kg2K)) 熵S，单位J/K 比熵s，单位J/(kg2K) 熵的正负 吸热为正；放热为负。 ?吸热熵增，放热熵减。

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。 ?t??netq1?循环净功

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??q2?工质吸热量

wnet循环净功只有准静态过程方可在T-s图上表示 s2 > s1，吸热；s2 < s1，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。

热泵系数?'?q1?工质放热量

wnet循环净功

作业：1-13，1-21，1-23

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?冷却?吸气?作功?排气）

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第二章 热力学第一定律

2-1 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、总能 E e (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Ek及位能Ep）。

E＝U＋Ek＋Ep e=u+ek+ep

2-3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?宏观位移（气球）

热传递?不需要宏观位移，本质为分子运动。

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

对于热动装置来说，热能变成机械能的过程由两个过程组成：

（1） 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。

2-2 热力学能和总能

一、热力学能 U (内能) u (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. 2. 3. 4. 5. 6.

平移运动；

多原子分子的旋转运动和振动； 分子的内位能； 分子化学能； 原子能； 电磁能。

★对于开口系统，入口出口均有推动功，推动功之差Δ(pv)=p2v2 - p1v1,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Δl，做功，推动功就为mpv，1kg工质的推p?A??l?pV?mpv动功为pv。

热力学能是一个状态参数，所以有：

u?f(p,T)；u?f(v,T)；u?f(p,v)

开口系统与外界交换的功为膨胀功与推动功之差，w?(p2v2?p1v1)。

9/44

且du?0。

?第二章 热力学第一定律

2-4 焓

一、焓

热工计算中经常用到U?pV，在这里定义状态焓为

则有Q?W??U?U2?U1，即 Q??U?W， q??u?w 微元过程 ?Q?dU??W，?q?du??w

±号规定：系统吸热为正，放热为负；系统对外

H?U?pV h?u?pv dh?du?d(pv)

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??U?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。

单位 J，由于焓满足状态参数的定语，所以焓是一个状态参数，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)，h?f(v,T)

同样的有dh?0

某一确定的平衡状态下焓是定值，与到达此状态的路径无关（状态参数的特征）。

?三、闭口可逆过程能量方程式

因为可逆过程?w?pdv

所以有 Q??U?pdV，q??u?pdv

??12二、焓的意义

焓是流动工质移动时随工质一起转移的能量，1kg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u，以及从外部功源获得的推动功pv带入系统，其总能量为u?pv。 ★热力设备中，工质移动而转移的能量为焓h而不是热力学能u。 结合推动功理解。

焓不是工质储存的能量。

21微元过程 ?Q?dU?pdV，?q?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

??Q???W 或 Qnet?Wnet

单位：J、kJ 1W=1J/s=3.6kJ/h

例 一台10kW柴油机，耗油量2kg/小时，试求

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，热力学第一定律可写为：

进入系统的能量 — 离开系统的能量 = 系统中存储能量的增加。即 能量in — 能量out = 能量增 废气及冷却水每小时排出的热量？

解：柴油发热量为44000kJ/kg，根据Q1-Q2=W得

Q2?W?Q1?44000kJ/kg?2kg?10kW?3600s?52000kJ

例 人体在静止情况下，每小时向环境散发的热量为418.68 kJ。某会场可容纳500人，会场的空间为4 000 m3。已知空气的密度1.2kg/m3，空气的比热容为1.0 kJ/(kg2K)。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?500?418.68?2.093?105kJ/h

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=0,

会场空气所允许获得的最大热量为

10/44

第二章 热力学第一定律

Qmax??Vcp?t?1.2?4000?1.0?1.5?0.72?105kJ

元工质经截面2-2′流出；同时系统从外界接受热量δQ，对外输出轴功δWi(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δm，系统的总能量增加了dEcv。 能量in — 能量out = 能量增 ?

(dE1?p1dV1??Q)?(dE2?p2dV2??Wi)?dECV

2将dE?dU?dEk?dEp?dU?d(1 2mcf)?d(mgz)则空调设备停机所允许的最长时间为

?max?Qmax0.72?105??0.344h?20.6min 5Q2.093?10例 P57 2-4

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?U1=84J，

Q??U?W W?Q??U?50?84??34J

代入，得

2?Q?dECV??m2[(u2?12cf2?gz2)?p2v2]负号说明外界对系统作功，此过程为压缩过程，对外做功-34J。

??m1[(u1?c?gz1)?p1v1]??Wi122f1

将h?u?pv代入，则有

2-6 开口系统能量方程式

一、连续性方程式

dmdmoutdmin??d?d?d? qm(质量流量，kg/s)

?qmin?qmout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。

2?Q?dECV??m2(h2?12cf2?gz2)??m1(h1?c?gz1)??Wi122f1 单位时间d?内，有

?QdECV?m22??(h2?12cf2?gz2)d?d?d?，即

?Wi?m2?1(h1?12cf1?gz1)?d?d???dECV2?qm2(h2?12cf2?gz2) d?2?qm1(h1?1i2cf1?gz1)?PΦ热流量；qm质量流量；Pi轴功功率。 当没有位能及动能变化时，上式可化为 dECV?qm2h2?qm1h1?Pi 或 d?Q??ECV?m2h2?m1h1?Wi ??例 一台锅炉每小时生产水蒸气40 t，已知供给锅炉的水的焓为417.4 kJ/kg，而锅炉生产的水蒸气的焓为2 874 kJ/kg。煤的发热量30 000 kJ/kg。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0.85时，锅炉每小时

在d?的时间内系统进行的一个微元过程中，质量为?m1（体积dV1）的微元工质经进口截面1-1′流入，而质量为δm2（体积dV2）的微

的耗煤量。

解：每小时锅炉耗煤m kg，Qm为煤发热量，根据能量平衡（功为0）有

Q?H汽?H水??tmQm

即(2874?417.4)?40?103?0.85?m?30000 11/44

第二章 热力学第一定律

解得m=3853.5 kg

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、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 ①系统质量流量不变

dm?qm1?qm2?0，即qm，in?qm，out d?将可逆过程能量方程式q??u??pdv代入，有

121轴功wi??pdv?[?c2 f?g?z??(pv)]122轴功 = 容积变化功 — (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 wt

技术功wt?1?c2 f?g?z?wi2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q??h?wt。 动能势能可忽略时，wt?wi，代入轴功公式

wt??pdv??(pv)???vdp(适用于可逆过程)

1122②系统内总能不变（热力学参数不变）

dECV?0，即dECV?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

dE1??CV?qm2(u2?p2v2?c2f2?gz2)d?2

1?qm1(u1?p1v1?c2f1?gz1)?Pi2开口稳流系能量方程式可化为?q?dh?vdp

将dECV?0，qm2?qm1代入，得到

d?112 ??qm[(u2?p2v2?c2f2?gz2)?(u1?p1v1?cf1?gz1)]?Pi22两边同除以qm, （qm 质量流量，kg/s） q??u??(pv)???(u?pv)???h?12?cf?g?z?wi 2

(p1v1??pdv?p2v2??vdp，结合图理解）

112212?cf?g?z?wi 2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）。

12?cf?g?z?wi 2★上式适用条件：稳定流动

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?q?dh?vdp，且h?u?pv，则?q?du?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。

12/44

四、稳定流动能量方程式分析

1. 轴功 稳定流动时，有

q??u?12?cf?g?z??(pv)?wi 2第二章 热力学第一定律

特点：q?0，wi?0，cf?常数，z?常数

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cf?常数；对外界的热损失较小q?0；位能差不大，可忽略z?常数，得： wi???h?h1?h2?wt 即轴功全部用来变为技术功。 2. 压气机

涡轮机、压气机

特点：q?0，cf?常数，z?常数 得wi???h?h1?h2

焓降对外输出轴功；焓增消耗轴功。 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：wi?0，cf?常数，z?常数 代入q??h?1?c2 f?g?z?wi2

?h?0，即h2?h1

1-1到2-2存在摩擦和涡流，过程不可逆，1-1和2-2界面的焓值相等，即绝热节流前后焓值相等。 ★但节流过程不是一个等焓过程。

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

例1：已知新蒸汽流入汽轮机时焓h1=3232 kJ/kg，流速cf1=50 m/s，乏气流出汽轮机焓h2=2302 kJ/kg，流速cf2=120 m/s，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10 t/h，求汽轮机的功率。 解：系统为开口系稳定流动，方程为

q??h?12?cf?g?z?wi 2已知q?0，?z?0，得

wi?(h1?h2)?12(cf1?c2f2)2 1?(3232?2302)?(502?1202)?10002?930?5.95?924.05kJ/kg得q??h?h2?h1

焓增吸热，焓降放热。 4. 喷管 （扩压管降速增压）

降压增速，焓降

特点：q?0，wi?0，z?常数

2 得h1?h2?1(c2f2?cf1)21W?1j/s?3.6kJ/h

Pi?qm?wi?10?103?924.05?3.6 ?2.567?106W?2567kW

例2：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，其焓为h。经过??时间的充气后，储气罐内空气的质量达到m0，试求此时储气罐内空气的热力学能U0。

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的现象

绝热节流：热量为0的节流过程。

13/44

第二章 热力学第一定律

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

即dECV?qh，m0?qm???，ECV?U

md?U0??qm?hd??qm?h????m0?h

0??★方法2★

Ein?Eout?ECV得到m0h?0?U0，即U0?m0h

例3：课本P51 例2-3

已知输气管内气体参数p1=4MPa，t1=30℃，h1=303kJ/kg。设其为理想气体，u=0.72{T}K（kJ/kg），气体常数Rg=287 J/(kg2K)。现将1m3真空容器与输气管连接，打开阀门充气直至容器内压力为4MPa。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=mRgT） 解：★错误解法

m?pV?...........? RgT★正解

根据上题，U0?m0h，得

u罐?h1，

充气完成后容器内气体温度

T?u罐0.72?h1?420.83K 0.72pV4?106?1m???33.12kg

RgT287?420.83说明：★容器内气温420.83K > 管道内气温303.15K,原因：焓变为热力学能。本题中： 热力学能+推动功?热力学能

14/44

第三章 气体和蒸汽的性质

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。）

qm，以及标准状态下的体积流量qv,0。 解：将空气看作理想气体，

p?pb?pe?756?133.3224?10-6?0.22?10-6

?0.332MPa

qm?qv???

qvqv?p??8.369?103kg/hvRgT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。 思考 气体在什么条件下可将其视为理想气体？ ★高温低压时，密度小，比体积大，单位空间内．．．．分子数少，满足两个假想条件。

（p?0，T?∞）

通常温度压力下：O2、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。

qv,0qvT0?Tp0p?pT0

?p0Tqv,0?pT0??qv?6471m3/h p0T

3-2 理想气体的比热容

一、比热容 1kg物质温度升高1K所需要的热量

可逆过程中定义： 比定容热容cV?(二、理想气体状态方程式 （克拉贝龙方程式）

pV=nRT，pv=RgT，

pV=mRgT，pVm=RT。 （摩尔体积Vm=V/n） 单位：摩尔气体常数R J/(mol2K) 8.3145

气体常数 Rg J/(kg2K) Rg,空=287 摩尔体积 Vm m/mol V0=0.0224141

3

)V

dT?q必定压热容cp?()p

dT由?q?du?pdv?dh?vdp得

?qcV?dhdu，cp?

dTdT上式适用于理想气体可逆过程。

★意义：单位质量的理想气体温度升高1 K时比热力学能增加的数值即等于其比定容热容的值；而比焓增加的数值即等于其比定压热容的值。

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=R1T1/p1；Vm=R2T2/p2 ? R1= R2=R

代入标准状态参数，p0=101325Pa；T0=273.15K 求得V0=0.0224141 m3/mol）

二、迈耶公式及比热容比

迈耶公式

cp?dhd(u?pv)??cV?Rg dTdT★★ cp?cV原因：定压加热还需一部分能量变为膨胀功。

通常根据试验测出cp再计算出cV（cV不易测）。 ★★比定压热容和比定容热容之比称为质量热容比或比热容比，其符号为?(?cpcV)。

M为摩尔质量（kg/mol） 气体常数Rg?nR， R?mM对于空气，M空=0.02897 kg/mol ?Rg,空=287 J/(kg2K)

例 某台压缩机每小时输出3200m3，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

则有：c?1R，c??R，??1?Rg。

Vgpg??1??1cV15/44

第三章 气体和蒸汽的性质

三、用比热容计算热量

1. 真实比热容

表达式c?a0?a1T?a2T2?a3T3??? 2. 平均比热容

q1?2121.967?10?32??cpdT?(28.15T?TM?121.801?10?631.966?10?94600K ?T?T)|300K34?309J/g?309kJ/kg(3) 查附表5 利用插值法

℃27℃ cp|0 cp|3270℃?1.0214kJ/(kg?K)℃?1.0045kJ/(kg?K)q1?2??327℃27℃℃27℃cpdT?cpt|327?cpt|00℃℃

?1.0214?327?1.0045?27?306.88kJ/kg(4)附表7

c|tp0℃h300K?302.29kJ/kg,h600K?609.02kJ/kg

q1?2?h2?h1?609.02?302.29?306.83kJ/kg

c??0t2tpdtt?0

t2t1

00?T2T1cpdt??cpdt??cpdt??cpdtt1

?cp|t02℃?t2?cp|t01℃?t13-3 理想气体的热力学能、焓和熵

一、焦耳实验

3. 定值比热容 简单

为了简化运算过程，常把比热容看作定值，并把25℃时理想气体状态下各种气体的实验数据确定为定值比热容的值。 4. 查热力性质表

★热力性质表及平均比热容表最精确；定值比热容计算误差较大；经验公式误差较小。 例 在空气加热器中，空气的温度从27℃升高到327℃，而压力保持不变。试求加热1kg空气所需的热量：(1)按定值比热容计算；(2)按比热容随温度变化的经验公式计算；(3)按平均比热容表计算；(4)按空气热力性质表计算。 解：热力学第一定律能量方程式

q??h??vdp??h?h2?h1??cpdT

2211

两个有阀门的相连金属容器，放置于一个有绝热壁的水槽中，两容器可以通过其金属壁和水实现热交换。实验前A中充低压空气，B抽成真空。当整个装置达到稳定时先测量水(即空气)的温度，然后打开阀门，让空气自由膨胀充满两容器，当状态达稳定时再测量一次温度。

取低压空气作为研究对象，列闭口系能量方程式Q??U?W

结果空气自由膨胀前后水温不变。即Q=0，

(1)cp?1.004kJ/(kg?K)，?T?300K

q1?2?cp?T?1.004?300?301.2kJ/kg

又W=0。

结论：温度相同，热力学能也相同（即使p，v不同）。

(2)查表

cp,m?28.15?1.967?10?3T?1.801?10?6T2

?1.966?10TM空?28.97g/mol

?93二、理想气体的热力学能和焓

比热力学能u?f(T)是温度的单值函数。 定容过程中，闭口系能量方程式?q?du??w

16/44

第三章 气体和蒸汽的性质

(du)V?(?q)V?cVdT

?s1?2?cplnv2p?cvln2 v1p1u2?u1??cVdT

12说明：

理想气体的熵是一个状态参数，熵变仅与过程始末状态有关，与过程的中间变化过程无关。

比焓h?u?pv?u?RgT?f'(T)是温度单值函数。

定压过程中?q?dh?vdp

(dh)p?(?q)p?cpdT

五、标准状态熵 TdT定义：s0??cp

T0TT0为制表时规定的参考零点的温度 则有

h2?h1??cpdT 12?s1?2T1pdTdT??cp??cp?Rgln2T0T0TTp1T2p0?s2?s10?Rgln2p1

等温线即等u线、等h线。

热工计算中一般只求变化量，不必确定其绝对数值。通常规定T=0K时，u=0，h=0。 可利用热力性质表查得u、h值。

3-4 水蒸气的饱和状态和相图

蒸汽动力装置：18世纪 瓦特 改进蒸汽机。

——最早使用的动力机，水蒸气易于获得，无毒无

臭无污染。

水蒸气特点：有物相变化，不可当作理想气体。

三、状态参数熵

熵的定义ds?(?q)rev，dS?(?Q)rev

TT因为对于理想气体，可逆过程中有

一、水的饱和

1．水的汽化：液?气

蒸发：水表面进行的汽化；

沸腾：水表面和内部同时进行的汽化。

?q?du?pdv?dh?vdp du?cVdT，dh?cpdT，p?dpdvdTc?c?R

??pVgpvTRgTv

2．水的饱和

水的饱和状态：液态水和蒸汽处于动态平衡。 水变气、气变水，动态平衡，速率相等。

则有ds?cVds?cpdTdv ?RgTvdTdp ?RgTpds?cpdvdp ?cVvp22dTdvT2v2 cV??Rg?cln?RlnVg1TvT1v1

此时气液温度相同（压力不同），温度为饱和温度Ts，对应的蒸汽压力为饱和压力ps。 固?液；固?气（升华、凝华）

四、理想气体的熵变

?s1?2??1同理?s1?2?cplnT2?Rglnp2

T1p1二、水的相图

水的固、液、气三相平衡时称为水的三相点。 ptp=611.659Pa，Ttp=273.16K（0.01℃）

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第三章 气体和蒸汽的性质

2. 汽化潜热：1kg饱和水至干饱和蒸汽状态所需

要的能量。（b-c-d定压）

??h\?h'

3. 过热热：1kg干饱和蒸汽变为过热蒸汽所需要

的能量（d-e定压）

q?h?h\

工程热力学中，上标(')和(\表示饱和液相和

3-5 水的汽化过程和临界点

一、水的定压加热汽化过程

(a)水温低于对应压力p下的饱和温度，过冷水；

饱和气相参数

三、水蒸气的p-v图和T-s图

不同压力下加热水有不同的p-v线和T-s线 1. 将开始汽化的各点连接得到饱和水线（下界

线）CB。

2. 将汽化完毕各点连接得到饱和蒸汽线（上界

线）CA。

3. 压力足够大，增加到某一确定值时，饱和水

线CB和饱和蒸汽线CA重合至一点，饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合，成为水、汽不分的状态，即临界点C。

(b)加热，水温达压力p下的饱和温度，饱和水； (c)加热，沸腾汽化，压力温度不变，变为蒸汽和水的混合物，湿（饱和）蒸汽；

(d)加热，水全变为水蒸气，T不变，干饱和蒸汽； (e)加热，蒸汽温度Ｔ升高，ｖ变大，过热蒸汽。 温度超过饱和温度的值为过热度Ｄ。

水蒸气的临界参数为tcr＝374.15℃，pcr＝22.120Mpa，vcr＝0.00317m3/kg。

一点：临界点C；

两线：饱和水（下界）线CB，饱和蒸汽（上界）线CA；

三区：过冷水区，湿蒸汽区，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。

二、能量变化

预热?汽化?过热

1. 液体热：过冷水由三相点温度0.01℃加热至

饱和水所需要的能量。（a-b定压）

四、水蒸气的饱和状态（湿蒸气区）

压力越高，饱和温度也越高。（高原不到100℃水开）

饱和区内的湿饱和蒸汽的温度ts与压力ps

q'?h'?h0.01?u'?u0.01（液体v基本不变）

18/44

第三章 气体和蒸汽的性质

具有一定的函数关系，所以两者只能作为一个独立参数。另一个常用的独立状态参数为干度x 干度——湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用x表示。（'为液态，\为气态）

x?m干饱和蒸汽m干饱和蒸汽?m饱和水

U?U'?U\，H?H'?H\

u?(1?x)u'?xu\?u'?x(u\?u') h?(1?x)h'?xh\?h'?x(h\?h')

五、水蒸气表和图

水蒸气热力性质复杂，专门编制了水蒸气的热力性质表和相应的图线。

由于只需要知道其变化量，所以定义三相点（ptp=611.659Pa，Ttp=273.16K）的参数

'''u0.01?s0.01?h0.01?0kJ/kg

1. 水蒸气热力性质表需要插值计算。 未饱和水及过热蒸汽表；

饱和水及干饱和蒸汽表（按温度、按压力）。 2. 水蒸气热力性质图（h-s图）

精确度相比表差，但可以直接读数（尤其是h）。 图中含有：干度x线，定压线，定温线，定容线。

作业：3-5、3-8、3-12、3-13

19/44

第四章 气体和蒸汽的基本热力过程

4-1 热力过程分析概述

一、本章内容

典型的热力过程： 1.定容——速燃的汽油机 2.定压——燃气轮机 3.定温——活塞式压气机

4.可逆绝热(定熵)过程——气流流经气轮机 5.其它多变过程。

势能差）

4-2 定容过程

定容过程——系统的比体积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程，过程方程式 v＝常量 由pv?RgT得p2?T2

p1T1二、目的

1. 确定能量转换关系 U、H、S、W、Wi、Q的变化

2. 分析状态参数（p、V、T、s）的变化 过程方程式：压力随比体积的变化关系式

ds?cV2

TdTdvdT,?s?cVln2 ?Rg?cVT1TvT

三、分析依据

热力学第一定律表达式、理想气体状态方程式、u、h、s的公式。 1. 热力学第一定律表达式

w??pdv?0

1开口wt??vdp?v(p1?p2)

?12闭口q1?2??u??pdv??u?cV(T2?T1)

12?q?du??w，

dE2??CV?qm2(h2?12cf2?gz2) d?2?qm1(h1?1i2cf1?gz1)?P1。 q??h??c2f?g?z?wi??h?wt2

4-3 定压过程

定容过程——压力不变时系统状态发生变化所经历的过程，过程方程式 p＝常量

可逆过程：?w?pdv，?wt??vdp 理想气体状态方程式：pv?RgT 2. u、h、s公式 du?cVdT，dh?cpdT，

ds?cV?cpv2T2?， cp?cV?定压线在定容线下 v1T1dp dTdTdv?cp?Rg?RgTvTpdvdp ?cVvpds?cp2

TdTdpdT，?s?cpln2 ?Rg?cpT1TpT

四、闭口系及稳流开口系的关系

★★工质热力状态的变化规律、能量转换与是否流动无关，对于确定的工质只取决于过程特征。二者只是对外输出功不同而已。 闭口系对外输出膨胀功；

开口系对外输出流动功+技术功（轴功、动能差、

w??pdv?p(v2?v1)

1wt???vdp?0

12闭口q1?2??u??pdv?cV(T2?T1)?p(v2?v1)

12?cV(T2?T1)?Rg(T2?T1)?cp(T2?T1)20/44

第四章 气体和蒸汽的基本热力过程

开口q??h?wt?cp(T2?T1)?0?cp(T2?T1)

4-4 定温过程

定温过程——温度不变时系统状态变化所经历的过程，过程方程式 T＝常量 由pv?RgT得p2?v1

p1v2

由pv??常数，pv?RgT得?pdv?vdp?0

k?1p2vTvp?(1)k，2?(1)k?1?(2)k，

T1v2p1p1v2?s?0，q??Tds?0

12闭口系统

ds?cV

w1?2?u1?u2?cV(T1?T2)?dp，dT?0 dTdTdv?Rg?cp?RgTvTp(T1?T2)k?1pvpv1?(p1v1?p2v2)?11(1?22)k?1k?1p1v1pvvpvp?11[1?(1)k?1]?11[1?(2)k?1v2k?1p1k?1kRg

得出?vdp?pdv 即 技术功=体积变化功 vpwt?w?RgTln2??RgTln2

v1p1?s?Rglnq1?2]wt???vdp?k?pdv?k?w1?21122

k?1k?vpkkp1v1[1?(1)k?1]?p1v1[1?(2)k?1v2k?1p1]v2p??Rgln2 v1p1开口系统

q1?2??h?wt?0

wt?h1?h2?cp(T1?T2)?kcV(T1?T2)?k?w1?2

v?w?wt?RgTln2

v1

4-5 绝热过程（定熵过程）

绝热过程——系统和外界间不发生热量交换的过程。可逆绝热过程为定熵过程，过程方程式

ds?4-6 多变过程

多变过程过程方程式 pvn=常数，通常n>0。 多变指数n??qT?0。

ds?cpdvdpdpdv?cV?0 ? ???0 vppvlnp2?lnp1

lnv1?lnv2n=0，定压过程； n=1，定温过程； n=k，绝热过程； n=∞，定容过程；

? ?d(lnv)?d(lnp)?0 ? lnpv??常数 ? pv??常数

对于理想气体，比热比γ与等熵指数?相等 则pvk?常数

（前提：理想气体可逆绝热，定值比热过程） 其中定熵指数???v(?p)

Sp?v

21/44

第四章 气体和蒸汽的基本热力过程

★★ pn?12?(v1)n，T2?(v1)n?1?(p2n

pvT)121v2p1又Rg?(k?1)cV，pv?RgT，得

?sT21?2?cVln?Rlnv2?cT2RgTgVln?ln2T1v1T1n?1T1 ?cT2VlnT(1?k?11)?cn?kT2Vn?1ln1n?T1w??21?21pdv??2ndvpvn1?n?n1pvvn?n?1(v1?v12)?1n?1(pRg 1v1?p2v2)?n?1(T1?T2)?k?1n?1cV(T1?T2)qk?11?2??u?w1?2?cV(T2?T1)?n?1cV(T1?T2) ?k?nn?1cV(T1?T2)w?2vdp?n?2t??pdv?n?w1?2?n11n?1Rg(T1?T2) ?nn?1(k?1)cV(T1?T2)?w1?2?k?1

q1?2k?n★多变过程n值分析

1. n

k?1k?n?0,w1?2q?0 1?2膨胀必定加热，压缩必定放热。 2. n>k的多变过程（定容?密度不变）

k?1?0,w1?2nq?0 k?1?2膨胀必定放热，压缩必定吸热。

★表4-1 理想气体可逆过程计算公式 掌握

4-7 水蒸气的基本过程

自己简单看看，了解

22/44

第五章 热力学第二定律

热力学第一定律：热能传递转换的数量关系。

热机的热量总有一部分放给环境；热量自发地由高温传递到低温，却不能自发地反向传递等。——热二 热力学第二定律：热能传递转换的方向、条件、限度。

文-普朗克说法是等效的。

○A为违反开尔文—普朗克说法的热机，从单一热源吸热并将之全部转化为功。 ○B为一普通制冷机。图中均为代数值。

5-1 热力学第二定律

一、自然过程的方向性 自发过程

自发过程：自然过程中能独立地、无条件、自动

进行的过程。 反之为非自发过程。

自发过程：功热转化、有限温差传热、自由膨胀、物质混合等等。

制冷机○B从低温热源吸热，靠○A热机输出功对高

温热源放热。q2?q1?ws?q1?q1'。

A○B看作整体，则表现为从低温热源吸热若将○

实现非自发过程必伴随另一种自发过程。 自发过程不可逆。

q2，同时对高温热源放热q1?q1'(?q2)，此外没有

其它的变化。这显然违反了克劳修斯说法。

三、可逆过程/不可逆过程

可逆过程：系统完成某一个热力过程后，能使工

质逆行恢复原状，并且外界亦恢复原状而不留下任何变化的热力过程。

★可逆过程 ?? 无耗散准静态过程 不可逆过程：存在任何自发的过程，从而产生不

可复逆的影响的热力过程。

不可逆过程中能量转换完善程度的指标： 不可逆过程和相应可逆过程功的比值。

??Wi,不可逆 Wi,可逆二、热力学第二定律的表述

1．开尔文—普朗克说法：

“不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机。” ★其它任何变化：包括对热机内部、外界环境及其它物体都不留下其它任何变化，热机必须是循环发动机。

“第二类永动机不可能制成。”

第二类永动机：单一热源下吸热做功的动力机。 “热机的热效率不可能达到100%。” 2．克劳修斯说法

“热不可能自发的不付代价的从低温物体传至高温物体。” 3．自发过程说法

热力学第二定律的自发过程说法：

“一切自发地实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。”

★★证明：热力学第二定律克劳修斯说法与开尔

涡轮机效率?T?Wi,不可逆

Wi,可逆压气机绝热效率??Wi,可逆

CWi,不可逆四、不可逆因素

实际过程都是不可逆的。

不可逆因素：摩擦、温差、压差、浓度差等。 只有可逆过程才便于进行热力学分析，故热力学中主要研究可逆过程。

利用适当的效率，对相应的可逆过程的分析

23/44

第五章 热力学第二定律

结果进行修正得到不可逆过程。

尚无法制造出来。

原因： 1．T1、T2温差大 ? ?p、?v大，p-v

5-2 卡诺循环和多热源

可逆循环分析

一、卡诺循环

卡诺循环：工作于T1、T2之间由两个可逆定温和

两个可逆绝热过程组成的正向循环。

可逆定温：a-b，c-d； 可逆绝热：b-c，d-a。

图上狭长，但摩擦占的比例增加了。 2．定温可逆过程不容易实现。

二、概括性卡诺循环

概括性卡诺循环：工作于T1、T2之间由两个可逆

定温和两个同类型其它可逆过程组成的正向循环。

理想气体可逆定温过程热量： q1?RgT1lnvb，v|q2|?RgT2lnc。 vavdk?1?T2?vp??(1)k?1?(2)k? ?T?v2p1?1?理性气体的同类型可逆过程多变指数n相同，最终得出概括性卡诺循环的热效率等于卡诺循环的热效率，即：

|q2|T?1?2??t,c q1T1理想气体可逆绝热有：

vvT1?(c)k?1?(d)k?1 T2vbva?t?1?三、逆向卡诺循环

逆向卡诺循环：与卡诺循环反向的循环，由两个

可逆定温和两个可逆绝热过程组成的逆向循环

可逆定温：b-c，d-a； 可逆绝热：a-b，c-d。

即vb?vc

vavd卡诺循环的循环热效率

?t,c|q|T?1?2?1?2

q1T1卡诺循环热效率说明：

1. ?t,c只取决于T1、T2，即工质吸、放热温度。 2. T1↑，T2↓均可提高卡诺循环热效率。 3.

?t,c?1，因为T1??、T2?0

同理推得：（T1?T2）

T2 制冷系数?c?q2?q2?|wnet||q1|?q2T1?T2

4. T1?T2时?t,c?0。热变动一定要有温差做

条件，即“第二类永动机不可能制成”。 其它 目前为止，严格按照卡诺循环工作的热力发动机

热泵系数?c'?|q1|?|q1|?T1

|wnet||q1|?q2T1?T2对于制冷系数?c，T1↓、T2↑，?c大；

24/44

第五章 热力学第二定律

对于制冷系数?c'，T1↑、T2↓，?c'大且?c'?1。

注意：是两个给定热源，不是相同温限。

四、多热源的可逆循环 等效卡诺循环

平均温度：过程中工质温度的积分平均值

bA为任意热机，B为可逆热机，若两机器在相同两热源间工作，则按卡诺定理必有?t,A??t,B。 ★★卡诺定理证明：

将可逆热机B逆向循环，热机A输出功全部转换为热机B的输入功。

假设热机效率

T?q?

?a?ssb?saTds?t,A??t,B，则有：

?t,A?

等效卡诺循环?t?1?T2

T1其中：T2?T2，T1?T1 所以?t?1?T2?1?T2??t,c

T1T1★即：工作于两个热源间的一切可逆循环（包括

卡诺循环）的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环热效率。

延伸可证明：（概括性/）卡诺循环热效率高于相

同温限内的一切可逆循环热效率。

（热效率?t??t,c?1?|W0||W0|'?'??t,B，即|Q1|?Q1，又因为Q1|Q1|'，则有 |W0|?Q1?|Q2|?|Q1'|?Q2'|Q1'|?Q1?Q2?|Q2|?0，

即系统自低温热源T2吸热，对高温热源T1放热，对外界没有其它的影响。这违反了热力学第二定律的克劳修斯说法。

二、推论一

卡诺定理推论一：在两个给定热源间工作的所有

可逆热机的热效率都相同。

T2） T1★证明：证明方法同前。

令热机A和B都是可逆热机，热机B逆向循环

5-3 卡诺定理

与工质是否为理想气体无关。

工作可得?t,A??t,B。反之，令热机A逆向循环工作又可得?t,A??t,B。于是，得结论?t,A??t,B。

一、卡诺定理

卡诺定理： 在两个给定的热源间工作的所有热

机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。

（卡诺循环热效率?t,c2三、推论二

卡诺定理推论二：在给定的两个热源间工作的不

可逆热机，其热效率必然小于在相同两热源间工作的可逆热机的热效率。

（不可逆热机热效率?t??t,c?1?T?1?2，等效卡诺循环

T1TdsT2，其中?1。） ?t?1?T?s2?s1T1T2） T1★证明：A为不可逆热机而B为可逆热机，

25/44

第七章 气体与蒸汽的流动

dcfdcfkpvdpv?cfdcf??vdp???2??2dpcfcf及给定流量设计（选择）喷管；二是已选择喷管，计算喷管出口流速及流量。

cfkcfp一、流速计算及其分析

?dcf??1cdp?

22cfkcfp1．流速计算

出口流速大，忽略入口流速，h0?h2?1c2 f22当气体为理想气体定值比热时，有dh?cpdT 出口流速cf2?2(h0?h2)

?2cp(T0?T2)?2TkRgT0(1?2) k?1T0k?1kdcfdp（力学条件）， ??k?Ma2pcf因为dp??kdv，得dv?Ma2dcf，

pvvcf又因为dA?dcf?dv?0，得

Acfvdcf（几何条件） dA?(Ma2?1)Acf分析：流速变大时， (1) Ma<1，A变小，渐缩管 (2) Ma>1，A变大，渐扩管

pk?2RgT0[1?(2)k?1p0pkp0v0[1?(2)]=2k?1p0k?1k] 入口状态参数给定后，出口流速cf2决定于p2 p2↓cf2↑ 2．最大流速

当p2≈0时，cf2,max?2kp0v0?2kRgT0

k?1k?1(3) Ma从<1变为>1，A变小又变大，缩扩管（拉

法尔喷管）

。

3．临界压力比

由喉部的临界流速=当地声速（cf = c）得，

pk2p0v0[1?(cr)k?1p0k?1k缩扩管最小界面处为喉部，喉部气流速度为声速，Ma=1。

缩放喷管中候补截面处cf = c，Ma=1，气流处于亚声速向超声速过渡的临界状态，此流速为临界流速（即当地声速），下标cr。

]?kpcrvcr

k解得临界压力比pcr?(2)k?1 p0k?1对于空气，k=1.4，

四、扩压管内气体流动分析

扩压管相当于喷管逆过程，降速提压。 (1) Ma<1，A变大，渐扩管 (2) Ma>1，A变小，渐缩管

pcr?0.528。 p0渐缩型喷管出口cf2 ≤cf,cr， 出口截面压力比p2?pcr?0.528

p0p0临界流速cf,cr决定于入口状态参数

cf,cr?2kkp0v0?2RgT0 k?1k?1(3) Ma从>1变为<1，A变小又变大，

缩扩管

。

例：课本 p154 例6-1

一储气罐，其中空气压力为0.16MPa，温度为17℃。现利用罐中空气经喷管喷出而产生高速空气流。若环境

7-3 喷管的计算

喷管的计算有两种：

一是根据已知工质参数和被压（喷管出口截面外压力）

的大气压力为0.1MPa，试确定喷管的形式、出口处空气的流速及温度。

解：设喷管出口空气压力p2等于喷管出口外环境压力pb，

31/44

第七章 气体与蒸汽的流动

空气的pcr?0.528，

p0流速系数??cf2

cf2'p20.1??0.625?0.528，所以采用渐缩管， p00.16出口流速cf2

pk?2RgT0[1?(2)k?1p0k?1kk?1k]?271m/s

7-6 绝热节流

绝热节流

节流：管道中流动的流体，经过通道截面突然缩

小的阀门、狭缝及孔口等部分后发生压力降低的现象，称为节流。 孔板式流量计

忽略热交换的节流过程称为绝热节流。 节流前后气体的焓值相等h2?h1 但绝热节流过程并不是定焓过程。

出口温度T?T(p2)20p0?253.3K

二、流量的计算

因为有v2?v0(p0)k，出口截面气体流量

p2A2cf2v2A?2v2pk2p0v0[1?(2)k?1p02k?1kk?1k1qm?]

?A22kp0p2kp[()?(2)k?1v0p0p0] 即qm为(p2)的函数，此函数的极大值

p0qm,max?A22kkk?1p0

()k?1k?1v02三、喷管的选取

给定入口状态及出口背压pb (1) pb≥pcr，渐缩管，到不了喉口； (2) pb

尺寸选择时，缩放喷管扩展部分长度l?d2?dmin

?2tan2

7-5 有摩阻的绝热流动

实际气体流动有摩擦及扰动。实际流速<理论值 摩擦：气体的粘滞力 扰动：流体漩涡 喷管效率??cf2

N2cf22'实际动能

定熵条件下的理想动能32/44

第八章 压气机的热力过程

压气机：生产压缩气体的设备

用途：车用增压器、打气筒、气动车门、鼓风机、气钻

（施工）

原理：消耗机械能得到压缩气体

Wc为正值。

由开口系能量方程式得，定熵（可逆绝热）压缩耗功

wC,s??wt,s?h2?h1?cp(T2?T1)?kRgk?1(T2?T1)?k(p2v2?p1v1)k?1pk?1]?RgT1[(2)k?1p1k?1k

8-1 单级活塞式压气机的工作原理

和理论耗功量

一、压气机的分类

1．按原理构造

活塞式压气机；叶轮式压气机；引射式压气机（高压引发低压产生中压） 2．按压缩后气体压力

通风机（pe<0.01MPa）；鼓风机（0.1MPa< pe<0.3MPa）；压气机（pe≥0.3MPa）

pk?p1v1[(2)k?1p1k?1k?1]定义增压比??p2，为终了压力/初始压力。

p1可逆多变过程压缩耗功

wC,n??wt,n?nRgn?1(T2?T1)?n?1npn?p1v1[(2)n?1p1n(p2v2?p1v1)n?1n?1p2nn?1]?RgT1[()?1]n?1p12定温压缩耗功wC,s??wt,T?vdp?RgT1lnp2

?1p1

二、工作原理

工作过程：吸气?压缩?排气

可看作开口系稳流系统（气体流量不变，忽略动、势能），q?(h2?h1)?wt

若压缩过程可逆，技术功=体积变化功—流动功 wt?w??(pv)??pdv?(p2v2?p1v1)???vdp

11228-2 余隙容积的影响

一、余隙容积

余隙容积： 活塞移动到气缸顶端时与气缸盖间

的容积。

原因：制造公差；金属材料热膨胀；安装进排气

阀。

在p-v图上，压气机压气过程的技术功可用压缩过程曲线左侧的面积表示。

二、实际压气过程

V1——气缸最大容积 V3——余隙容积

Vh——工作容积（工作排量）Vh= V1—V3 过程：

1—2 活塞左移，气体压缩，达到压力p2； 2—3 排气阀打开，活塞

继续左移并排气，排气时气体状态不变，活塞运动至

三、压气机的理论耗功

气体由初始状态经不同压缩过程升高到相同终了压力时，如图所示： 1-2s 绝热过程； 1-2n 多变过程； 1-2T 定温过程；

结论： |wt,s|?|wt,n|?|wt,T|

定温压缩耗功最少，可采用冷却所示来达到；绝热压缩最耗功。

通常定义压气机的耗功WC=-Wt，或wC=-wt，耗功

左端，排气阀关闭，排气结束；

3—4 余隙容积中残余废气膨胀，同时活塞右移，

压力达p4；

33/44

第八章 压气机的热力过程

4—1 进气阀打开，开始进气，进气时气体状态

不变，活塞移至右端，进气阀关闭，进气结束，完成一个循环。

压缩、膨胀。

为提高压气机的容积效率，增加高压气体产量，应尽量减小压气机的余隙比或降低增压比。 ★ 降低余隙比必有极限，降低增压比则无法获得高压气体。

三、余隙容积的影响

1．理论耗功 （无影响）

Wc?面积12gf1?面积43gf3pn?p1V1[(2)n?1p1n?1npn?1]?p4V4[(3)n?1p4n?1n

?1]

8-3 多级压缩和级间冷却

一、两级压缩

低压工质压缩后送进高

因为有p1?p4,p3?p2，所以

pnWc?p1(V1?V4)[(2)n?1p1pn?mRgT1[(2)n?1p1n?1nn?1npn?1]?p1V[(2)n?1p1n?1n?1] 压气缸压缩，两级间一般利用冷却器对气体冷却降温。

采用级间冷却的压气机过程由1-2-3-4-5-1变为1-2-2’-3’-4’-5’-1

2-2’为两级间的冷却器定压放热过程。

?1]即余隙容积对压气机的耗功没有影响。 ？；余隙容积能否很大？ 2．气体生产量

（减少）

有效吸气容积V= V1—V4 < V1—V3=Vh ★ 所以余隙容积不能过大。

容积效率ηV：有效吸气容积和气缸工作容积之

比表示压气机工作容积的利用率。

?V?V?V3V3V1?V4V1?V4V??1?4?1?(4?1) VhV1?V3V1?V3V1?V3V3二、两级压缩的压缩比

根据冷却后的温度T2’=T1，可得出两级压缩消耗的轴功总和最小时，此时p2?p1?p3

三、压气机效率

通常用压气机效率来说明实际压气机中不可逆因素的影响。 1．定温效率

良好冷却时的定温效率?c,T?wc,T

wc又因为假设1-2，3-4过程多变指数n相同，上式得：

?V?1?V3pVp[(3)?1]?1?3[(3)?1] V1?V3p4Vhp4111n1nVp?1?3[(2)n?1]?1??[(?)n?1]Vhp1其中：余隙容积比??V3?V3Vh，增压比??p2。

p1V1?V32．绝热效率

没有冷却时的绝热效率?c,s?wc,s

wc例 有一台叶轮式压气机，其进口处空气的压力为0.1MPa、温度为17℃，而压气机产生的压缩空气的压力为0.6MPa。设压气机每分钟生产的压缩空气量为20kg，压缩过程为绝热过程，试求压气机的绝热效率为0.85时驱动压气机所需的功率。

k?1解：(W)?(Ws)c,s?mkRT[1?(p2)k]

scg1?c,s?c,sk?1p1余隙容积比σ↑，?V↓；增压比π↑，?V↓ 如果?V?0，可推出(p2)n?Vh?V3

p1Vh如图示，压缩终了压力提高到p2\，这时将不再进出气体，有效吸气容积将减少为零，压气机既不吸气也不输出高压气体，气缸中的气体只是反复地

1Pi?(Ws)c?p1mk?RgT1[1?(2)?c,s?k?1p1k?1k]??76.4kW

例若上题中压缩过程为定温过程，定温效率为0.85，此34/44

第八章 压气机的热力过程

时驱动压气机所需的功率。 解：

(Ws)c'?(Ws)c,T

p2 )p1?c,T1m?m?c,s(?RgT1lnPi'?(Ws)c???c,s?(?RgT1lnp2 )??58.5kWp1

8-8 一台两级压气机，示功图如图8-7所示，若此压气机吸入空气的温度是t1=17℃、p1=0.1MPa，压气机将空气压缩到p3=2.5MPa。压气机的生产量为500 m3/h（标准状态下），两个气缸中的压缩过程均按多变指数n =1.25进行。以压气机所需要的功量最小作为条件，试求：（1）空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力p2；（2）压气机中气体被压缩后的最高温度t2和t3；（3）设压气机转速为250 r/min，每个气缸在每个进气冲程中吸入的空气体积V1和V2；（4）每级压气机中每小时所消耗的功W1和W2，以及压气所消耗的总功W；（5）空气在中间冷却器及两级气缸中每小时放出的热量。

35/44

第九章 气体动力循环

分析目的：在热力学基本定律的基础上分析动力循环中

能量转换的经济性。

9-1 分析动力循环的一般方法

一、空气标准假设

由于实际混合气的燃烧、排气过程都不可逆，且燃气质量和排气质量与空气不同，故引入“空气标准”假设：

(1)假定工作流体是一种理想气体； (2)假定具有与空气相同的热力性质；k=1.4 (3)将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程取代（不存在化学反应）。

注意：以上假设仅适用于气体动力循环，不适用

于蒸汽动力循环及其它工质的动力循环。

于环境压力； 1 下止点；

1-2 压缩过程，从下止点上移；

2-3 燃烧过程，喷油后经过短暂滞燃期混合气燃烧，燃烧过程快，容积变换小； 3 上止点；

3-4 燃烧，活塞从上止点下移，二者速度接近，接近定压过程； 4-5 膨胀作功；

5 下止点，排气阀打开； 5-1’ 排气，高压气体突然排出；

1’-0 排气，活塞推动废气排出，气压稍高于大

气压

将其简化，具体步骤：

分析：开式不可逆循环，工质成分、质量均变化； 简化：利用“空气标准”假设，忽略实际摩擦及

0-1进气过程，进气管路阻力致使进气压力稍小

二、实际循环

实际循环由于存在各种不可逆因素，其效率要低于理论循环效率，要用相对内效率?T修正。 ?i??t?T

?i，不可逆循环中实际作功量和循环加热量之

比，为该循环的内部热效率（实际热效率）； ； ?t，内部可逆循环的热效率（理论热效率）循环中实际作功量和理论功量之比，反映了?T，

内部摩擦引起的损失，相对内效率（磨损修正）。

9-2 活塞式内燃机实际循环的简化

一、活塞式内燃机

1．循环：进、压、功、排 2．分类：

(1)按燃料分：煤气机、汽油机、柴油机 (2)按点火方式分：点燃式（汽）、压燃式（柴） (3)按冲程分：二冲程、四冲程

进排气节流损失，忽略膨胀，压缩过程热交换。 0-1 定压进气(可忽略)

1-2 绝热压缩

2-3 定容燃烧

3-4 定压燃烧

4-5 绝热膨胀

5-1 定容排气

二、实际循环的简化

以四冲程柴油机为例进行分析。

1-0 定压排气(可忽略)

36/44

第九章 气体动力循环

结果：以空气为工质的混合加热理想循环（萨巴特循环）

1. 压缩比ε↑，ηt↑； 2. 增压比λ↑，ηt↑； 3. 预胀比ρ↑，ηt↓。

9-3 活塞式内燃机的理想循环

一、混合加热循环

混合加热循环简化为以空气为工质的混合加热理想循环（萨巴特循环）

循环净功qnet??t?q吸

二、定压加热循环（笛塞尔循环）

适用：四冲程压燃式发动机（增压、高速柴油机） 特点：吸入空气压缩，压缩比高，边燃烧边膨胀，

无定容燃烧（λ=1）

引入参数：ε，λ，ρ

将λ=1代入混合加热循环循环热效率公式， ?t?1?1

??k?1 ?(??1)???(??1)v压缩比??1，增压比??p3，预胀比??v4

v2p2v3循环热效率?t?1?|q放|?1?|q2|，wnet?qnet

q吸q1???1k得到?t?1?1???1

???1?(??1)定容加热循环热效率ηt与压缩比ε和预胀比ρ有关，压缩比ε↑，ηt↑；预胀比ρ↓，ηt↑。 说明：柴油机压缩的是空气，压缩比ε可较大，一般ε在14~20内。

定容过程q??u?cV?T 定压过程q??h?cp?T ?t?1?|q5?1|cV(T5?T1)?1?q2?3?q3?4cV(T3?T2)?cp(T4?T3)

三、定容加热循环（奥拓循环）

适用：四冲程点燃式发动机（汽油机、煤油机） 特点：吸入混合气，燃烧迅速，无定压加热（ρ=1）

T5?T1?1?(T3?T2)??(T4?T3)??(因为p1v1?p2v2,p4v4?p5v5，且p4?p3，

??v1?v5，v2?v3，pv?RgT

得出T2?(v1)??1T1????1?T1

v2T3??T2??(v1??1)T1?????1?T1 v2v1??1)T1??????1?T1 v2

将ρ=1代入混合加热循环循环热效率公式， ?t?1?1T4??T3???(T5????T1)

????1??k?1 ?(??1)???(??1)???1得到?t?1?1? ??1(??1)???(??1)?k得到?t?1?1

???1定容加热循环热效率ηt只与压缩比ε有关，压缩

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第九章 气体动力循环

比ε↑，ηt↑。

？ 压缩比ε能否无限大？

原因：汽油机工质为混合气，受自燃温度影响，

不能采用大压缩比，否则会“爆燃”，实际汽油机压缩比ε控制在5~12内。

1-2绝热压缩；2-3定压加热；

9-4 活塞式内燃机各种理想循环的

热力学比较

（T-s图） 与课本略微不一致

燃料确定?压缩比ε确定

3-4绝热膨胀；4-1定压放热 燃气轮机的热效率?t?1?1???1?，其中增压比

??

p2，π↑，η↑。

t

p1一、压缩比ε相同（放热量相同）

放热量为q1-4--B-A-1，吸热量定容过程最多，定压过程最少。 热效率ηt,V>ηt,c>ηt,p 即：汽>混>柴

例：燃气轮机装置的定容加热循环由下述四个可逆过程组成：绝热压缩过程1-2；定容加热过程2-3；绝热膨胀过程3-4及定压放热过程4-1。已知压缩过程的增压比为

??p2，定容加热过程的压力升高比为??p3，试证明

p2p1其循环热效率为??1??(?t??1??1)

?(??1)?1二、最高温度及最高压力相同（放热量相同）

增压、高速柴油机需控制其最高压力及温度，以降低噪声、振动，保护机件。 1-2-3-4-1定容加热； 1-2’-3’-3-4-1混合加热； 1-2”-3-4-1定压加热。 放热q2相同(1-4-B-A-1)

吸热量定压过程最多，定容过程最少。 热效率ηt,p>ηt,c>ηt,T

证明：

循环热效率??1?|q放|?1?cp(T4?T1)?1??T4?T1

tq吸cV(T3?T2)T3?T21-2绝热；T2p?(2)T1p1k?1k??k?1k

2-3定容：T3?p3??

T2p23-4绝热：T4T3?(p4)p3k?1k?(p1p2)p2p3k?1k?(1??)k?1k?(??)1?kk

9-6 燃气轮机装置循环

一、燃气轮机装置组成及分类

装置组成：压气机、燃烧室、燃气轮机 分类：开式/闭式 燃气轮机

代入循环热效率公式化简得到

?(???1)

?t?1???1??(??1)1二、燃气轮机定压加热循环（布雷顿循环）

燃气轮机理想热力循环由四个可逆过程组成。

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第十章 蒸汽动力装置循环

蒸汽动力装置：18世纪 瓦特 改进蒸汽机。

——最早使用的动力机，水蒸气易于获得，无毒无

臭无污染。

水蒸气特点：有物相变化，不可当作理想气体。

2汽轮机 ○3冷凝器 ○4给水泵 ○

绝热膨胀作功（乏汽）； 定压冷却（水）； 加压回锅炉（水）。

定压吸热?绝热膨胀?定压放热?绝热压缩 朗肯循环的乏汽完全液化，

10-1 简单蒸汽动力装置循环

——朗肯循环

一、工质为水蒸气的卡诺循环

采用气体作工质的卡诺循环所作的功并不大，采用蒸汽作工质，可以定温加热和放热。 实际蒸汽动力循环不采用卡诺循环，原因： 1． 绝热压缩难于实现；

2． 循环上限温度受限于临界温度，热效率低； 3． 膨胀末期干度小，水分多，不安全。

?t???netq1?q1?q2(h1?h4)?(h2?h3)?q1h1?h4

(h1?h2)?(h4?h3)h1?h2?h1?h4h1?h4

10-2 再热循环

新蒸汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器或其他换热设备中，使其再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压，这样的循环叫做再热循环。

二、朗肯循环及其热效率

实际蒸汽动力循环采用朗肯循环。

再热循环热效率

?t?

?netq1?(h1?hb)?(ha?h2) (h1?h3)?(ha?hb)10-3 回热循环

朗肯循环：两个定压和两个可逆绝热过程组成。 蒸汽动力装置（整个过程可逆）：

朗肯循环热效率不高的主要原因是水的加热及水蒸汽的过热过程不是定温的。

回热循环利用蒸汽回热对水进行加热，消除朗肯循环中水在较低温度下吸热的不利影响，提高热效率。

一、抽气回热

回热就是把本来要放给冷源的热量利用来加热工质，以减少工质从热源的吸热量。

1锅炉（蒸汽发生器） 汽化过程（过热蒸汽）○；

抽汽回热循环：从汽轮机的适当部位抽出尚未完

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第十章 蒸汽动力装置循环

全膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。这部分抽汽并未经过冷凝器，没有向冷源放热，而是加热了冷凝水，达到了回热的目的。

二、回热循环计算

?t??netq1?(h1?h01)?(1??)(h01?h2)h1?h0'1

其中α是抽气量。

采用抽气回热后，工质自外热源吸热量减少，平均吸热温度升高，热效率大于单纯朗肯循环的热效率。

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