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工程热力学

工程热力学. 鲁锡兰. 华东理工大学 资源与环境工程学院. 第一章 基本概念. 第一节 热力系统. 1. 系统、边界与外界 2. 闭口系统与开口系统 3. 绝热系统与孤立系统 4. 系统的内部状况 ①均匀系与非均匀系 ②单相系与复杂相系 ③单元系与多元系. 第二节 工质的热力状况 及其基本状况参数. 1. 状态与状态参数 2. 基本状态参数 ① 温度 ② 压力 ③ 比容与密度 3. 强度性参数与广延性参数. 第三节 平衡状态、状态公理及状态方程. 1. 平衡状态 2. 状态公理

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Presentation Transcript

  1. 工程热力学 鲁锡兰 华东理工大学 资源与环境工程学院

  2. 第一章基本概念 第一节热力系统 1.系统、边界与外界 2.闭口系统与开口系统 3.绝热系统与孤立系统 4.系统的内部状况 ①均匀系与非均匀系 ②单相系与复杂相系 ③单元系与多元系

  3. 第二节工质的热力状况 及其基本状况参数 1.状态与状态参数 2.基本状态参数 ①温度 ②压力 ③比容与密度 3.强度性参数与广延性参数

  4. 第三节 平衡状态、状态公理及状态方程 1.平衡状态 2.状态公理 ▲▲确定纯物质系统平衡 状态的独立参数=n+1 3.状态方程 F(v,T,P)=0

  5. 第四节准静态过程与可逆过程 1.准静态过程 2.可逆过程 3.可逆过程的膨胀功(容积功) 4.可逆过程的热量

  6. 第五节 热力循环 1.正循环 2.逆循环

  7. 第二章 气体的性质 第一节 理想气体状态方程 1.理想气体与实际气体 2.理想气体状态方程 Pv=RT PV=mRT 3.气体常数与通用气体常数 R=R0/M

  8. 第二节 实际气体状态方程式 1.范德瓦尔方程 2.R-k方程 3.实际气体的通用状态方程

  9. 第三节 理想气体的比热 1.比热的定义和分类 ①定义: ②分类: A.按物理量单位分为: a.质量比热,符号c, (kJ/kg.K) b.容积比热,符号c’, (kJ/m3.K) c.摩尔比热,符号Mc, (kJ/kmot.K) 三者关系: c’= Mc/22.4=cρ0 B.按过程分类:cP和cV

  10. 2.cP和cV与梅耶公式的关系 对于理想气体, cP=f(T), cV=f(T) 3.定值比热、真实比热与平均比热

  11. 第四节 混合气体的性质 1.混合气体的分压和分容定律 2.混合气体的成分表示方法及换算 3.混合气体的折合分子量与气体常数 4.混合气体的比热

  12. 第三章 热力学第一定律 本章要点: 能量守恒,能量是可以转换的. 能量守恒定律:系统收入能量 -支出能量=系统储存能增量

  13. 第一节 系统储存能 系统储存能:内储存能、外储存能 1.内能： 在热力学中只考虑内动能和内位能,不考虑化学反应、核裂变 理想气体：u=f(T) 2.外储存能： ①宏观动能：Ek=1/2mc2 ②重力位能：Ep=mgz 3.系统的总储存能 E=U+Ek+Ep

  14. 第二节 系统与外界传递的能量 1.热量 2.功量 ①膨胀功(W)； ②轴功(Ws) 3.随物质流传递的能量 ①流动工质本身具有的储存能(E) ②流动功(也称推动功)，符号为Wf

  15. 第三节 闭口系统能量方程 1.闭口系统能量方程表达式 2.热力学第一定律在循环过程中的应用 不消耗能量而连续作功的所谓第一类永动机是不可能实现的。 3.理想气体内能变化计算

  16. 例1. 1kg空气从0.1MPa, 100℃变化到0.5MPa、 1000 ℃，求△u和△h (设为理想气体) ①用定比热 ②用平均比热

  17. 例2. 一闭口系统经历了一个由四个过程 组成的循环，试填充表中所缺数据， 并判断是正循环？逆循环？

  18. 例3. 有一绝热刚性容器，有隔板将它 分成A、B两部分，开始时，A中 盛有TA=300K，PA=0.1MPa, VA=0.5m3的空气；B中盛有 TB=350K，PB=0.5MPa,VB=0.2m3 的空气。求打开隔板后两容器 达到平衡时的温度和压力。

  19. 第四节 开口系统能量方程 1.稳定的开口系统(举例) 2.不稳定的开口系统(举例) 3.开系能量方程式的推导 4.开系能量方程式

  20. 例1.有一橡皮袋P1=0.8MPa, t1=27℃空气，V1=8m3, 由于洩漏，球内气体压力 降到P2=0.75MPa,温度不变， 称重后少了10kg，求Q。 解：怎样取系统？

  21. 第五节 开口系统稳态稳流能量方程 1.稳态稳流能量方程表达式 ① ② 能量方程： 或 对于单位工质：

  22. 2.技术功 引入技术功后，能量方程表达式可写成： 可逆过程：

  23. 例2. 空气在某压气机中被压缩，压缩前空气 的参数是P1=100kPa,v1=0.845m3/kg,压 缩后的参数P2=800kPa,v2=0.175m3/kg。 设在压缩过程中每kg空气的内能增加 150kJ,同时向外界放出热量50kJ，压气 机每min生产压缩空气10kg。试求： (1)压缩过程中对每kg气体所作的压缩功； (2)每生产1kg压缩空气所需的轴功； (3)带动此压气机要用多大功率的电动机？

  24. 第六节 稳定稳流能量方程的应用 1.动力机 得：

  25. 2.压气机 得：

  26. 3.热交换器 得：

  27. 4.喷管 得：

  28. 例1.供暖用风机连同加热器,把温度为t1=0℃ 的冷空气加热到温度为t3=250℃,然后 送入建筑物的风道内,送风量为0.56kg/s, 风机轴上的输入功率为1kW,设整个装 置与外界绝热.试计算: (1)风机出口处空气温度t2; (2)空气在加热器中的吸热量; (3)若加热器中有阻力,空气通过它时产 生不可逆的摩擦扰动并带来压力降 落,以上计算结果是否正确?

  29. 第四章 理想气体的热力过程及气体压缩 本章要点: ①研究对象为理想气体的等容、等压、等温、等熵及多变过程 ②基础：理想气体状态方程，能量守恒定律 ③掌握各热力过程的过程方程、状态参数变化值的计算、功量和热量的计算、在P-v和T-S图上直观表示各热力过程 ④掌握压气机的工作原理和理论压缩轴功的计算

  30. 第一节 理想气体的热力过程 1.Pvn=const (多方过程或多变过程)普遍式 n=0为等压过程 n=1为等温过程 n=k为等熵过程 n=±∞为等容过程 n=n为多变过程

  31. 2.重点讨论内容： 各热力过程的过程特征、过程方程、P-V图、T-S图、△u、 △h、 △S、W、Wt、q的计算

  32. 3.关于多变过程 ①多变指数n如何求取？ ②多变过程热量qn计算

  33. 4.在P-v图或T-S图上确定过程量的变化。 ①在P-v图上可直观看出P、v的变化，而在T-S图上如何判断？ ②在T-S图上可直观看出T、S的变化，能直观判断过程是放热或吸热，而在P-v图上将如何判断？

  34. 例1 如图所示： 求△uab、 △uac哪个大？

  35. 例2.将P-v图表示的循环，表示在T-S 图上，图中2-3，5-1为定容过程； 1-2，4-5为定熵过程，3-4为定压 过程(作定性分析) 。

  36. 例3.封闭气缸中P1=8MPa, t1=1300℃,可逆多变 膨胀过程P2=0.4MPa, t2=400℃,R=0.287kJ/kg.K, 比热cV=0.716kJ/kg.K，求q

  37. 例4.(综合题) 有1kg空气，初始状态为P1=0.5MPa, t1=150℃,进行下列过程: (1)可逆绝热膨胀到P2=0.1MPa; (2)不可逆绝热膨胀到P2=0.1MPa,T2=300K; (3)可逆等温膨胀到P2=0.1MPa; (4)可逆多变膨胀到P2=0.1MPa，多变指数n=2; 试求出上述各过程中的膨胀功及熵的变化，并 将各过程的相对位置画在同一P-v图和T-S图上。

  38. 第二节 压气机的热力过程 ★压气机的应用举例 ★压气机的分类 ①按工作原理分成两大类： a.活塞式 b.叶轮式 ②按气体压头分： 通风机(<115kPa) 鼓风机(115-350kPa) 压气机(>350kPa)

  39. 1.单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量计算1.单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量计算 ①单级活塞式压气机，其工作原理分为三个阶段： 吸气过程 压缩过程 排气过程 ②理论压气过程的条件(假设) a.不存在余隙； b.压缩过程是可逆的； c.气体流过进、排气阀时没有阻力损失 ③理论压气轴功的计算(板书)

  40. 2.余隙容积 ①为何存在余隙 a.进、排气阀安装； b.公差配合需要； c.热胀冷缩的需要； ②余隙对生产量的影响 a.余隙的百分比 b.容积效率 ③讨论影响容积效率的影响因素

  41. 3.余隙对理论压气轴功的影响(讨论) 4.多级压缩及中间冷却 5.级间压力的确定

  42. 例1. 空气，三级压缩，从0.1MPa,20℃ 压缩到12.5MPa,假定进入每级气 缸时空气温度相等，各级多变指 数n=1.3，m=120kg/h。 求：①β1，β2，β3 ②各级排气温度及 压气机最小功率 ③假如单级压缩， 则出口气体温度及功率

  43. 第五章 热力学第二定律 本章要点： 1.过程进行的方向和条件 2.第二定律的表述方法 3.熵方程(第二定律数学表达式) 4. 和 的概念

  44. 第一节 热力学第二定律 1.自发过程不可逆(举例) ①热量从高温 低温 ②摩擦发热，机械能 热能 ③自由膨胀 ④电 热

  45. 2.第二定律的表述方法 ①克劳修斯说法(从热量传递方向性) 不可能把热量从低温物体传到高温 物体而不引起其他变化。 ②开尔文—普朗克表述(从热能和机 械能转换) 不可能制造只从一个热源取热使 之完全变成机械能而不引起其他 变化的循环发动机(第二类永动机)

  46. 第二节 卡诺循环和卡诺定理 1.卡诺循环 P-v图;T-S图;卡诺循环的热效率分析 2.逆卡诺循环 P-V图;T-s图;制冷系数分析;供热系数分析 制冷系数： 供热系数：

  47. 3.卡诺定理 解决两个问题： a.可逆与不可逆循环 b.卡诺循环的经济性指标与工质无关 (1)所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高； (2)在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，起热效率均相等。

  48. 例：某项专利申请书上提出一种热机， 它从167℃的热源吸热向7℃的冷源排 热。热机每接受1000kJ热量，能发出 0.12kW.h-1的电力，请问制定专利局是 否应接受申请。

  49. 第三节 熵和第二定律数学表达式 1.克劳修斯积分式 根据卡诺定理的推论，所有热机循环应服从下列关系。 如取：吸热q1为正，放热q2为负 则： 对于多热源：

  50. 2.熵是状态参数 据上述，对任意可逆循环1-A-2-B-1 状态参数：

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