第一篇 工程热力学.ppt

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1、第一篇第一篇 工程热力学工程热力学 第一章第一章 基本概念和定义基本概念和定义1-1、热力系统（系统）、热力系统（系统）1.定义定义 系统：被系统：被人为分离人为分离出来，做为出来，做为研究对象研究对象的物体的物体 的总称。的总称。外界：系统以外的其它物质。外界：系统以外的其它物质。边界：系统与外界的分界面。边界：系统与外界的分界面。例：例：边界边界可以是可以是固定或运动的固定或运动的,也可以是也可以是真真实或虚拟的实或虚拟的,因此因此系统也可以是固定或系统也可以是固定或运动的。运动的。2.系统的分类系统的分类 闭口系、开口系、绝热系、孤立系等。闭口系、开口系、绝热系、孤立系等。闭口系闭口系:

2、与外界无物质交换的系统。与外界无物质交换的系统。开口系开口系:与外界有物质交换的系统。与外界有物质交换的系统。绝热系绝热系:与外界无热量交换的系统。与外界无热量交换的系统。孤立系：孤立系：与外界无功、热、物质交换的系统。与外界无功、热、物质交换的系统。另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分为为均匀系均匀系（各部分化学成分和物理性质均匀一（各部分化学成分和物理性质均匀一致）与致）与非均匀系非均匀系；单相系单相系（单一物相）与（单一物相）与复相复相系系；单元系单元系（纯物质，空气可看作纯物质）与（纯物质，空气可看作纯物质）与多元系多元系等。等。合理选择系统

3、是进行正确的热力学分析的前提。合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。在不涉及化学反应时，在不涉及化学反应时，工程热力学所讨论的大多数工程热力学所讨论的大多数热力系统热力系统 简单可压缩系简单可压缩系：由可压缩流体构成、由可压缩流体构成、没有电、磁、重力、运动和表没有电、磁、重力、运动和表面张力等外力场作用、面张力等外力场作用、没没有有化学反应、系统与外界化学反应、系统与外界交换的功只有容积变化功一种。交换的功只有容积变化功一种。系统选择应根据实际情况，以解决问题方便为原则。系统选择应根据实际情况，以解决问题方便为原则。系统选取方法对研究问题的结果没有影响，仅与解决系统选取方法对研究问题的结

4、果没有影响，仅与解决问题的繁复程度有关。问题的繁复程度有关。一、工质的热力状态一、工质的热力状态工质是实现热、功转换的工作物质工质是实现热、功转换的工作物质，简称工质。，简称工质。热能与机械功的相互转换是通过工质一系列的状热能与机械功的相互转换是通过工质一系列的状态变化来实现的。工程热力学中所研究的系统大多态变化来实现的。工程热力学中所研究的系统大多为简单可压缩系，与外界交换功的模式只有容积变为简单可压缩系，与外界交换功的模式只有容积变化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性，化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性，体积最容易发生变化，因此，热力学中的工质基本体积最容易发生变化，因此，热

5、力学中的工质基本是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、水、制冷剂等。水、制冷剂等。1-2、工质的热力状态及其基本状态参数、工质的热力状态及其基本状态参数 热力状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观热力状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观 物理状况。物理状况。二、状态参数二、状态参数 可定量描述工质状态特性的物理量称为状态参数。可定量描述工质状态特性的物理量称为状态参数。如基本状态参数如基本状态参数 p、T、和导出状态参数、和导出状态参数 u、h、s 等。等。状态参数的性质：是状态的单值函数，状态参数的性质：是状态的单值函数，只取决只取

6、决于工质所处的状态，于工质所处的状态，与过程无关与过程无关。若若，则，则 例：设例：设 x 为任意状态参数，则为任意状态参数，则热力学中常用的状态参数有热力学中常用的状态参数有6个：压力个：压力 p、温度、温度 T、容积容积V（比容（比容）、热力学能、热力学能U、焓、焓 H 和熵和熵 S。其中。其中 p 和和 T 为强度性参数，在热力过程中起着推动力的为强度性参数，在热力过程中起着推动力的作用；作用；V、U、H、和和 S 为广延性参数，反映过程进为广延性参数，反映过程进行的尺度。行的尺度。三、三、基本状态参数（基本状态参数（p、T）通过仪表直接或间接测量得到的状态参数称为基本通过仪表直接或间接

7、测量得到的状态参数称为基本状态参数，利用基本状态参数计算得到的状态参数为状态参数，利用基本状态参数计算得到的状态参数为导出状态参数。导出状态参数。强度性参数称为广义力或势，与系统内工质的数量强度性参数称为广义力或势，与系统内工质的数量无关，没有可加性；无关，没有可加性；广延性参数称为广义位移，具有可加性。广延性参数称为广义位移，具有可加性。单位质量的广延性参数称为比参数，具有强度参数单位质量的广延性参数称为比参数，具有强度参数的性质，没有可加性，比参数可看作强度性参数。的性质，没有可加性，比参数可看作强度性参数。（1）绝对压力）绝对压力 p：工质的真实压力，真空时工质的真实压力，真空时 p=0

8、,只有绝对压只有绝对压力为工质的状态参数力为工质的状态参数。（2）表压力）表压力 pg：绝对压力高出当地大气压的数值。绝对压力高出当地大气压的数值。pb 大气压力（不恒定）大气压力（不恒定）N/m2 可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。1、压力压力 表压力测量仪表表压力测量仪表 常用单位常用单位 压力表压力表 MPa U型管测压计型管测压计Pa 或 mmH2O(Hg)（pg g h）（3）真空度）真空度 pV：绝对压力低于当地大气压的数值绝对压力低于当地大气压的数值。p、pg、pV 关系图关系图：2、温度、温度 表示物体冷热的程度。表示物体冷热的

9、程度。温标：温度的数值表示方法。温标：温度的数值表示方法。常用常用:热力学温标、摄氏温标、华氏温标。热力学温标、摄氏温标、华氏温标。三种温标关系式：三种温标关系式：C 3、比容和密度（、比容和密度（、）m3/kg kg/m3 一一.平衡状态平衡状态 1、定义：系统中压力、温度处处相同、且不随时间、定义：系统中压力、温度处处相同、且不随时间变化的状态，称为平衡状态变化的状态，称为平衡状态。只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态 参数定量描述该状态。参数定量描述该状态。2.保持平衡状态不变的条件：保持平衡状态不变的条件：系统系统内部内部以及以及系统与外界之

10、间系统与外界之间不存在任何不平不存在任何不平衡势差。衡势差。系统内外处于力的平衡和热的平衡（温系统内外处于力的平衡和热的平衡（温度平衡）。度平衡）。1-3、平衡状态、平衡状态、状态公理及状态公理及状态方程状态方程 二、二、状态公理状态公理 状态公理状态公理:热力系平衡状态热力系平衡状态独立状态参数的个数等于系统与外界独立状态参数的个数等于系统与外界交换能量的各种方式的总数交换能量的各种方式的总数。对由气体组成的简单可压缩系统对由气体组成的简单可压缩系统，独立的状态参数，独立的状态参数只有两个只有两个。三、状态方程式三、状态方程式习惯上以反映基本状态参数习惯上以反映基本状态参数 p、T 之间关系

11、的之间关系的公式称为状态方程式。公式称为状态方程式。常用的气体状态参数图为：常用的气体状态参数图为：例例 p图图p图和图和 T s 图图状态方程式的具体形式取决于工质的性质。状态方程式的具体形式取决于工质的性质。气体状态方程式：气体状态方程式：或：或：p=f(T,v);T=f(p,v);v=f(p,T)常用的气态工质可分为两类：理想气体和蒸气（实际常用的气态工质可分为两类：理想气体和蒸气（实际气体）。气体）。理想气体是指远离液态点，不易液化的气体；理想气体是指远离液态点，不易液化的气体；而而蒸气则是指离液态点较近，比较容易液化的气体。蒸气则是指离液态点较近，比较容易液化的气体。理想气体和蒸气之

12、间没有绝对的界限，而且两者可以理想气体和蒸气之间没有绝对的界限，而且两者可以相互转化。如蒸气在高过热状态时可看作理想气体；相互转化。如蒸气在高过热状态时可看作理想气体；而通常可看作理想气体的氢气、氧气、氮气、及惰性而通常可看作理想气体的氢气、氧气、氮气、及惰性气体等，在低温和高压状态时就应将它们看作蒸气。气体等，在低温和高压状态时就应将它们看作蒸气。不同的气体具有不同的液态点。不同的气体具有不同的液态点。理想气体的状态方程式理想气体的状态方程式最简单。最简单。一一.准平衡过程准平衡过程 1、定义、定义 过程：工质从一个状态变化到另一个状态的过程：工质从一个状态变化到另一个状态的 全部经历。全部

13、经历。准平衡过程：由一系列的平衡状态（实际上准平衡过程：由一系列的平衡状态（实际上 是无限接近平衡状态）所构成的过程。是无限接近平衡状态）所构成的过程。1-4、准平衡（准静态）过程和可逆过程准平衡（准静态）过程和可逆过程 2、实现准平衡过程的条件实现准平衡过程的条件 无势差损失无势差损失（破坏平衡状态存在的破坏平衡状态存在的压力差、温压力差、温差无穷小）差无穷小）;弛豫时间短（恢复平衡快。弛豫时间短（恢复平衡快。即系统内外处于连即系统内外处于连续的动平衡状态）。续的动平衡状态）。举例举例:气缸中贮有气体，装有细砂的气缸中贮有气体，装有细砂的砂箱放在活塞上，设气缸壁为良导热砂箱放在活塞上，设气缸

14、壁为良导热材料，气缸内外随时保持温度平衡。材料，气缸内外随时保持温度平衡。二二.可逆过程可逆过程 1、定义：能逆向进行，且系统与外界同时返回原定义：能逆向进行，且系统与外界同时返回原 态而不留下任何变化的过程（举例）。态而不留下任何变化的过程（举例）。2、耗散效应与势差损失、耗散效应与势差损失 耗散效应耗散效应通过摩擦、电阻、磁阻等使功变通过摩擦、电阻、磁阻等使功变 为热的效应。为热的效应。势差损失势差损失由于压差或温差等势差的存在而由于压差或温差等势差的存在而 造成的损失（分子无序运动）。造成的损失（分子无序运动）。3、可逆条件可逆条件例例 气体在气缸中绝热膨胀，气体在气缸中绝热膨胀，推动活

15、塞向外移动，到达顶推动活塞向外移动，到达顶点后反向运动压缩气体。点后反向运动压缩气体。分析：分析：该系统能自动满足弛豫时间短的条件；该系统能自动满足弛豫时间短的条件；设过程进行时：设过程进行时：i）没有摩擦（无耗散效应）没有摩擦（无耗散效应）ii）没有压差（无势差损失没有压差（无势差损失）在此条件下，过程是可逆的。在此条件下，过程是可逆的。可逆的条件为：可逆的条件为：系统内外随时处于力的平衡和热的平衡系统内外随时处于力的平衡和热的平衡 （无势差损失）；（无势差损失）；弛豫时间短弛豫时间短；无耗散效应。无耗散效应。结论：可逆过程没有耗散效应的准静态过程结论：可逆过程没有耗散效应的准静态过程。4、

16、实用意义、实用意义 许多实际过程可以近似的作为可逆过程处理许多实际过程可以近似的作为可逆过程处理,便于分析计算。便于分析计算。三三.准静态过程及可逆过程的图示准静态过程及可逆过程的图示习题习题：1.3、1.5、1.102-1、热力学第一定律的实质、热力学第一定律的实质实质：是实质：是能量守恒能量守恒及转换定律在热现象上的应用。及转换定律在热现象上的应用。两种表述：两种表述：表述表述：热量与其它形式的能量相互转换时热量与其它形式的能量相互转换时,总量总量保持不变。保持不变。表述表述：第一类永动机是不可能制成的。第一类永动机是不可能制成的。对于一个循环，则对于一个循环，则第二章第二章 热力学第一定

17、律热力学第一定律 针对工程上形形色色的热工设备和热力过程，常常针对工程上形形色色的热工设备和热力过程，常常将它们抽象简化为不同的系统，不同的系统与外界将它们抽象简化为不同的系统，不同的系统与外界之间的能量关系不同，因此其相应的热力学第一定之间的能量关系不同，因此其相应的热力学第一定律表达式（能量方程）也不同，但其本质都是相同律表达式（能量方程）也不同，但其本质都是相同的。的。根据能量守恒原理，根据能量守恒原理，热力学第一定律的一般表达式热力学第一定律的一般表达式为：为：系统收入能量系统支出能量系统收入能量系统支出能量 系统总储存能的增量系统总储存能的增量 储存能包括储存能包括内部储存能内部储存

18、能和和外部储存能外部储存能。2-2、系统的储存能、系统的储存能 内部储存能内部储存能是工质内部微观粒子所具有的各种能量，是工质内部微观粒子所具有的各种能量，取决于系统内部的状态，与系统内工质的分子结构取决于系统内部的状态，与系统内工质的分子结构及微观运动形式等有关，简称内能；及微观运动形式等有关，简称内能；外部储存能外部储存能是系统作为宏观整体所具有的宏观能量，是系统作为宏观整体所具有的宏观能量，包括宏观动能和重力位能，又称转移能。包括宏观动能和重力位能，又称转移能。在简单可压缩系中，在简单可压缩系中，不涉及化学反应和核反应（无化不涉及化学反应和核反应（无化学内能和核内能），所以可认为学内能和

19、核内能），所以可认为工质的内能就是热力工质的内能就是热力学能，仅包括分子的内动能和内位能学能，仅包括分子的内动能和内位能（物理内能）。（物理内能）。一、一、热力学能（热力学能（内动能内动能+内位能）内位能）UU（T、）J（kJ）比热力学能：比热力学能：J/kg 内动能内动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能以及包括分子的直线运动动能、旋转运动动能以及分子内部原子和电子的振动能。由分子运动论，内动分子内部原子和电子的振动能。由分子运动论，内动能与工质的温度有关，温度越高，内动能越大；能与工质的温度有关，温度越高，内动能越大；内位能内位能是气体分子间相互作用力而形成的分子位能，是气体分子间相互作

20、用力而形成的分子位能，分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与气体的分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与气体的比容有关。因此比容有关。因此简单可压缩系的内能（热力学能）是简单可压缩系的内能（热力学能）是温度和比容的函数，温度和比容的函数，即即实验规律表明：实验规律表明：当工质由状态当工质由状态 1 状态状态 2 时，时，结论：比热力学能（简称热力学能）是状态参数。结论：比热力学能（简称热力学能）是状态参数。u f（T，）或或 u f（p，）对理想气体：对理想气体：内位能内位能 0，热力学能，热力学能 内动能，内动能，即即：uf（T），），比热力学能总是由比热力学能总是由u1 1 u2 2（

21、只与状（只与状态态有关）有关）。二、二、外部储存能外部储存能 （运动系统）宏观动能重力位能（运动系统）宏观动能重力位能 动能：动能：位能：位能：三三、总能（总储存能）总能（总储存能）对对1kg工质工质：功量功量与与热量是热量是系统与外界交换能量的系统与外界交换能量的2种方式（宏种方式（宏观和微观），只有在过程进行时才有能量迁移，所以观和微观），只有在过程进行时才有能量迁移，所以功量和热量均为过程量功量和热量均为过程量。一、功量一、功量1、定义：功是在力的推动下，通过宏观有序运动的、定义：功是在力的推动下，通过宏观有序运动的方式传递的能量。方式传递的能量。常见形式：机械功、电磁功、化学功、表面张

22、力功等。常见形式：机械功、电磁功、化学功、表面张力功等。容积功容积功机械功的一种形式，包括膨胀功和压缩机械功的一种形式，包括膨胀功和压缩 功（功（热力学重点研究热力学重点研究）。）。2-3、功量、功量与与热量热量2、可逆过程可逆过程容积功及图示容积功及图示 WFdxpAdxp dV 由由12时时，对对1kg工质：工质：规定：膨胀功为正，压缩功为负。规定：膨胀功为正，压缩功为负。显然显然 w1-a-2 w1-b-2结论：结论：1）可逆过程可逆过程的容积功可由的容积功可由 p图上过程线下的面积表示；图上过程线下的面积表示；2）功是过程函数，功是过程函数，不是状态参数不是状态参数，微量，微量 记作记

23、作 w 或或 W。二、热量二、热量 1 1、定、定义义：由于系：由于系统统内外存在温差而通内外存在温差而通过过系系统边统边界界传递传递的能量。的能量。规定：系统工质吸热为正、放热为负。规定：系统工质吸热为正、放热为负。结论：结论：热量是过程函数，热量是过程函数，微量记作微量记作 q 或或 Q。热量在温熵（热量在温熵（T-s）图中的表示）图中的表示1）功、热类比：）功、热类比：在在可逆过程可逆过程中：中：过程推动力过程推动力 衡量能量交换的尺度衡量能量交换的尺度 功量功量 p d 热量热量 T ds熵符号：熵符号：s由由 2 2）s 的定义式的定义式 J/(kgk)可逆过程适用可逆过程适用 式中

24、式中 s1kg工质的熵，称为比熵。工质的熵，称为比熵。q1kg工质的吸（放）热量。工质的吸（放）热量。对对 mkg工质工质：T工质的绝对温度。工质的绝对温度。J/k Tqds*注意：在不可逆过程中，注意：在不可逆过程中，3 3）Ts 图图qTds（微元面积）（微元面积）（过程线下面积过程线下面积）可逆过程可逆过程结论：对结论：对可逆过程可逆过程，热量可由，热量可由T-s 图中过程线下的图中过程线下的 面积表示。面积表示。对对mkg工质：工质：显然过程中显然过程中：ds0q0，吸热吸热 ds0q0，放热放热 ds0q0，绝热绝热 结论：对可逆过程，熵变是判断系统工质与外界有结论：对可逆过程，熵变

25、是判断系统工质与外界有无热量交换及热流方向的判据无热量交换及热流方向的判据。注意：注意：热量与热能不同。热量是指在热力过程中传递热量与热能不同。热量是指在热力过程中传递的一种能量，而热能则是指物体内部分子热运动所具的一种能量，而热能则是指物体内部分子热运动所具有的能量，热能可储存于系统内部，即所谓的热力学有的能量，热能可储存于系统内部，即所谓的热力学能。热量是过程量，而热能是状态量。能。热量是过程量，而热能是状态量。3、通过比热、通过比热容容计算热量计算热量 可逆过程可逆过程 式中式中 c 比热容，比热容，J/(单位物理量单位物理量 K)以质量作为物量单位时：以质量作为物量单位时：，c 质量比

26、热容，质量比热容，J/(kg K)热力学第一定律是人类从长期实践经验中总结得到热力学第一定律是人类从长期实践经验中总结得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，适用于一的自然界最重要、最普遍的基本定律，适用于一切工质和一切热力过程。对于不同的具体问题，切工质和一切热力过程。对于不同的具体问题，可以表达为不同的数学表达式。可以表达为不同的数学表达式。2-4、热力学第一定律及其解析式、热力学第一定律及其解析式一、闭口系能量方程一、闭口系能量方程 对对如图所示的如图所示的闭口系：闭口系：根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：加入系加入系统统的的热热量系量系统对统对外做的功系外做的功系统总储统总储能增量能增

27、量 即即 或或 因此，因此，对对静止静止的的闭口系：闭口系：上述各量均为代数量上述各量均为代数量.在工程上，比较常见的情况是闭口系工质在状态变化在工程上，比较常见的情况是闭口系工质在状态变化过程中，系统宏观动能和宏观位能为零或变化量近似过程中，系统宏观动能和宏观位能为零或变化量近似为零，这种情况可看作静止的闭口系，系统总储能的为零，这种情况可看作静止的闭口系，系统总储能的变化就是热力学能的变化变化就是热力学能的变化。对对1 kg工质：工质：静静止止闭闭口口系系能量方程式能量方程式对微元过程：对微元过程：或或 适适用用于于任任何何工工质质、任任何何过程过程对可逆过程：对可逆过程：由由，静止闭口系

28、能量方程式为：静止闭口系能量方程式为：如前所述，由于工程上大多数情况下的闭口系都可看如前所述，由于工程上大多数情况下的闭口系都可看作静止的闭口系，所以作静止的闭口系，所以常将静止闭口系的能量方程简常将静止闭口系的能量方程简称为闭口系能量方程，称为闭口系能量方程，反而对运动的闭口系要特别说反而对运动的闭口系要特别说明。由闭口系能量方程，可以看到，包括工质内热能明。由闭口系能量方程，可以看到，包括工质内热能（热力学能）和外热能（从外界获得的热量）的（热力学能）和外热能（从外界获得的热量）的热能热能与机械能的相互转换必须依靠工质的容积变化，因此与机械能的相互转换必须依靠工质的容积变化，因此闭口系能量

29、方程清晰地反映了热能与机械能相互转换闭口系能量方程清晰地反映了热能与机械能相互转换的基本原理和关系，因而称之为热力学第一定律基本的基本原理和关系，因而称之为热力学第一定律基本表达式。表达式。例：例：空气向真空绝热膨胀，求空气向真空绝热膨胀，求 t2。解：选整个容器为闭口系解：选整个容器为闭口系,由热由热 q0，w0由由 ucV tt0，t2t1 u0思考：思考：能否由能否由 代入热代入热 方程式求方程式求 t2?计算时应注意公式的使用条件和单位计算时应注意公式的使用条件和单位,以及功量、热量以及功量、热量的正负号。的正负号。1）稳定流动系统稳定流动系统条件：条件：气轮机气轮机 或或 const

30、 const Wsconst二、稳定流动系统能量方程二、稳定流动系统能量方程工程上许多热力装置在工作过程中常伴随着工质的工程上许多热力装置在工作过程中常伴随着工质的流进流出，如：气轮机、压气机、锅炉、换热器及流进流出，如：气轮机、压气机、锅炉、换热器及空调机等，当空调机等，当设备处于正常稳定工况运行时，设备处于正常稳定工况运行时，这些这些热力系统都热力系统都可视为稳定流动系统（稳流系）可视为稳定流动系统（稳流系）。2）轴功、流动功）轴功、流动功轴功：轴功：通过机轴对外界输出的机械功，记作通过机轴对外界输出的机械功，记作Ws。流动功：流动功：对对mkg工质：工质：对对1kg工质：工质：（注意此处

31、（注意此处dV与与W中不同中不同）在进口处，为使工质流入系统，在进口处，为使工质流入系统，外界必须对流入的工外界必须对流入的工质作功质作功,以克服系统的内阻力以克服系统的内阻力,此功称为推动（进）功。此功称为推动（进）功。同理，出口处同理，出口处系统对系统对1kg工质所作的推动功为工质所作的推动功为：进出口处推动功的代数和称为流动功，记作进出口处推动功的代数和称为流动功，记作Wf。流流动功是维持工质流动所必需的，通常是由泵或风机等动功是维持工质流动所必需的，通常是由泵或风机等加给被输送工质的，是随工质的流动而向前方移动的加给被输送工质的，是随工质的流动而向前方移动的机械能，它不是工质本身具有的

32、储存能，只有在工质机械能，它不是工质本身具有的储存能，只有在工质流动时才出现。流动时才出现。所以，流动功可表示为：所以，流动功可表示为：3、稳稳定流动系统定流动系统能量方程（热能量方程（热 I 解析式）解析式）设设 根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进进入系入系统统的能量流出系的能量流出系统统的能量的能量即即 系统总储能的增量系统总储能的增量(适用于一般开口系适用于一般开口系)对稳流系：对稳流系：令令 HUpV，称为焓。称为焓。对对1kg工质，工质，称比焓。，称比焓。则则 或或稳稳流能量方程式流能量方程式（普遍适用）（普遍适用）对微元过程：对微元过程：或或 各式使用条件：各式使用条件：稳稳定

33、流定流动动、任何、任何过过程、任何工程、任何工质质。式中式中:技术功技术功wt 技术上可利用的功技术上可利用的功(宏观机械能宏观机械能)当当，引入技术功后，稳流能量方程可表达为引入技术功后，稳流能量方程可表达为 时：时：在稳定流动系统能量方程中，工质宏观动能、宏观位在稳定流动系统能量方程中，工质宏观动能、宏观位能的变化及轴功都是机械能，在技术上都可被用于对能的变化及轴功都是机械能，在技术上都可被用于对外界作功，因此称之为技术功外界作功，因此称之为技术功Wt（wt）。闭口系和稳流系能量方程的形式不同，但本质是相同闭口系和稳流系能量方程的形式不同，但本质是相同的或等价的。的或等价的。都描述的是一定

34、量的工质在热力过程中都描述的是一定量的工质在热力过程中的能量转换关系。的能量转换关系。工质在稳定流动过程中同样是一个膨胀过程。工质在稳定流动过程中同样是一个膨胀过程。虽然开虽然开口系的边界为刚性边界，过程中系统的总容积不发生口系的边界为刚性边界，过程中系统的总容积不发生变化，但是，沿工质流程的流通截面是递增的。因此，变化，但是，沿工质流程的流通截面是递增的。因此，系统与外界交换功的方式和闭口系不同，工质所作的系统与外界交换功的方式和闭口系不同，工质所作的膨胀功是隐含的。膨胀功是隐含的。三、三、各种功量的关系各种功量的关系 由由 或或 对对可逆过程可逆过程：对对 mkg 工质：工质：可逆过程中技

35、术功图示：可逆过程中技术功图示：2）可逆过程可逆过程稳流能量方程式稳流能量方程式或或 使用条件：稳流、可逆。使用条件：稳流、可逆。因此，因此，在稳流系中，隐含的膨胀功等于流动功和技术在稳流系中，隐含的膨胀功等于流动功和技术功之和。功之和。即一部分膨胀功用于提供工质流动所需的流即一部分膨胀功用于提供工质流动所需的流动功，一部分用于增加工质的宏观动能和宏观位能，动功，一部分用于增加工质的宏观动能和宏观位能，其余部分才对外输出轴功。其余部分才对外输出轴功。所以膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉，稳流系中所以膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉，稳流系中所有机械能的总和等于膨胀功。即所有机械能的总和等于膨胀

36、功。即四、焓四、焓1.定义式定义式 J 比比焓焓：J/kg，简简称称焓焓。h也是状态参数。也是状态参数。h 可表示可表示为为任意两个独立的状任意两个独立的状态态参数的函数。参数的函数。如：如：hf（p.T）对对于理想气体于理想气体：2.焓的物理意义焓的物理意义 1）不论对非流动工质还是流动工质，焓都是状态）不论对非流动工质还是流动工质，焓都是状态 参数；参数；2）对流动工质，）对流动工质，h 是随工质流动是随工质流动时携带的取决于热时携带的取决于热 力状态的那部分能量（或基本能量）。力状态的那部分能量（或基本能量）。在开口系中，随工质流动而携带的总能量包括工质的总储能在开口系中，随工质流动而携

37、带的总能量包括工质的总储能 e 和推动功和推动功 p。在有些流动情况下，工质的宏观动能和重力在有些流动情况下，工质的宏观动能和重力位能为零或忽略不计，但热力学能和推动功是必定存在的，位能为零或忽略不计，但热力学能和推动功是必定存在的，所以说焓是流动工质携带的基本能量。所以说焓是流动工质携带的基本能量。而宏观动能和重力位而宏观动能和重力位能是外部储存能，与工质的状态无关，因此也可将能是外部储存能，与工质的状态无关，因此也可将 h 看作流看作流动工质所携带的总能量中取决于热力状态的那部分能量。动工质所携带的总能量中取决于热力状态的那部分能量。1、简化工程实际问题的几点原则、简化工程实际问题的几点原

38、则 2-5、稳流能量方程式应用举例、稳流能量方程式应用举例 1）对叶轮式机械、喷管、节流阀等通常作绝热处理。）对叶轮式机械、喷管、节流阀等通常作绝热处理。叶轮式机械的外表面通常绝热较好；叶轮式机械的外表面通常绝热较好；热交换面积较小、或工质迅速流过系统；热交换面积较小、或工质迅速流过系统；系统与外界的温差很小等。系统与外界的温差很小等。2）除如喷管、扩压管等设备外，一般设备的进出口）除如喷管、扩压管等设备外，一般设备的进出口动、位能差都可以忽略不计。动、位能差都可以忽略不计。3）如果闭口系中工质的容积没有变化，则容积功为）如果闭口系中工质的容积没有变化，则容积功为零；如果开口系中没有叶片、转轴

39、类的作功部件，其轴零；如果开口系中没有叶片、转轴类的作功部件，其轴功为零。功为零。1）燃烧室燃烧室简化：简化：燃烧过程等压、稳流。燃烧过程等压、稳流。将燃烧过程视为外部热源加热，忽略化学变化。将燃烧过程视为外部热源加热，忽略化学变化。忽略燃料质量，将燃气视为空气。忽略燃料质量，将燃气视为空气。由由 2、应用举例、应用举例2）气轮机、压气机气轮机、压气机简化：简化：近似视为绝热。近似视为绝热。忽略动位能变化。忽略动位能变化。例例1 绝热封闭的气缸中装有不可压缩流体绝热封闭的气缸中装有不可压缩流体,对活塞加压对活塞加压,使流体压力从使流体压力从0.2MPa提高到提高到3MPa,试问试问:活塞是否对

40、流体作功活塞是否对流体作功?流体的内能和焓变化多少流体的内能和焓变化多少?解解:选闭口系选闭口系 V0 W0，活塞对流体未做功，活塞对流体未做功由由 W0，Q0 H U（pV）例例2 某活塞式氮气压缩机某活塞式氮气压缩机,压缩前氮气的参数分压缩前氮气的参数分别别为为:p1=0.1 MPa,v1=0.88 m3/kg;压缩后压缩后 p2=1.0 MPa,v2=0.16 m3/kg.压缩过程中比内能增加压缩过程中比内能增加180 kJ/kg,同时向外放热同时向外放热60kJ/kg,压气机每分钟压气机每分钟生产氮气生产氮气18 kg,试求试求:压缩过程对每千克氮气所作的功压缩过程对每千克氮气所作的功

41、;生产每千克压缩氮气所需的功生产每千克压缩氮气所需的功;带动此压气机至少要多大的电动机带动此压气机至少要多大的电动机?解解 活塞式压气机的工作过程包括进气、压缩和活塞式压气机的工作过程包括进气、压缩和排气三个过程，压缩过程中，进排气阀均关闭，所排气三个过程，压缩过程中，进排气阀均关闭，所以应选闭口系以应选闭口系，能量方程为，能量方程为 q=u+wkJ/kg 要生产出压缩空气，压气机的进排气阀必须周要生产出压缩空气，压气机的进排气阀必须周期性地开闭，可近似看作稳流期性地开闭，可近似看作稳流系，则能量方程为系，则能量方程为 312 kJ/kg （负号表示压缩机耗功）（负号表示压缩机耗功）带动此压缩

42、机所需的电动机带动此压缩机所需的电动机理论耗功率理论耗功率为为 Nmws18312/6093.6 kW 实际实际情况情况应应考考虑虑不可逆不可逆压缩过压缩过程耗功（相程耗功（相对对效率）、效率）、电机电机带带动压缩机时的传动损失（传动效率）、以及机械结构本身相动压缩机时的传动损失（传动效率）、以及机械结构本身相对运动的摩擦损失（机械效率），最后对运动的摩擦损失（机械效率），最后还还要考要考虑虑可能可能发发生超生超负负荷情况，荷情况，选选配配电电机机时时再增加再增加10-12%.讨论：讨论：本题求解过程说明了正确确定系统的重要性，本题求解过程说明了正确确定系统的重要性，分析问题不同分析问题不同,系统选取不同系统选取不同,能量方程不同能量方程不同;在使用能量方程分析计算时在使用能量方程分析计算时,注意单位的统一注意单位的统一和功量、热量的正负号。和功量、热量的正负号。作业作业:2.2、2.9、2.12