哈工大工程热力学教案Word格式文档下载.doc
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简单、明确、可靠、普遍。
缺点：
不能解决热现象的本质。
（2）微观方法：
从物质的微观结构与微观运动出发，统计的方法总结规律,称统计热力学。
可解决热现象的本质。
复杂，不直观。
主要特点：
三多一广，内容多、概念多、公式多。
联系工程实际面广。
条理清楚，推理严格。
二、重点、难点
重点：
热能利用的方向性及能量的两种属性
难点：
使学生认识到学习本课程的重要性，激发学生的学习兴趣和学习积极性，教会学生掌握专业基础课的学习方法。
四、德育点
通过对我国能源及其利用现状的介绍,增强学生对我国能源问题的忧患意识和责任意识,激发学生为解决我国能源问题而努力学习的爱国热情
通过热能利用在整个能源利用中地位的阐述,使学生认识研究热能利用和学习工程热力学的重要性,向学生渗透爱课程、爱专业教育
五、练习与讨论
讨论题:
能源与环境、节能的重要性、建筑节能、辩证思维
学习方法：
物理概念必须清楚，记住一般公式，注意问题结果的应用。
第1章基本概念
本章基本要求:
深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。
本章重点：
取热力系统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态方程，可逆过程。
1.1热力系统
一、热力系统
系统：
用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。
外界：
与系统相互作用的环境。
界面：
假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。
依据：
系统与外界的关系，系统与外界的作用：
热交换、功交换、质交换。
二、闭口系统和开口系统（按系统与外界有无物质交换）
闭口系统：
系统内外无物质交换,称控制质量。
开口系统：
系统内外有物质交换,称控制体积。
三、绝热系统与孤立系统
绝热系统：
系统内外无热量交换（系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热）
孤立系统：
系统与外界既无能量传递也无物质交换
=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和=一切热力系统连同相互作用的外界
四、根据系统内部状况划分
可压缩系统：
由可压缩流体组成的系统。
简单可压缩系统：
与外界只有热量及准静态容积变化
均匀系统：
内部各部分化学成分和物理'
性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。
非均匀系统：
由两个或两个以上的相所组成的系统。
单元系统：
一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。
多元系统：
由两种或两种以上物质组成的系统。
单相系：
系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。
复相系：
由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。
注意:
系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。
思考题：
孤立系统一定是闭口系统吗。
反之怎样。
孤立系统一定不是开口的吗。
孤立系统是否一定绝热。
1．2工质的热力状态与状态参数
一、状态与状态参数
状态：
热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。
状态参数：
描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。
温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。
状态参数的数学特性:
1．
表明：
状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。
2．=0
状态参数的循环积分为零
基本状态参数：
可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。
温度、压力、比容或密度
1．温度：
宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。
微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度
式中 —分子平移运动的动能，其中m是一个分子的质量，是分子平移运动的均方根速度；
B—比例常数；
T—气体的热力学温度。
热力学第零定律：
如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。
摄氏度与热力学温度的换算：
2．压力：
垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。
式中：
F—整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N）；
f—容器壁的总面积（m2）。
微观上：
分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。
式中：
P—单位面积上的绝对压力；
n—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数，其中N为容积V包含的气体分子总数。
压力测量依据：
力平衡原理压力单位：
MPa
相对压力：
相对于大气环境所测得的压力。
工程上常用测压仪表测定的压力。
以大气压力为计算起点，也称表压力。
（P>
B）
（P<
式中 B—当地大气压力
Pg—高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；
H—低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。
只有绝对压力才能代表工质的状态参数
3．比容:
比容：
单位质量工质所具有的容积。
密度：
单位容积的工质所具有的质量。
m3/kg
关系：
—工质的密度 kg/m3，—工质的比容 m3/kg
例:
表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？
工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？
解：
作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；
因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。
三、强度性参数与广延性参数
强度性参数：
系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性。
在热力过程中，强度性参数起着推动力作用，称为广义力或势。
如温度、压力等。
广延性参数：
系统中各单元体该广延性参数值之和，在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。
如系统的容积、内能、焓、熵等。
1．3平衡状态、状态公理及状态方程
一、平衡状态
系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。
平衡状态的充要条件：
热平衡（温度平衡）力平衡（压力平衡）
化学势平衡（包括相平衡和化学平衡）
平衡必稳定，反之稳定未必平衡。
平衡与均匀也是不同的概念，均匀是相对于空间，平衡是相对于时间。
平衡不一定均匀。
状态公理：
确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1
式中n表示传递可逆功的形式，而加1表示能量传递中的热量传递。
例如：
对除热量传递外只有膨胀功（容积功）传递的简单可压缩系统，
n=1，于是确定系统平衡状态的独立参数为1十1=2
所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数。
状态方程:
反映工质处于平衡状态时基本状态参数的制约关系。
纯物质简单可压缩系统的状态方程：
F（P,V,T）=0
1．4准静态过程与可逆过程
热力过程：
系统状态的连续变化称系统经历了一个热力过程。
一、准静过程：
如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。
准静态过程是一种理想化的过程，实际过程只能接近准静态过程。
二、可逆过程：
系统经历一个过程后，如令过程逆行而使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。
实现可逆过程的条件：
1．过程无势差（传热无温差，作功无力差）
2．过程无耗散效应。
三、可逆过程的膨胀功（容积功）
系统容积发生变化而通过界面向外传递的机械功。
J/kg
规定:
系统对外做功为正，外界对系统作功为负。
问题：
比较不可逆过程的膨胀功与可逆过程膨胀功
四、可逆过程的热量:
系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。
可逆过程传热量：
qJ/kg
系统吸热为正，放热为负。
1．5热力循环:
定义：
工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后由回复到初态的过程。
一、正循环
正循环中的热转换功的经济性指标用循环热效率：
式中 q1—工质从热源吸热；
q2—工质向冷源放热；
w0—循环所作的净功。
二、逆循环
以获取制冷量为目的。
致冷系数：
q1—工质向热源放出热量；
q2—工质从冷源吸取热量；
w0—循环所作的净功。
供热系数：
q1—工质向热源放出热量，q2—工质从冷源吸取热量，w0—循环所作的净功
本章应注意的问题
1．热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。
2．引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。
3．系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。
选取不当将不便于分析。
选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化，否则很难获得正确的结论。
4．稳定状态与平衡状态的区分：
稳定状态时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。
平衡必稳定,稳定未必平衡。
5．状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。
1．温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：
1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？
2、加热过程是否可逆？
2．平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？
热力学中讨论平衡态有什么意义？
3．外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？
在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？
4．判断下列过程是否为可逆过程：
1）对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。
2）对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。
3）对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃
4）定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩
5）100℃的蒸汽流与25℃的水流绝热混合。
6）锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。
7）高压气体突然膨胀至低压。
8）摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。
9）气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。
作业：
1-2、1-6、1-8
第2章理想气体的性质
本章基本要求：
熟练掌握理想气体状态方程的各种表述形式，并能熟练应用理想气体状态方程及理想气体定值比热进行各种热力计算。
并掌握理想气体平均比热的概念和计算方法。
理解混合气体性质，掌握混合气体分压力、分容积的概念。
气体的热力性质，状态参数间的关系及热物性参数，状态参数（压力、温度、比容、内能、焓、熵）的计算。
2．1理想气体状态方程
一、理想气体与实际气体
气体分子是一些弹性的，忽略分子相互作用力，不占有体积的质点,
当实际气体p→0v→的极限状态时，气体为理想气体。
二、理想气体状态方程的导出
状态方程的几种形式
1．适用于1千克理想气体。
p—绝对压力 Pa
—比容 m3/kg， T—热力学温度 K
2．适用于m千克理想气体。
式中 V—质量为mkg气体所占的容积
3．适用于1千摩尔理想气体。
式中 VM=Mv—气体的摩尔容积，m3/kmol；
R0=MR—通用气体常数， J/kmol·
K
4．适用于n千摩尔理想气体。
式中 V—nKmol气体所占有的容积，m3；
n—气体的摩尔数，，kmol
5．
6．仅适用于闭口系统
状态方程的应用：
1．求平衡态下的参数
2．两平衡状态间参数的计算
3．标准状态与任意状态或密度间的换算
4．气体体积膨胀系数
例1：
体积为V的真空罐出现微小漏气。
设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0－p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。
由于漏气过程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。
本例与上例相反，对于罐子这个系统，是个缓慢的充气问题，周围空气漏入系统的微量空气d就等于系统内空气的微增量dm。
由题设条件已知，漏入空气的流率（p0－p），于是：
（1）
另一方面，罐内空气的压力变化（dp）与空气量的变化（dm）也有一定的关系。
由罐内的状态方程pV=mT出发，经微分得
Vdp+pdV=mdT+Tdm
所以，pV=mT后改写成
按题设计条件dV=0，dT=0，于是
（2）
此式说明罐同空气质量的相对变化与压力的相对变化成正比。
综合式
（1）与
（2），得
或
由漏气前（p=0）积分到某一瞬间（罐内压力为p），得
或
例2：
容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：
（a）（b）
放气前、后两个平衡状态之间参数能按方程式（a）形式描述，不能用方程式（b）描述，因为容器中所盛有一定量的理想气体当将气体放出一部分后，其前、后质量发生了变化，根据，，而可证。
三、气体常数与通用气体常数
通用气体常数：
J/Kmol·
K
R0与气体性质、状态均无关。
气体常数：
J/kg·
与状态无关，仅决定于气体性质。
2．2理想气体的比热
一、比热的定义与单位
单位物量的物体，温度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热。
单位：
式中 c—质量比热，kJ/Kg·
k
—容积比热，kJ/m3·
Mc—摩尔比热，kJ/Kmol·
换算关系：
比热不仅取决于气体的性质，还于气体的热力过程及所处的状态有关。
二、定容比热和定压比热
定容比热：
表示：
明单位物量的气体在定容情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量．
定压比热：
单位物量的气体在定压情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量。
梅耶公式：
比热比：
三、定值比热、真实比热与平均比热
1.定值比热：
凡分子中原子数目相同因而其运动自由度也相同的气体，它们的摩尔比热值都相等，称为定值比热。
2.真实比热：
相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。
常将比热与温度的函数关系表示为温度的三次多项式
3．平均比热
2．3混合气体的性质
一、混合气体的分压力
维持混合气体的温度和容积不变时，各组成气体所具有的压力。
道尔顿分压定律：
混合气体的总压力P等于各组成气体分压力Pi之和。
即：
混合气体的分容积：
维持混合气体的温度和压力不变时，各组成气体所具有的容积。
阿密盖特分容积定律：
混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之和。
质量成分：
混合气体中某组元气体的质量与混合气体总质量的比值
容积成分：
混合气体中某组元气体的容积与混合气体总容积的比值
摩尔成分：
混合气体中某组元气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值
本章应注意的问题
1．运用理想气体状态方程确定气体的数量和体积等，需特别注意有关物理量的含义及单位的选取。
2．考虑比热随温度变化后，产生了多种计算理想气体热力参数变化量的方法，要熟练地掌握和运用这些方法，必须多加练习才能达到目的。
3．在非定值比热情况下,理想气体内能、焓变化量的计算方法，理想混合气体的分量表示法，理想混合气体相对分子质量和气体常数的计算。
1．某内径为15.24cm的金属球抽空后放后在一精密的天平上称重，当填充某种气体至7.6bar后又进行了称重，两次称重的重量差的2.25g，当时的室温为27℃，试确定这里何种理想气体。
2．通用气体常数和气体常数有何不同？
3．混合气体处于平衡状态时，各组成气体的温度是否相同，分压力是否相同。
4．混合气体中某组成气体的千摩尔质量小于混合气体的千摩尔质量，问该组成气体在混合气体中的质量成分是否一定小于容积成分，为什么。
2-3、2-6、2-8、2-11、2-15
第3章热力学第一定律
本章基本要求
深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义
理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别
本章重点
熟练应用热力学第一定律解决具体问题
热力学第一定律的实质:
能量守恒与转换定律在热力学中的应用
收入-支出=系统储能的变化
常数
对孤立系统：
或
第一类永动机：
不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。
3．1系统的储存能
系统的储存能的构成：
内部储存能+外部储存能
一．内能
热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位质量工质所具有的内能，称为比内能，简称内能。
U=mu
内能=分子动能+分子位能
分子动能包括：
1．分子的移动动能2。
分子的转动动能.
3．分子内部原子振动动能和位能
分子位能：
克服分子间的作用力所形成
u=f（T,V）或u=f（T,P）u=f（P,V）
内能是状态参数.
特别的:
对理想气体u=f（T）
问题思考:
为什么?
外储存能：
系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。
宏观动能：
重力位能：
式中 g—重力加速度。
系统总储存能：
或
3．2系统与外界传递的能量
与外界热源,功源,质源之间进行的能量传递
一、热量
在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。
系统吸热热量为正，系统放热热量为负。
kJkcallkcal=4.1868kJ
特点:
热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的路径有关.
二、功
除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.
1．膨胀功W：
在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。
lJ=lNm
系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
膨胀功是热变功的源泉
2轴功W:
通过轴系统与外界传递的机械功
刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换
三、随物质传递的能量
1．流动工质本身具有的能量
2．流动功（或推动功）：
维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.
推动1kg工质进、出控制体所必须的功
流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。
流动功是由泵风机等提供
思考：
与其它功区别
焓的定义：
焓=内能+流动功
对于m千克工质：
对于1千克工质：
h=u+pv
焓的物理意义：
1．对流动工质（开口系统），表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.
2．对不流动工质（闭口系统），焓只是一个复合状态参数
思考为什么：
特别的对理想气体h=f（T）
3．3闭口系统能量方程
一、能量方程表达式
适用于mkg质量工质
1kg质量工质
该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。
由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口系统、任何工质、任何过程.
对可逆过程
思考为什么
二、.循环过程第一定律表达式
结论:
第一类永动机不可能制造出来
为什么
三、理想气体内能变化计算
由得：
，
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程
或：
用定值比热计算
用平均比热计算
的经验公式代入积分。
理想气体组成的混合气体的内能：
3．4开口系统能量方程
由质量守恒原理：
进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量
能量守恒原理：
进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量
设控制体在时间内:
进入控制体的能量=
离开控制体的能量=
控制体储存能的变化
代入后得到:
+
本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程,也适用于闭口系统
3．5开口系统稳态稳流能量方程
一．稳态稳流工况
工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。
条件：
1。
符合连续性方程
2．系统与外界传递能量，收入=支出，且不随时间变化
适用于任何工质，稳态稳流热力过程
二．技术功
在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。
技术功=膨胀功+流动功
特别的：
对可逆过程：
为什么，注意：
技术功是过程量
公式：
适用于任何工质稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。
三、理想气体焓的计算
对于理想气体
适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压
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