南京工程学院热工基础

热工基础——复习与总结热工基础是研究热能利用的基本原理和应用，以提高热能利用经济性的一门学科。热工基础与应用基础理论工程应用热能转换的基本理论基本概念热力性质及过程基本定律热力学第一定律热力学第二定律点：线：面：系统热力过程可逆过程与循环的功量、热量理想气体的热力性质与过程水蒸气的热力性质与过程基本概念点：系统及描述系统与工质：定义、分类状态参数热力状态：平衡态及实现条件)0(0,0Tp定义、分类数学特征：1221d,0dzzzz基本状态参数vbppp15.273)C()K(tTgbppp非基本状态参数Tqsredpvuh基本概念（续）线：面：准平衡（静态）过程：)0(0,0Tp热力过程可逆过程的功量、热量计算：21dvpwpvwt21d-21dsTq可逆过程：实现：准平衡+无耗散定义图示：1、热力系统、工质；闭口系统、开口系统；孤立系统，绝热系统；广延量，强度量;热力平衡状态；准平衡过程；可逆过程与不可逆过程；热力循环2、基本状态参数：温度、压力、比体积3、表压力、真空(度)、绝对压力第一章热力学第一定律基本概念(理解)闭口系（控制质量CM）—没有质量越过边界开口系（控制体积CV）—通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换绝热系—与外界无热量交换;孤立系—与外界无任何形式的质能交换。3.按能量交换1）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。注意：一、热力系分类1.按组元和相按组元数：单元系、多元系按相数：单相系、复相系热力系示例刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝红线内——闭口绝热系黄线内不包含电热丝——闭口系黄线内包含电热丝——闭口绝热系蓝线内——孤立系二、状态参数坐标图简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：p~v图T~s图三、准平衡过程进行条件：破坏平衡的势—Tp,过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力准平衡过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小定义：偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。非准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆bcospAFfpAbcospAFfpAbcos(0)pAFpAf●作功过程pFfpb1.可逆=准静态+没有耗散效应2.一切实际过程不可逆3.可逆过程可用状态参数图上实线表示讨论：四、焓与熵1、定义：H=U+pVh=u+pv单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）2、焓是状态参数。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。熵1.定义δdJ/(kgK)J/(molK)qsT可逆2.熵是状态参数焓21tVtucT21tpthcT21dwpv2t1dwvp21dqTsquwtqhw可用的公式：基本定律热力学第一定律：量守恒wuqsh221wzgchqtwhqwtcqV21dvpuqsh221wzgctcqp21dpvhqtpwtcq热力学第二定律说法与实质卡诺循环与定理开氏说法克氏说法第二类永动机造不成的说法r1HLcr2r1TT热力性质及过程热力性质过程计算公式图示tcTcuVVtcTchpp12g12lnlnppRTTcsp热力学能焓和熵混合物：iiVVpp过程：三步骤查表、图gRccVp状态方程：TRpvgRTpVmMRR/g蒸气热力性质：一点、二线三区五状态hxhxh)1(理想气体五、热力学第一定律及其解析式实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。表述：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。热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。应用范围：系统、工质、过程δdδδdδQUWQUWquwquw第一定律第一解析式功的基本表达式热流入系统的能量流出系统的能量系统内部储能增量:ΔECV–=考虑到稳流特征：ΔECV=0m1=m2=m;及h=u+pv六、稳定流动能量方程式22f2f12121S2221f2f121s()221()2ccQmhhmmgzzWAqhhccgzzwB1）改写式（B）为式（C）22s2211f2f12112quwpvpvccgzz热能转变成功部分输出轴功流动功机械能增量（C）2tf12swwcgztδdddwpvpvvp可逆过程3)第一定律第二解析式ttδdδqhwqhw21dδddqhvpqhvp2221f2f1211()2sqhhccgzzwB2tsf12wwcgz可逆第二章气体的性质一、理想气体的状态方程gpVmRTg0001kgmol1molpvRTpVnRTnpVRT标准状态二、比热容定义1、定义：0δlimdTqqcTTc与过程有关c是温度的函数2、定压比热容cp和定容比热容cV温度的函数3、cp-cVddddddpVupvuhuccTTggddduRTuRTgpVccR迈耶公式三、理想气体热力学能和焓仅是温度的函数kddVuuuTucT2、ghupvuRTddphhThcT1、因理想气体分子间无作用力3、利用气体热力性质表计算热量quwtqhw21dss1212lnlnvvRTTcgV1212lnlnppRTTcgp1212lnlnppcvvcVp定比热四、理想气体的熵是状态参数五、几个名词饱和液：处于饱和状态的液体t=ts干饱和蒸汽：处于饱和状态的蒸汽t=ts未饱和液：温度低于所处压力下饱和温度的液体tts过热蒸汽：温度高于饱和温度的蒸汽tts,t–ts=d称过热度湿饱和蒸汽：饱和液和干饱和蒸汽的混合物t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：tpptts不变，保持pttpps不变，保持干度：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。比湿度：1kg干空气中所含水蒸气的质量,又称含湿量预热汽化过热ttst=tst=tst=tstts六、水定压加热汽化过程1、水定压加热汽化过程第三章理想气体混合物和湿空气一、混合气体的分压力定律和分容积定律二、混合气体的比热容、热力学能、焓体积分数摩尔分数质量分数各种分数之间的换算1.比热容iicwc混2.热力学能iUU混3.焓iiiiiHHUpVUVpUpVH混混iicxc混mmiiCxC混mmpVCCR()iiiiiHHmhhwhmmm混混()iiiimuUuwumm混三、cp-cVddddddpVupvuhuccTTgpVccR迈耶公式四、分析1)cp与cV均为温度函数,但cp–cV恒为常数：RgggddduRTuRT2)(理想气体)cp恒大于cV其它呢？一、基本热力过程npv常数0np常数定压过程=常数多变过程npv1npv常数定温过程npv常数定熵过程nv常数定容过程第四章气体的热力过程三、理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差212121tVtVucTTcTT212121tptphcTTcTT22g11lnlnpTpscRTp22g11lnlnVTvcRTv1212lnlnvvcppcpV定比热容二、理想气体多变过程方程式nnvpvp2211111122nnnnTpTp111122nnTvTv适用于：理想气体；定比热；可逆绝热过程。1）自发过程有方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的实质是能质有差异无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能不可转换能—环境介质的热力学能第五章热力学第二定律一、自发过程的方向性能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件—补偿过程，其总效果是总体能质降低。12netqqw代价12TT2q21TT2qnet12wqq代价等温线与等熵线的交点二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述是等效的三、卡诺循环及其热效率卡诺循环热效率nett1wqnet122341H32L14HL23netqqqqqqqTssTssTTsw吸放HL23LcH23H1TTsTTsT注意事项：cHL,fTT2）LH0,TT3）LHc,0TT若第二类永动机不可能制成。4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热、等温放热困难；c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微。5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。LcH1TT1）cnet1wqHL,TTc1即循环净功小于吸热量，必有放热q2。四、逆向卡诺循环制冷系数：ccc23ccnet0c0c230cqqTsTwqqTTsTT1c可大于，小于，或等于'11R41Rcnet12R041R0qqTsTwqqTTsTT供暖系数：c'1五、卡诺定理定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2；2）提高热机效率的极限。六、循环热效率归纳：net2t111wqqqLH1TT适用于一切工质，任意循环适用于卡诺循环，任意工质七、孤立系统熵增原理由熵方程fgδδiijjSsmsmSS因为是孤立系fδ0δ0δ00ijlmmQSisogdδ0SS可逆取“=”不可逆取“”【孤立系统熵增原理】孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，（其极限）一切过程均可逆时系统熵保持不变。孤立系熵增意味机械能损失3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；1）孤立系统熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是ΔSiso0，所以熵可反映某种物质的共同属性。热能传递的基本理论对流换热热传导基本定律一维稳态导热牛顿冷却公式：影响因素特征数与特征数方程：定性温度；特征长度；特征流速平壁：圆筒壁tqln2112ddLtΦ傅立叶定律：nntqqAΦ等截面肋片：套管温度计thAΦthq实验关联式强制对流管槽内横掠自然对流黑体及灰体间的辐射换热、辐射换热强化与削弱404)100(TCTEb基本定律斯—玻定律：黑体基尔霍夫定律：灰体辐射换热const热阻：Rr,导热微分方程及定解条件压气机耗功计算：、、TC,wnC,wswC,耗功图示：p-v图,T-s图省功途径：多级压缩级间冷却tLHwqq,,,o燃气轮机装置及循环