工程热力学第三章答案PPT课件
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工程热力学幻灯片(3、4、5章上) (2)
2
第二节
系统储存能
一、内能：储存于系统内部的能量
内能
说明：
分子动能（直线移动、 转动、振动） （温度的函数） 分子位能（内位能）（比容的函数） 核能 u f (T , v) 化学能
理气 u f (T )
内能是状态量。理气的内能是温度的单值函数 U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg] 内能总以变化量出现，内能零点人为定
第三章 热力学第一定律
1
第一节 热力学第一定律的实质
本质：能量转换及ห้องสมุดไป่ตู้恒定律在热过程中的应用
能量既不可能创造，也不可能消灭， 只能从一种形式转换成另一种形式。在转 换中，能的总量不变。
第一类永动机是不可能制成的。它是 一种不供给能量而能永远对外作功的机器。 基本能量方程式： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能的变化量
36
2、动、位 能变化量 0
三、换热设备
h1
热流体 冷流体
蒸发器、冷凝器 锅炉、凝汽器
h2 没有作功部件：
h1’
h2’
热流体放热量：
焓变
冷流体吸热量：
37
四、绝热节流
管道阀门
膨胀阀、毛细管
没有作功部件： 绝热：
h1
h2
绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等 38
蒸汽轮机静叶 五、喷管和扩压管 压气机静叶 喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高
q = du + pdv q = u + pdv
Q = dU + pdV Q = U + pdV
11
二、循环过程
T
2
第二节
系统储存能
一、内能：储存于系统内部的能量
内能
说明：
分子动能（直线移动、 转动、振动） （温度的函数） 分子位能（内位能）（比容的函数） 核能 u f (T , v) 化学能
理气 u f (T )
内能是状态量。理气的内能是温度的单值函数 U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg] 内能总以变化量出现，内能零点人为定
第三章 热力学第一定律
1
第一节 热力学第一定律的实质
本质：能量转换及ห้องสมุดไป่ตู้恒定律在热过程中的应用
能量既不可能创造，也不可能消灭， 只能从一种形式转换成另一种形式。在转 换中，能的总量不变。
第一类永动机是不可能制成的。它是 一种不供给能量而能永远对外作功的机器。 基本能量方程式： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能的变化量
36
2、动、位 能变化量 0
三、换热设备
h1
热流体 冷流体
蒸发器、冷凝器 锅炉、凝汽器
h2 没有作功部件：
h1’
h2’
热流体放热量：
焓变
冷流体吸热量：
37
四、绝热节流
管道阀门
膨胀阀、毛细管
没有作功部件： 绝热：
h1
h2
绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等 38
蒸汽轮机静叶 五、喷管和扩压管 压气机静叶 喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高
q = du + pdv q = u + pdv
Q = dU + pdV Q = U + pdV
11
二、循环过程
T
2
工程热力学第五版2第三章.ppt
T2
n (a0
T1
R0
a1T
a2T 2
a3T 3 )dT
3.平均比热容
q
t2 t1
cdt
MG(t2
t1 )
cm
t2 t1
(t2
t1 )
t2 c d t
cm
t2
t1
t1
t2 t1
q t2 cdt t2 cdt t1 cdt
t1
0
0
q cm
t2 0
t2
cm
tt1
01
实际气体的比热容不仅与温度有关，而 且还与压力有关；特别是当气体接近液 态时，压力对比热容的影响更加显著。
三、气体常数与通用气体常数
阿佛加德罗（Avogadro）定律：在相同压力和相 同温度下，1kmol的各种气体占有相同的容积
实验证明，在p0=101.325kPa，t0=0C的标准状态 下，1kmol各种气体占有的容积都等于22.4m3
R0
p0VM 0 T0
101325 22.4 273.15
摩尔比热容Mc，单位：kJ/(kmolK)
c
Mc 22.4
c0
0 气体在标准状态下的密度 kg/m3
M 气体的kmol质量(数值等于分子量）kg/kmol
影响比热容的主要因素
气体比热容与气体性质有关 气体比热容与热力过程有关 气体比热容与状态参数有关
二、定容比热容与定压比热容
定容比热容：在定容情况下进行，单位物量
纯物质的状态方程是计算其热力性质的必要资 料。 除了最简单的理想气体模型外，纯物质的状态 方程中，都含有众多与气体种类有关的常数（除 气体常数R外，至少还有两个），而这些常数值 需要通过大量细致的实验才能确定。 有许多流体还没有必要的实验数据来确定它们 的各个常数值。 怎样预测哪些常数尚未确定，而且又不适用理 想气体状态方程的新工质的热力性质？
工程热力学课件-3
• 6、绝热节流 h2 h1
• 例3-5、3-7
- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
推动功的表达式
推进功（流动功、推动功）
W推 = p A dl = pV p w推= pv
注意： 不是 pdv v 没有变化
A p V
dl
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 3、w推＝pv 与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，是流动工质所携带的能量
qv dvucvdT
2
u cv dT
1
理想气体：u=f(T) cv du/dT
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 用定值比热计算:
ucV(T2T1)ຫໍສະໝຸດ 用平均比热计算 :t2
t2
t1
ucvd tcvd tcvd tcvm t0 2t2cvm t0 1t1
kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 特点:
是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关
功
定义: 种类:
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。
膨胀功是热变功的源泉 单位：l J=l N.m
规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
2． 流动功(或推动功)
为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.
流动功计算公式的推导：
Wf pfds fdsVvdm
Wf pvdmpvmpV wf pv
m
工程热力学第三章lm——工程热力学课件PPT
a c
Q w
Q w 0
2
V
状态参数的积 分特征
积分是否与路径无关
热力学能是状态参数
对循环1-a-2-c-1，有：
( Q W ) ( Q W ) 0
1a 2
2 c1
对循环1-b-2-c-1，有：
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
理想气体热力学能变化计算
定容过程 理想气体
qv
u
duv
f T
cv dTv
cv
du dT
cv
uu cvdT 或 u 1 cvdT
Cv 平均比热 真实比热
混合气体
n
U Ui i 1
n
mu miui i 1
n
u giui i 1
例题
门窗紧闭的房间内有一台运行的电冰 箱，若敞开冰箱门就有一股凉气扑面， 有人就想通过敞开冰箱大门达到降低 室温的目的，请用热力学第一定律分 析此方法是否可行？
Wf = p A dl = pV wf= pv
流动功是一种特殊的功，大小取 决于控制体进出口界面的热力状 态，与热力过程无关。
对流动功的理解
1.与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 2.作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3.Wf＝pv与所处状态有关，是状态量
4.并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而 由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量
1.宏观动能
Ek
1 mc2 2
2.重力位能
Ep mgz
外部存储能 机械能
系统的总能
系统的总能＝内部储存能+外部储存能
E U Ek E p
工程热力学第三章62969-33页PPT资料
3.稳定流动过程
qh1 2c2 f gzwS
QH1 2m c2 f mzgW S
qd h1 2d2 fcgdzwS
QdH 1 2m2 fdm c gdW S z
引入技术功概念 :
qhwt QHWt qdhwt qdhwt
对于可逆过程 :
q
2
h1 vdp
QdHVdpqdhvdp
2
QH1 Vdp
复杂的工程实际问题抽象成热力学模型
第一节 热力学第一定律的实质
一、实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用
二、第一定律的表述 当热能与其他形式的能量相互转化时，能的总量保持不变。
第一类永动机是不可能制造成功的。 三、系统的能量平衡关系 输入系统的能量—系统输出的能量=系统储存能量的变化
能量： 传递中的能量---功和热量----过程量 储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量
qh2h11 2(c2 f2c2 f1)ws
1.换热器：如锅炉、冷凝器等
2.喷管和扩压管
3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机
4.消耗功的装置：如泵、压缩机
5.节流装置：如膨胀阀
有用功为：
Wu WP0V
可逆过程，则：
2
Wu 1 pdvP0V
二、热量 1.定义：热量是除功以外，通过边界系统与外界之间传
递的能量。 热量是过程量；热能是状态量。
2.符号规定：系统从外界吸热为正；Q>0
系统向外界放热为负。Q<0
3.单位：J、kJ
4.热源：与系统只发生热的相互作用的外界，称为热源
热量是不规则运动的能量传递方式； 功是规则运动的能量传递方式。
三、焓
1.定义：H=U+pV 2.单位：J 3.比焓：1kg工质的焓称为比焓，用h表示。
工程热力学第3章课件
生
沸腾：液体表面和内部的汽化过程，只能在达到沸
点温度时才发生
汽化速度的大小取决于液体温度的高低
液化 物质从气态变为液态的相变过程，也称为凝结，液
化与汽化是物质相变的两种相反过程 凝结速度的大小取决于蒸汽的压力
饱和状态
水蒸气在密闭容器中，汽、液两相平衡共存的状 态．此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速度相 等的动态平衡．处于饱和状态的蒸汽为饱和蒸汽，液态 水为饱和水．
定容比热容(cv)：在定容情况下，单位质量的气体，温 度升高1K所吸收的热量
q du pdv,q dh vdp dv 0
cV
q dT v
du pdv dT v
u T v
cv
du dT
理想 气体
定压比热容（cp）：在定压情况下，单位质量的气体,温
度升高1K所吸收的热量
工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压 力与饱和温度.饱和温度和饱和压力是一一对应的关 系，饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高．
➢ 水蒸气的定压产生过程
工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下 产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程． 在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化．
➢ 理想气体的比热容
一．热容的定义及单位
物体温度升高1K所吸收的热量，用C表示,单位
J/K
C Q dT
分类：
质量比热：单位质量物质的热容量，用c表示，单位为 J/(kg·K)；
摩尔比热：单位mol物质的热容量，用cm表示，单位为 J/(mol·K)；
体积比热：标准状态下1m3物质的热容量，用c’表示， 单
t1
t2
q cdT
q c t2 t1
t2
沸腾：液体表面和内部的汽化过程，只能在达到沸
点温度时才发生
汽化速度的大小取决于液体温度的高低
液化 物质从气态变为液态的相变过程，也称为凝结，液
化与汽化是物质相变的两种相反过程 凝结速度的大小取决于蒸汽的压力
饱和状态
水蒸气在密闭容器中，汽、液两相平衡共存的状 态．此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速度相 等的动态平衡．处于饱和状态的蒸汽为饱和蒸汽，液态 水为饱和水．
定容比热容(cv)：在定容情况下，单位质量的气体，温 度升高1K所吸收的热量
q du pdv,q dh vdp dv 0
cV
q dT v
du pdv dT v
u T v
cv
du dT
理想 气体
定压比热容（cp）：在定压情况下，单位质量的气体,温
度升高1K所吸收的热量
工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压 力与饱和温度.饱和温度和饱和压力是一一对应的关 系，饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高．
➢ 水蒸气的定压产生过程
工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下 产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程． 在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化．
➢ 理想气体的比热容
一．热容的定义及单位
物体温度升高1K所吸收的热量，用C表示,单位
J/K
C Q dT
分类：
质量比热：单位质量物质的热容量，用c表示，单位为 J/(kg·K)；
摩尔比热：单位mol物质的热容量，用cm表示，单位为 J/(mol·K)；
体积比热：标准状态下1m3物质的热容量，用c’表示， 单
t1
t2
q cdT
q c t2 t1
t2
工程热力学第三章课件
四、焓（ Enthalpy ）及其物理意义
1 2 流动工质传递的总能量为：U mc mgz pV ( J ) 2 1 2 或 u c gz pv （J/kg） 2
焓的定义：h = u + pv H = U + pV
对理想气体：
( J/kg ) (J)
h = u + pv = u + RT＝f(T)
表面张力功、膨胀功和轴功等。 1.膨胀功（容积功）
无论是开口系统还是闭口系统，都有膨胀功；
闭口系统膨胀功通过系统界面传递，开口系统的膨胀 功是技术功的一部分，可通过其它形式（如轴）传递。 系统容积变化是做膨胀功的必要条件，但容积变化不 一定有膨胀功的输出。
2.轴功
系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
第三节 闭口系统能量方程
一、闭口系统能量方程表达式 Q = dU + W (J)
Q = U + W (J)
Q W
q = du + w (J/kg)
q = u + w (J/kg)
对闭口系统而言，系统储存 能中的宏观动能和宏观位能 均不发生变化，因此系统总 储存能的变化就等于系统内 能的变化。即 ΔE= ΔU=U2-U1
p
3 4
2
1
v
对整个循环：∑∆u=0 或
du 0
因而q12 ＋ q23 ＋ q34 ＋ q41 ＝ w12 ＋ w23 ＋ w34 ＋ w41
即
q w
三、理想气体热力学能变化计算
对于定容过程， w = 0，于是能量方程为：
q v = duv=cvdTv
u cV ( )V T
1 2 1 2 Q (h2 c2 gz 2 )m2 (h1 c1 gz1 )m1 Ws dECV 2 2
工程热力学课后题答案免费 ppt课件
n
p1
1-14 测得某汽油机气缸内燃气的压力与容积对应值如下表所示，求燃气在该膨胀过程中
所作的功。
p / MPa 1.655 V / cm 3 114.71
1.069 163.87
0.724 245.81
0.500 327.74
0.396 409.68
0.317 491.61
0.245 573.55
6
4
工程热力学第 4 版习题解
（2）
+ + + 2
a
w = 1 pdV =
pdV + 1
2
pdVa
+ + a
= 1 (0.4
0.5V ) × 610 dV + (0.4
0.5 × 0.6) × 106 dV
2 a
= [0.4(Va
0.5 V1 ) 2 (Va 2
V21 ) + 0.1× (V2
Va )] × 106
解：
PT= (1 2 ) + PC = (1MW 0.58MW) 0.02MW = 0.44MW
6
8
工程热力学第 4 版习题解
t =1 2 =1 1
0.58MW = 0.42 1MW
1 18 汽车发动机的热效率为 35%，车内空调器的工作性能系数为 3，求每从车发动机输出循环净功
32 °F ，汽点是 212 °F ，试推导华氏温度与摄氏温度的换算关系。
= {t}° F 32 {t}° C 0 212 32 100 0
180
9
{t}° F =100 {t}° C + 325= {t}° C + 32
1-2 英制系统中朗肯温度与华氏温度的关系为{T }° R = {t}° F + 459.67 。已知热力学绝对温
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xBcVBTB1 xBcVB
9
.
6、两股压力相同的空气混合，一股温度400℃，流量120kg/h；另一 股温度100℃，流量150kg/h。若混合过程是绝热的，比热容取为定 值，求混合气流的温度和混合过程气体熵的变化量。
查附表 3 有， cVA 0.716 kJ/(kg K), cVB 0.716 kJ/(kg K)
工程热力学第三章习题课
1
.
1、已知某气体的分子量为29，求：（1）气体常数；（2）标准状态 下的比体积及千摩尔容积；（3）在P = 0.1MPa，20℃时的比体积及 千摩尔容积。
解： （1）气体常数 R
R Rm 8.314 0.287 kJ/(kg K) M 29
（2）标准状态下的比体积及千摩尔容积
因为气体处于标准状态，所以 p = 101.325kPa，T = 273K，又因为 p RT
RT 0.287 273 0.773 m3 /kg
p 101.325
千摩尔容积： V mv 29 0.773 222.4 m3 /kmol
.
1、已知某气体的分子量为29，求：（1）气体常数；（2）标准状态 下的比体积及千摩尔容积；（3）在P = 0.1MPa，20℃时的比体积及 千摩尔容积。
m mA mB 120 150 270 kg/h
xA
mA m
U1 U A1 UB1 mAuA1 mBuB1 mAcVATA1 mBcVBTB1 U2 m2u2 m2cv2T2
其中， m2 mA mB , cv2 xAcvA xBcvB
mAcVATA1 mBcVBTB1 (mA mB )(xAcvA xBcvB )T2
T2
xAcVATA1 xAcVA
1.004 ln
600 300
0.8696 kJ/(kg
K)
.
6、两股压力相同的空气混合，一股温度400℃，流量120kg/h；另一 股温度100℃，流量150kg/h。若混合过程是绝热的，比热容取为定 值，求混合气流的温度和混合过程气体熵的变化量。
解： （1）混合气体的温度
取两种气体为系统，则系统与外界无热量和功交换，依据热力学第一定律有 U 0 ，即 U1 = U2
（3）在 p = 0.1MPa，20℃时的比体积及千摩尔容积 因为 p = 0.1MPa = 100 kPa，T = 20℃ = 293K
pv RT
v RT 0.287 293 0.841 m3 /kg
p
100Βιβλιοθήκη 千摩尔容积： V mv 29 0.841 24.39 m3 /kmol 。
3
.
3、某储罐容器为3m3，内有空气，压力指示为0.3MPa，温度计读数为15℃，现由压缩机每
分钟从压力为0.1MPa，温度为12℃的大气中吸入0.2m3的空气，经压缩后送入储罐，问经多长时
间可使储罐内气体压力升高到1MPa、温度升到50℃？
解：由题意知：
因为:
pV
NRmT
N
pV RmT
对储罐容器内原有的气体：
u cv (T2 T1) 由附表3查得空气的比定压热容：
cv 0.716 kJ/(kg K) 所以
u 0.716 (600 300) 214.8 kJ/kg
② 空气熵的变化：
因为
s
cp
ln T2 T1
R ln
p2 p1
又因为空气是定压加热的，所以
故
p1
p2
ln
p2 p1
0
s
cp
ln
T2 T1
3 )dT
29 300
308.73 kJ/kg
（4）应用空气热力性质表计算： 查附表6，得
h300K 300.19 kJ/kg, h600K 607.02 kJ/kg
。
q h h600K h300K 607.02 300.19 306.83 kJ/kg
7
.
（5）利用比定值热容法计算空气内能和熵的变化 ① 空气内能的变化： 因为
（2）按平均比热容计算 因为t1 = 27℃，t2 = 327℃
查附表4可知：
cp
|00 1.004kJ
/
(kg
• ℃), c p
|100
0
1.006kJ
/
(kg
• ℃)
cp
|300
0
1.019kJ
/
(kg
• ℃), c p
|400
0
1.028kJ
/
(kg
• ℃)
采用内插法，得
cp
|027
N1
p1V1 RmT1
(0.3103 101.325) 3 8.314 (273 15)
0.50282
kmol
对输入储罐容器的气体
N2
p2V2 RmT2
0.1103 0.2t 8.314 (273 12)
0.00844t
kmol
对达到要求后总的气体
N pV 1103 3 1.117 kmol RmT 8.314 (273 50)
kJ/kg
6
.
(3).按比热容经验公式计算 查附表2知：
cp.m 28.15 1.967 103T 4.801106T 2 1.966 109T 3
空气分子量M = 29，则
q h 600 cp.m dT
300 M
1
600
(28.15
1.967
103T
4.801106T
2
1.966 109T
1.006 1.004 100 0
(27
0)
1.004
1.00454kJ
/
(kg
• ℃)
cp
|327
0
1.028 1.019 400 300
(327
300)
1.019
1.02143kJ
/
(kg
• ℃)
所以
q
h
cp
|327
0
t2
cp
|027
t1
1.02143
327
1.00454
27
306.885
解： (1) 依据热力学第一定律有
Q H Wt
对于定压流动，
2
Wt 1 Vdp 0
故 Q H
（1）按比定值热容计算 由附表3可查得空气的比定压热容：cp = 1.004 kJ/(kg·K)
q h cp (T2 T1) 1.004 (327 27) 301.2 kJ/kg
5
.
由题意知： N N1 N2 1.117 0.50282 0.00844t
所以
t = 72.79 min。
4
.
4、若将空气从27℃定压加热到327℃，试分别用下列各法计算对每千克空气所加入的热 量， 并进行比较。（1）比定值热容法；（2）平均比热容法；（3）比热容经验公式法；（4）应用空 气热力性质表。并利用比定值热容法计算空气内能和熵的变化。