工程热力学总结 - 图文

工程热力学部分

工质（substance）：实现热能和机械能转化的媒介物质。

1. 基本概念

1.1 平衡状态及状态参数

1.平衡状态：

一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下， 系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态 为平衡状态。

2. 状态参数（state parameter）

描述工质所处状态的宏观物理量 ( 状态参数的值只取决于给定的状态，与如何达到这一状态的途径无关 )

3 基本状态参数 压力（绝对） 温度 比体积

（1）温度 （temperature）是标志物体冷热程度的参数。 （2）热力学第零定律（the zeroth law of Thermodynamics）

如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。

? 水的三相点温度 t = 0.01 ℃

热力学温标基准点：取水的三相点（triple point）（纯水固、液、气三相平衡共存的状态点）为基准点，定义其温度为273.16 K。 （3）压力

大量分子与容器壁面碰撞作用力的统计平均值。 压力：单位面积上所受的垂直作用力 （4）. 比体积及密度

说明工质在某一状态下分子疏密程度的物理量。

1.2 状态方程与状态参数坐标图

状态公理： 对于简单可压缩系统（与外界只有热量和体积变化功（膨胀与压缩功）），只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态 压容图（p-v图）温熵图（T-s图） 压焓图（p-h图）

1.3 准平衡过程和可逆过程

1. 准平衡过程（准静态过程） ：

假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于平衡状态的过程。 （非平衡过程不能在状态参数坐标图上表示，虚线） 弛豫时间 （relaxation time）

当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。 2. 可逆过程：

当系统完成某一路径（path） 后，如果全过程沿相同的路径逆行而能使过程中所涉及的一切都恢复到原来的状态而不留下任何痕迹，则这一过程即为可逆过程。 耗散效应：通过摩擦，粘性扰动，温差传热等消耗功或潜在作功能力的损失． 实现条件：是无耗散的准静态过程。

1.4 功量与示功图，热量、熵与示热图。

1.示功图：

对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用过程线下面的面积表示。

?w?pdv?

w??pdv12 功是过程量： 与初、终态有关，与过程有关。

2.示热图：

?q?Tds 可逆过程中，热量在T-s图上用过程线下面的面积表示热量是过程量：与初终状态，过程有关 系统绝热： ? q = 0 可逆绝热： d s = 0

不可逆过程，有耗散，不等于面积.

功转变成热量是无条件的； 而热转变成功是有条件的。

1. 平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什幺要引入平衡态的概念？

答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。而稳定状态则是不论有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。

2. 用U形管压力表测定工质的压力时，压力表液柱直径的大小对读数有无影响？ 答：严格说来，是有影响的，因为U型管越粗，就有越多的被测工质进入U型管中，这部分工质越多，它对读数的准确性影响越大。

? 1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热

力系一定是闭口系统吗？

? 答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定

? 2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以

开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？

? 答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学

能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。

q??Tds12

2. 热力学第一定律

2.1 闭口系统的热力学第一定律表达式

(1)储存能 热力学能（t v） (2).热力学第一定律:

热能与机械能是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。 不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是不可能实现的。

2.2 开口系统的稳定流动能量方程式，稳定流动与流动功，开口系统稳定流动能

量方程，技术功。

1稳定流动：工质的流动状况不随时间而改变，即任一流通截面上工质的状态不随时间而改

变，各流通截面工质的质量流量相等，且不随时间而改变。系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。系统与外界交换的热量和功量稳定不变。 2开口系统稳定流动能量方程:q?(h2?h1)?122(cf2?cf1)?g(z2?z1)?ws 23推动功:推动工质流入、流出系统所消耗的功量p2v2?m2?p1v1?m1 4技术功wt:工程上可以直接利用的机械能wt?

可逆过程：wt?12cf2?cf21?g?z2?z1??ws 2???21pdv??p2v2?p1v1????vdp ?q?dh?vdp

12工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于膨胀功减去净流动功，而轴功只是技术功的一部分。wt?w??p2v2?p1v1????vdp

12

. 下列说法是否正确？

⑴ 气体膨胀时一定对外作功。

错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。 ⑵ 气体被压缩时一定消耗外功。

对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。

⑶ 气体膨胀时必须对其加热。

错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，不用对其加热。

⑷ 气体边膨胀边放热是可能的。

对，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边膨胀边放热。 ⑸ 气体边被压缩边吸入热量是不可能的。

错，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边压缩边吸热。 ⑹ 对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。

错，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，其温度反而降低。

4. “任何没有体积变化的过程就一定不对外作功”的说法是否正确？

答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张力功等等，如果只考虑体积功的话，那么没有体积变化的过程就一定不对外作功。

3. 理想气体的性质与热力过程 3.1 理想气体状态方程

1.热机中的工质都采用容易膨胀的气态物质，包括：气体和蒸汽。 （区别：气体指远离液态、不易液化的气态物质，蒸汽是指离液态较近、容易液化的气态物质，两者之间并无严格的界限。） 2. 理想气体：（实际气体所处的状态：温度较高，压力较低 或是压力不太高，温度不太低）

气体分子之间的平均距离相当大，分子的体积与气体的总体积相比可忽略不计，即分子是不占有体积的质点；分子间不存在相互作用力，分子之间的相互碰撞以及分子与容器壁的碰撞是弹性碰撞。

实际气体 不能忽略分子本身的体积和分子间的相互作用力。 3 . 理想气体的状态方程式

对1kg 气体： p v = Rg T 对mkg 气体： pV = m Rg T p—绝对压力

R?8.314J/(mol?K)

阿伏加德罗定律：在同温同压下，所有气体的摩尔体积Vm都相等。1kmol 任何气体所占的体积皆为22.41410 m3

3.2 理想气体的热容，热力学能，焓和熵。

1. 热容：物体温度升高1K（或1℃）所需要的热量， 用C表示，单位J/K。C??QdT??Qdt

（1）比热容（specific heat）

单位质量物质的热容量（质量热容） 用c表示 ，单位 J / (kg . K) （2）摩尔热容（molar heat）

1mol物质的热容量，用Cm表示, 单位J /( mol . K) （3）体积热容（Volume Heat）

c??qdT

Cm?Mc

标况下，1m3气体的热容量，

CV?Cm22.4kJ/(m3?K)

用CV表示，单位J / (m3 . K) 2. 影响热容的因素：（1）气体的性质；（2）气体的加热过程；（3）气体的温度。

cV?3. 比定容热容cv和比定压热容cp:

?qVdT?(?(?qdT)V

cp??qpdT?qdT)pcp?(?qdT)p?(dh?vdp?h)p?()pdT?T

cp意义：

在压力不变时，比焓对温度的偏导数，其数值等于在压力不变时，物质温度变化1K时比焓的变化量。

4. 理想气体的 cv 和 cp 的关系 （1）迈耶公式：

cp?cV?RgCp,m?CV,m?R同温度下，任意气体的cp > cv

原因：气体定容加热时，不对外膨胀作功，所加入的热量全部用于增加气体本身的热力学能，使温度升高。而定压过程中，所加入的热量，一部分用于气体温度升高，另一部分要克服外力对外膨胀作功，因此，相同质量的气体在定压过程中温度升高1K要比定容过程中需要更多的热量。

（2）比热容比 ?

??cpcVcp????1Rg

1cV?Rg??1t2 5. 平均比热容 ：6.

理想气体的定值摩尔热容：气体分子运动论和能量按自由度均分

dUmi?RdT2Cp,m?CV,m?R?i?2R2

cdt?q1?2t1c|??t2?t1t2?t1t2t1c|t02t2?c|t01t1c|?t2?t1t2t1图表 CV,m? I --- 分子运动自由度 (单双多i=3/5/7)

利用不同的比热容计算热量时，各有优缺点：

（1）利用真实比热容，计算精度高，但不太方便。 （2）利用平均比热容及气体热力性质表，一般来 说，计算方便，且有足够的精度。 （3）利用定值比热容，误差较大，尤其在温度较 高时不宜采用。（振动能，温度越低越不易激发，原子越少越不易激发）

?s?cVln?s?cpln?s?cVlnT2v?Rgln2T1v1T2p?Rgln2适用条件：理想气体，任意过程，定值比热容 T1p1p2v?cpln2p1v1

3.3 理想混合气体的基本定律，混合气体的成分，平均摩尔质量和平均气体常数。

3.4 理想气体的基本热力过程，多变过程的计算及p-v图，T-s图表示。

PPT

3. 理论依据；

4. 热力学第二定律

4.1 热力学第二定律的表述

1．理想气体绝热自由膨胀过程（非准静态过程）

由热力学第一定律，由于为绝热过程，又由于气体向真空自由膨胀，即不受阻碍，所以对于理想气体内能只是温度的函数：

所以 即理想气体绝热自由膨胀后温度将恢复原来的温度 说明：

（1） 虽然理想气体绝热自由膨胀后温度恢复，但整个过程并不是等温过程。 （2） 理想气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程，除初，末态外，系统每一时刻都处于非平衡态。

（3） 对于实际气体，温度一般不会恢复到原来温度 2. 克劳修斯表述（The Clausius statement）：

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。(克劳修斯从热量传递方向性的角度提出热不可能自发地，不付代价地从低温物体传至高温物体。)

3. 开尔文—普朗特表述（The Kelvin-Planck statement）：

不可能从单一热源取热，并使之全部转变为功而不产生其它影响。(热能转化为机械能的角度提出更为严密的表述：)

4. 第二类永动机（从单一热源取热并使之完全转变 为功的热机）是不可能制造成功的。

4.2 卡诺循环和卡诺定理

（1）正向循环：将热能转变为机械能的循环。 顺时针方向进行：

??Q???WQnet?Q1?Q2?Wnet（2） 热效率ηt

?t?WnetQ1?Q2Q??1?2Q1Q1Q1适用：各类正向循环（可逆循环和不可逆循环）

（3）逆向循环：将热量从低温物体传至高温物体的循环（制冷，热泵循环）。逆时针方向进行：

? 制冷循环的工作系数——制冷系数：

??Q2Q2 ?WnetQ1?Q2? 热泵的工作系数——供热系数：

???Q1Q1 ?WnetQ1?Q2ε’ > 1。 ε 可能>1，=1，<1 (4)卡诺循环的组成：

是由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环。

循环热效率：?t?wnetq1?q2q??1?2q1q1q1

?c?1?q2T?sT?1?2?1?2q1T1?sT1

卡诺定理

定理一：在相同的高温热源和相同的低温热源之间

工作的一切可逆热机具有相同的热效率， 与工质的性质无关。

? 非理想气体为工质的可逆循环与 理想气体的可逆循环热效率相等。

? 适用于概括性卡诺循环。

定理二：在相同的高温热源和相同的低温热源之间

工作的一切不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。

4.3 克劳修斯不等式与不可逆过程熵的变化，孤立系统熵增原理与作工能力损失。

?Q1.?——克劳修斯积分等式。表明工质经历一个任意 ?0T?Q 可逆循环后，沿整个循环的积分为零。(积分与路径无关

T

)

2. 克劳修斯不等式

??QT?0——克劳修斯积分不等式。表明工质经历一个不可逆循环后，

?QT沿整个循环

的积分小于零。

3不可逆过程熵的变化

dS??QTS2?S1??2?QT1

4 闭口系统的熵方程

dS?dSf?dSg适用：闭口系统的各种过程和循环。

5.孤立系统的熵增原理 对孤立系统：

dSiso?dSf?dSg?

?dSg?0——孤立系统的熵增原理。

即孤立系统的熵只能增大或者不变， 绝不能减小。

? 孤立系统的熵增原理是热力学第二定律的 另一种数学表达式。

6. 作功能力的损失

（1）系统（或工质）的作功能力

是指在给定环境条件下，系统达到与环境热力平衡时可能作出的最大有用功。 通常将环境温度T0作为衡量作功能力的基准温度。 由于不可逆引起的作功能力的损失为：

''I?WR?WIR?(Q1?Q2)?(Q1'?Q2)?Q2?Q2

?Siso''Q2Q2Q2?Q2??? T0T0T0I?T0?Siso

多热源可逆循环的热效率小于等于同温限间卡诺循环热效率。

5-2 下列两种热效率公式的形式各适用于什么情况:

前式适用于各种可逆和不可逆的循环，后式只适用于可逆的卡诺循环。(??)

工质经历不可逆循环后△S>0(错)，工质经历可逆和不可逆循环后都回到初态，所以熵变为零。

5. 若工质从同一初态出发，分别经历可逆绝热过程与不可逆绝热过程膨胀到相同的终压

力，两过程终态的熵哪个大？对外作的功哪个大？试用坐标图进行分析. 答：不可逆过程熵大，可逆过程作功大

T?t,c?1?r2Tr1?t?1?q2q1

5. 水蒸气与湿空气

5.1 水蒸气的产生过程，状态参数，基本热力过程。

1蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的气态物质。是一种实际气体。 2蒸发 (boil-off) ：在液体表面较缓慢地进行的汽化过程。 特点:(1) 蒸发可以在任何温度下进行。

(2)蒸发速度取决于液体的性质，液体的温度，蒸发表面积和液面上气流速度。 3.沸腾 (boiling) :

在特定的温度下发生，在液体内部和表面同时进行的强烈的汽化过程。 特点: (1)沸腾的温度与液体所受的压力有关。

(2)沸点(boiling point)：

在某一压力下，液体沸腾时的温度。

? 与液体的性质有关。

? 同种液体，沸点还随压力的升高而增大。

饱和压力随饱和温度的升高而增大，两者一一对应。 4.湿饱和蒸汽 (wet vapor)：

是饱和蒸汽与饱和液体的混合物．二者处于两相平衡。 5. 干饱和蒸汽：

不含有液体的饱和蒸汽。

6. 过热蒸汽 (superheated vapor) ；

在一定压力下，温度大于饱和温度时的蒸汽。 过热度：过热蒸汽温度t – 饱和蒸汽温度ts。 7. 过冷液体 (subcooled liquid) ：

在一定压力下，温度低于相应饱和温度的液体。 过冷度：饱和蒸汽温度ts –过冷液体温度t。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cqo2.html