工程热力学复习

1、工 程 热 力 学 复习 第一章第一章 基本概念基本概念 第二章第二章 第一定律第一定律 第三章第三章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 第四章第四章 理想气体理想气体的性质和过程的性质和过程 第六章第六章 气体的压缩过程气体的压缩过程 第七章第七章 气体动力循环气体动力循环 第八章第八章 （2）水蒸气动力循环）水蒸气动力循环 热力学基本概念和基本理论热力学基本概念和基本理论工质性质工质性质 基本热力过程以及应用基本热力过程以及应用 第八章（第八章（1）水和水蒸气的性质）水和水蒸气的性质 工程热力学工程热力学 第一章基本概念第一章基本概念 v热力系统：热力系统：人为地分割出来作为热力学分析

2、对象的有限物质 系统。 v外界：外界：系统周围物质的统称。 v边界边界(界面界面)：热力系与外界的分界面。 界面可以是真实，也可以是虚拟的；可以是固定，也可以是 变化（运动）的。 v闭口系统闭口系统:与外界无物质交换，又称控制质量。 v开口系统开口系统:与外界有物质交换，又称控制体积。 v绝热系统绝热系统:与外界无热量交换。 v孤立系统孤立系统:与外界无能量交换又无物质交换。可以理解成闭口 +绝热，但是实际上孤立系统是不存在的。 有有 无无 是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系 是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系 是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系 是否传热

3、、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 v状态：状态：把系统中某一瞬间表现的工质热力性质对外的宏观 状况，称为工质的热力状态，简称状态。 v状态参数：状态参数：描述工质状态特性的一些宏观物理量称为工质 的状态参数。具有以下特征： 1.状态确定，则状态参数也确定，反之亦然单值函数。 2.状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关点函数。 3.其微元差是全微分。 常用的状态参数：P、T、V、U、H和S; 基本状态参数，需要掌握温标转换压力测量（转换基本状态参数，需要掌握温标转换压力测量（转换） 1 2 a b 当当 p pb bg ppp vb ppp当当 p pb 表压力表压力

4、 pg 真空度真空度 Pv 注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数 u 背背压、表压、真空度和绝对压力压、表压、真空度和绝对压力 如果大气压力为83kPa，试求： （1）绝对压力为0.15MPa时的表压力；（2）真空计读数为70kPa时的绝对压力； （3）绝对压力为50kPa时的真空度； （4）表压力为0.25MPa时的绝对压力。 解： (1) Pg0.15 - 0.083=0.067 MPa (2) P=83-70=13 kPa (3) Pv=83-50=33 kPa (4) P0.25 + 0.083=0.333 MPa 系统在不受外界的影响的条件

5、下，如果宏观热力性质不随时间而变 化，这时系统的状态称为热力平衡状态热力平衡状态，简称平衡状态。 系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学 势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件充要条件。 平衡与稳定平衡与稳定：如果系统是在外界作用下保持状态不变，则不属于平衡 状态，如稳态导热。稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。 平衡与均匀平衡与均匀：侧重点不一样，平衡强调时间上稳定不变，均匀强调空 间各点的参数值相同。平衡不一定均匀，单相平衡态则一定均匀平衡不一定均匀，单相平衡态则一定均匀。 v可逆可逆准平衡过程无摩擦和其它任何损耗准平衡过程无摩擦和其它任何

6、损耗 s T 1 s1 T1 2 s2 T2 v p 1 v1 p1 2 v2 p2 2 1 2 1 qTds 2 1 21 pdvw 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 QUW t QHW 2 1 WpdV 2 1 t WV dp quw t qhw 2 1 wpdv 2 1 t wvdp 第一定律表述第一定律表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们 在相互转变时能的总量是不变的在相互转变时能的总量是不变的。（能量守恒）。（能量守恒） 外部储存能外部储存能 内部内部 储存能储存能 宏观动能：宏观动能：E k =

7、 mc2/2 宏观势能：宏观势能：E p = mgz U Uth Uk 平移动能平移动能 转动动能转动动能 振动动能振动动能 Tf1 UpvTf, 2 ),(vTfU Uch Unu 系统系统储存储存能能 总能总能 热力学能（内部储存能）热力学能（内部储存能） 外部储存能外部储存能 宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能 E = E k + E p + U 对于准静态过程：对于准静态过程： w = pdv q = du + pdv q = u + pdv 闭口系方程解析闭口系方程解析式式 WUQ 热热一律数学一律数学表达式表达式 W QU 适用任何工质、任何过程适用任何工质、任何过程 u 随物质进出

8、系统而传递随物质进出系统而传递的能量的能量 (2)推动功推动功 微元体微元体dm 的运动，需上游工质的运动，需上游工质 的推动以克服系统内工质的反的推动以克服系统内工质的反 力：外界对系统做了功。力：外界对系统做了功。 Wf = p A dl = pdV = pvdm 1kg工质：工质：wf = pv 设微元体在推力设微元体在推力(p A)作用下移动作用下移动 了了dl ,则：则： 推动功：推动工质进行宏观位移所做的功。推动功：推动工质进行宏观位移所做的功。= p v (1)流动工质本身携带的能量：流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z 开口系开口系 p A p V dl u 焓

9、焓（Enthalpy) 定义：定义： pvuh pVUH 单位：单位：J，比焓的单位：，比焓的单位：J/kg 焓的说明：焓的说明： 焓是焓是状态量状态量, H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh, h为比参数为比参数 对流动工质，焓代表能量对流动工质，焓代表能量(内能内能+推动功推动功) 对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合 物理意义：焓是物质进出开口系统时带入或带出的物理意义：焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能热力学能U与与 推动推动功功Wf 之之和，和，是随物质一起转移的能量是随物质一起转移的能量。 工程实

10、际多为开口系，工程实际多为开口系， u 和和pv同时出现，同时出现， h 比比u应用更广。应用更广。 i ff CV Wmgz c hmgz c hdEQ 11 2 1 122 2 2 2 22 此式为开口系能量方程的一般表达式此式为开口系能量方程的一般表达式 系统储存能量系统储存能量 的增加量的增加量 系统对外系统对外 做功量做功量 系统吸系统吸 热量热量 控制容积系统：控制容积系统： 进出口物质能量差进出口物质能量差 1kg工质稳定流动：工质稳定流动： s wzzgcchhq 12 2 1 2 212 2 1 2 s 1 2 qhcgzw 动能动能轴功轴功位能位能 稳稳流流能量方程能量方程

11、 技术功技术功wt t whq 流过开口系流过开口系1kg流体的稳定流动的能量方程：流体的稳定流动的能量方程： 开开口口系方程解析系方程解析式式 一、动力机：一、动力机：w wi i=-=-h=hh=h1 1-h-h2 2=w=wt t 工质在其中膨胀，其对外输出的净功等于工质进出口焓降 二、压气机：二、压气机：w wC C=-=-w wi i= =h=hh=h2 2h h1 1= =w wt t 工质在其中被压缩，外界对其做功全部转变为工质焓增。 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 热能热能 机械能的效率机械能的效率最大能达到多少？最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？又与哪些因素有关

12、？ 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 自发过程的方向性自发过程的方向性 自然界的一切自发过自然界的一切自发过 程有方向性程有方向性 功量功量 摩擦生热摩擦生热 热量热量 100% 热量热量 发电厂发电厂 功量功量 40% 放热放热 自发过程的反方向过程并非不自发过程的反方向过程并非不 可进行，而是要有可进行，而是要有附加条件附加条件 可逆过程：可逆过程：系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到系统经历某一过程后，若能使系统按原来路径逆行回到 初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。 理解理解： 可逆可逆：系统回到初态，且

13、外界同时恢复到初态。系统回到初态，且外界同时恢复到初态。 实现可逆过程的条件：实现可逆过程的条件： 准静态过程准静态过程 + + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程 不平衡势差为不平衡势差为 无限小无限小 使功变热的效应使功变热的效应 (摩摩 阻，电阻，非弹性变阻，电阻，非弹性变 性，磁阻等）性，磁阻等） 耗散效应耗散效应 准静态过程是准静态过程是实际过程实际过程的的理想化过程理想化过程，但并非最优过程，可逆，但并非最优过程，可逆 过程是过程是最优过程最优过程。 u卡诺循环卡诺循环 理想可逆理想可逆热机热机循环循环 理想气体为工质理想气体为工质 四个可逆过程组成四个可逆过程组成 - 一

14、个可逆热机在二个恒温热源间工作一个可逆热机在二个恒温热源间工作 高温热源高温热源 低温热源低温热源 热机热机 工作过程工作过程 1-2 定温吸热过程定温吸热过程, 2-3 绝热膨胀过程，对外作功绝热膨胀过程，对外作功 3-4 定温放热过程，定温放热过程， 4-1 绝热压缩过程，对内绝热压缩过程，对内作功作功 2 t,C 1 1 T T 卡诺循环热效率：卡诺循环热效率： u 卡诺定理卡诺定理 定理定理1：在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源的高温热源和相同的低温热源 之间工作的之间工作的一切可逆循环一切可逆循环，其，其热效率都相热效率都相 等等，与可逆循环的，与可逆循环的种类无关种类无

15、关，与采用哪种，与采用哪种 工质也无关工质也无关。 定理定理2：在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源的冷源 间工作的间工作的一切不可逆循环一切不可逆循环，其热效率必，其热效率必小小 于可逆循环热效率于可逆循环热效率。 理论意义：理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低降低T2； ； 2） ）相同热源下，提高相同热源下，提高热机效率的极限。热机效率的极限。 当当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能实现单热源热机不可能实现 T1 , T2 0 K, t,c 不可逆不可逆 不可能不可能 针对过程针对过程 0 T

16、 Q 可逆可逆 “=” 不可逆不可逆“ 0，熵增，熵增 0 ad S 熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、物质流动物质流动 熵产：熵产：dSg 不可逆因素不可逆因素（摩擦、温差传热）引起的熵变（摩擦、温差传热）引起的熵变 熵流：熵流： 熵方程：熵方程： g dS T Q dS T Q dS f 系统与外界交换热量引起的熵变系统与外界交换热量引起的熵变 gf dSdSdS 热二律表达式之一热二律表达式之一 其中：其中： 0 g dS熵产不可能为负值熵产不可能为负值 结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵产是过程不可逆性大小的度量。 第三章第三章 热力学第二定

17、律热力学第二定律 g S T Q msmsS 2211 熵方程：熵方程： 系统系统熵变熵变 = 流入流入系统熵系统熵-流出流出系统熵系统熵+熵流熵流+熵产熵产 熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、物质流动物质流动 熵产熵产： 不可逆因素不可逆因素（摩擦、温差传热）引起的熵变（摩擦、温差传热）引起的熵变 熵流：熵流：系统与外界交换热量引起的熵变系统与外界交换热量引起的熵变 其中：其中： 0 g dS熵产不可能为负值熵产不可能为负值 结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵产是过程不可逆性大小的度量。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 开尔文普朗克说法

18、开尔文普朗克说法 不可能制造出从单一热源吸热、不可能制造出从单一热源吸热、 使之全部转化为功而不留下其他任何变使之全部转化为功而不留下其他任何变 化的循环工作的热力发动机化的循环工作的热力发动机。 克劳修斯说法克劳修斯说法 热不可能自发地、不付代价地从热不可能自发地、不付代价地从 低温物体传至高温物体。低温物体传至高温物体。 孤立系熵增原理：孤立系熵增原理：孤立系的熵只增不减孤立系的熵只增不减 比热定义比热定义 d q c T V V u c T p p h c T pVg ccR . p V c kconst c 迈耶公式迈耶公式 比热容比比热容比( (绝热指数绝热指数) )， 第四章第四章

19、 理想气体的性质和过程理想气体的性质和过程 1.1.质量分数质量分数i、摩尔分数、摩尔分数xi、体积分数、体积分数j i及其转换关系及其转换关系 2.2.折合摩尔质量和折合气体常数折合摩尔质量和折合气体常数 3.3.分压力定律和分体积定律分压力定律和分体积定律 4.4.理想气体的比热容、热力学能、焓和熵理想气体的比热容、热力学能、焓和熵 热力学能、焓和熵是广延性参数，具有可加性。热力学能、焓和熵是广延性参数，具有可加性。 理想气体混合物 eqeq eqg M KmolJ M R R 3145.8 , ii ii eq Mx n Mn M i pp i VV , , eqg i iii ig e

20、q MR x MR g pR Tv 21V ucTT 21p hcTT 8 .3 1 4 5 g Jm o lKR R MM V duc dT p dhc dT 理想气体方程理想气体方程 第四章第四章 理想气体的性质和过程理想气体的性质和过程 er q ds T v 2 21 1 g r Q SSS T cncn 22 11 pV s vp vp cn 22 11 Vg T sR T v v n 22 11 pg Tp scnR Tp 第四章第四章 气体和蒸汽的热力过程气体和蒸汽的热力过程 定容过程定容过程： 过程方程式过程方程式 p,v,Tp,v,T关系关系 u, h, su, h, s计算

21、计算 能量交换能量交换 V=Constant 1 2 1 2 T T p p 1212 /ln/ln,ppcTTcsTchTcu VVpV TRpvw gt 0w Tcuq V Vn 第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 定压过程定压过程： 过程方程式过程方程式 p,v,Tp,v,T关系关系 u, h, su, h, s计算计算 能量交换能量交换 p=Constant 1 2 1 2 T T v v 1212 /ln/ln,vvcTTcsTchTcu VVpV 0 t w TRvpw g Tchq p P0n 第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 定温过程定温过程：

22、 过程方程式过程方程式 p,v,Tp,v,T关系关系 u, h, su, h, s计算计算 能量交换能量交换 T=Constant 2 1 1 2 v v p p 1221 /ln/ln, 0, 0vvRppRshu gg )()/ln()/ln( 12211112 ssTppvpvvTRqww gt T1n 第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 定熵过程定熵过程： 过程方程式过程方程式 p,v,Tp,v,T关系关系 u, h, su, h, s计算计算 能量交换能量交换 n 0,sTchTcu pV 0q 常数 k pv 1 122 kk p vp v S 1 22 11 ()

23、 n n Tp Tp 1 21 12 ()n T T v v 第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 多变过程多变过程： 过程方程式过程方程式 p,v,Tp,v,T关系关系 u, h, su, h, s计算计算 能量交换能量交换 )/ln(, 12 TTcsTchTcu npV Tcq n 常数 n pv 1 122 nn p vp v 等端点多变指数等端点多变指数 已知过程线上两端点已知过程线上两端点（p1,v1）、）、 （p2,v2）：）： nn vpvp 2211 )ln( )ln( 12 12 vv pp n 适用：初、终参数计算适用：初、终参数计算 多变过程多变过程 v

24、p 实际过程实际过程 1 2 0n s T v p 0n n n 1n 1n nk nk 四个基本热力四个基本热力过程在p-v,T-s图上的表示 各种特征多变过程在多变过程在p-vp-v和和T-sT-s图上图上表示表示 两个极限的压气过程：即两个极限的压气过程：即绝热绝热 压缩压缩和和等温压缩等温压缩。 + +多变压缩多变压缩过程（过程（1nk1nk），压），压 缩过程有热量传出，气体温度缩过程有热量传出，气体温度 也有所升高。也有所升高。 特点：特点：v p P1 1 P2 2T2s2n s T P1 1 P2 2s 2n 2T 压缩压缩过程的过程的p-v图和图和T-s图图 Tns Tns

25、TCnCsC vvv TTT www , 2, 2, 2 , 2, 2, 2 , 第六章 压气机的热力过程 压缩比压缩比(compression ratio) 1 2 v v 3 2 p p 定容增压比定容增压比(pressure ratio) 第七章第七章 气体动力循环气体动力循环 定容加热循环定容加热循环 绝热膨胀绝热膨胀 绝热压缩绝热压缩定容放热定容放热 绝热膨胀绝热膨胀 绝热压缩绝热压缩 定容吸热定容吸热 定容放热定容放热 定容吸热定容吸热 2 t 1 1 1 11 q q 第七章第七章 气体动力循环气体动力循环 压缩比压缩比(compression ratio) 1 2 v v 3 2 p p 定容增压比定容增压比(pressure ratio) 加热汽化过程在加热汽化过程在pv图和图和Ts图上可归纳为：图上可归纳为： 一点：临界点 二线：饱和水线和饱和蒸汽线； 三区：过冷水区、湿蒸汽区及过热蒸汽区； 五态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱