工程热力学知识点总结

工程热力学知识点总结说明：本总结以工程热力学核心知识体系为脉络，涵盖基础概念、核心定律、工质性质、热力过程与循环等关键模块，突出理论核心与工程应用关联，适用于课程复习与工程实践参考。一、基本概念与热力学系统1.1热力学基本术语1.系统（热力系统）：人为划分的研究对象，与外界有明确边界。根据系统与外界的物质和能量交换，分为三类：-闭口系统（控制质量）：无物质交换，有能量交换（如密闭容器内的气体加热）；-开口系统（控制体积）：有物质和能量交换（如汽轮机、锅炉）；-孤立系统：无物质和能量交换（理想化模型，实际不存在）。2.外界与边界：系统之外的物体为外界；分隔系统与外界的界面为边界（可固定、可移动，真实或虚拟）。3.工质：实现能量转换的工作物质（如蒸汽动力循环中的水蒸气、制冷循环中的制冷剂），需具备流动性、膨胀性、稳定性等特性。4.热力学状态：系统在某一时刻的物理状况，由状态参数描述（如温度、压力、体积等）。5.平衡状态：系统各部分参数不随时间变化，且与外界平衡（热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡），是热力学分析的基础假设。1.2状态参数1.分类：-强度参数：与系统质量无关（温度T、压力p、比体积v等），不可叠加；-广延参数：与系统质量成正比（体积V、内能U、焓H、熵S等），可叠加；单位质量的广延参数为比参数（如比内能u=U/m，比焓h=H/m）。2.核心状态参数：-温度（T）：描述系统冷热程度的物理量，微观上是分子平均动能的标志；国际单位K（开尔文），与摄氏温度t的关系：T=t+273.15；-压力（p）：单位面积上的作用力，工程上常用绝对压力pₐ、表压力p₉、真空度pᵥ；关系：pₐ=p₉+pₐₜₘ（大气压），pᵥ=pₐₜₘ-pₐ（pₐ<pₐₜₘ时）；单位：Pa（帕斯卡）、kPa、MPa；-比体积（v）：单位质量工质的体积，与密度ρ互为倒数（v=1/ρ），反映工质的稀疏程度。二、热力学第一定律（能量守恒定律）2.1核心原理能量既不能创造，也不能消灭，只能从一种形式转换为另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，总能量保持不变。工程热力学中重点关注热能与机械能的转换。2.2闭口系统能量方程1.基本表达式：Q=ΔU+W，其中：-Q：系统与外界的热量交换（Q>0为系统吸热，Q<0为放热）；-ΔU=U₂-U₁：系统内能变化（U为广延参数，u为比内能）；-W：系统对外界做的功（W>0为系统对外做功，W<0为外界对系统做功）。2.比参数形式：q=Δu+w（q=Q/m，w=W/m）。3.应用要点：闭口系统无物质交换，能量交换仅通过热量和体积功（膨胀功/压缩功）实现；对于可逆过程，体积功w=∫pdv（1→2）。2.3开口系统能量方程（稳定流动能量方程）1.稳定流动假设：系统参数不随时间变化，流入与流出质量相等（m₁=m₂=m），能量累积为零。2.基本表达式：H₁+(c₁²)/2+gz₁+Q=H₂+(c₂²)/2+gz₂+Wₛ，其中：-H=U+pV（焓，广延参数），h=u+pv（比焓，工程中常用，简化开口系统能量计算）；-(c²)/2：宏观动能（c为流速）；-gz：重力势能（g为重力加速度，z为高度）；-Wₛ：轴功（系统通过轴对外输出的功，如汽轮机轴功，Wₛ>0为系统对外输出轴功）。3.简化形式（工程常用）：对于多数热力设备（如锅炉、汽轮机、换热器），动能和势能变化极小（Δ(c²/2)≈0，Δ(gz)≈0），能量方程简化为：-换热器（无轴功）：q=h₂-h₁；-汽轮机/压缩机（绝热，Q≈0）：wₛ=h₁-h₂（汽轮机wₛ>0，压缩机wₛ<0）。三、热力学第二定律（能量转换方向性定律）3.1核心问题热力学第一定律仅说明能量守恒，未揭示能量转换的方向性和限度；第二定律明确：自发过程具有方向性（如热量从高温传向低温，机械能可完全转为热能，反之不可自发实现）。3.2经典表述1.克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化（解释制冷循环需外界输入功）。2.开尔文-普朗克表述：不可能制造一种循环热机，只从单一热源吸热，使之完全变为功而不引起其他变化（否定第二类永动机）。3.实质：所有自发过程都是不可逆的，能量转换存在限度。3.3熵与熵增原理1.熵的定义（可逆过程）：dS=δQᵣ/T，比熵ds=δqᵣ/T（S为广延参数，熵是状态参数，与过程无关）。2.熵增原理：对于孤立系统，ΔSᵢₛₒₗ≥0，其中：-ΔSᵢₛₒₗ=0：可逆过程；-ΔSᵢₛₒₗ>0：不可逆过程；-熵增原理揭示了自发过程的方向性，是判断过程能否自发进行的依据。3.任意过程熵变计算：ds=cₚln(T₂/T₁)-Rln(p₂/p₁)（理想气体），或通过热力学图表（如蒸汽焓熵图）查取。3.4热力循环经济性指标1.热效率（循环热机经济性）：ηₜ=Wₙₑₜ/Qᵢₙ，其中Wₙₑₜ=Qᵢₙ-Qₒᵤₜ（循环净功，Qᵢₙ为循环吸热，Qₒᵤₜ为循环放热）；ηₜ<1，反映热量转换为功的限度。2.制冷系数（制冷循环）：ε=Q₂/Wₙₑₜ，其中Q₂为从低温热源吸热，Wₙₑₜ为外界输入净功（ε越大，制冷效率越高）。3.供热系数（热泵循环）：ε'=Q₁/Wₙₑₜ，其中Q₁为向高温热源放热（ε'=ε+1，热泵效率高于制冷）。四、理想气体的性质与热力过程4.1理想气体假设与状态方程1.理想气体：忽略分子间作用力和分子本身体积的理想化气体（实际气体在低压、高温下可近似为理想气体，如空气、烟气）。2.理想气体状态方程：-基本形式：pV=mRT或pv=RT；-通用气体常数R：与气体种类有关（如空气R=287J/(kg·K)）；-摩尔形式：pVₘ=R₀T（Vₘ为摩尔体积，R₀=8314J/(kmol·K)，通用气体常数，与气体种类无关）。4.2理想气体的内能与焓1.特性：理想气体内能u和焓h仅与温度有关（u=f(T)，h=f(T)），与压力、体积无关。2.比热容：-定容比热容cᵥ：v=常数时，cᵥ=(∂u/∂T)ᵥ，Δu=∫cᵥdT（1→2）；-定压比热容cₚ：p=常数时，cₚ=(∂h/∂T)ₚ，Δh=∫cₚdT（1→2）；-迈耶公式：cₚ-cᵥ=R；-比热容比k=cₚ/cᵥ（空气k≈1.4）。4.3理想气体基本热力过程（可逆过程）1.四大基本过程（定容、定压、定温、绝热）对比：过程名称过程方程体积功w热量qΔu/Δh熵变ds定容过程（v=常数）p/T=常数0（无体积变化）Δu=cᵥΔTΔu=cᵥΔT；Δh=cₚΔTcᵥln(T₂/T₁)定压过程（p=常数）v/T=常数pΔv=RΔTΔh=cₚΔTΔu=cᵥΔT；Δh=cₚΔTcₚln(T₂/T₁)定温过程（T=常数）pv=常数RTln(v₂/v₁)=RTln(p₁/p₂)w（Δu=0）Δu=0；Δh=0Rln(v₂/v₁)=-Rln(p₂/p₁)绝热过程（q=0）pvᵏ=常数；Tᵏ/p^(k-1)=常数；T/v^(k-1)=常数Δu=cᵥ(T₁-T₂)0Δu=cᵥΔT；Δh=cₚΔT0（可逆绝热为定熵过程）2.多变过程：涵盖四大基本过程的通用过程，方程为pvⁿ=常数（n为多变指数）；当n=0为定压过程，n=1为定温过程，n=k为绝热过程，n→∞为定容过程。五、实际气体与蒸汽性质5.1实际气体与理想气体的差异实际气体分子间存在作用力（内聚力）和分子体积，高压、低温下偏差显著（如蒸汽、制冷剂），需用实际气体状态方程（如范德华方程、R-K方程）或热力学图表（焓熵图h-s、压容图p-v）描述。5.2水蒸汽的产生过程（定压加热）1.三个阶段：-未饱和水→饱和水：定压加热，温度升高至饱和温度tₛ（对应压力p下的沸点），未饱和水变为饱和水；-饱和水→干饱和蒸汽：继续定压加热，饱和水汽化，温度保持tₛ不变，形成饱和水与饱和蒸汽的混合物（湿饱和蒸汽），直至完全变为干饱和蒸汽；-干饱和蒸汽→过热蒸汽：继续定压加热，温度升高超过tₛ，蒸汽为过热蒸汽（工程中动力设备多使用过热蒸汽，提升循环效率）。2.关键参数：-干度x：湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数（x=0为饱和水，x=1为干饱和蒸汽）；-湿饱和蒸汽比参数：h=h'+x(h''-h')，v=v'+x(v''-v')，s=s'+x(s''-s')（h'、v'、s'为饱和水参数，h''、v''、s''为干饱和蒸汽参数）。5.3水蒸汽图表应用1.常用图表：h-s图（焓熵图）最常用，可直接查取h、s、t、v、x等参数，用于热力过程（如汽轮机膨胀）的功和热量计算。2.应用步骤：根据已知参数（如p、t、x）确定状态点，在图表上查找对应参数，代入能量方程计算。六、热力循环6.1循环分类与评价指标1.分类：动力循环（将热能转为机械能，如蒸汽动力循环、燃气动力循环）、制冷循环（将热量从低温传向高温，消耗功）、热泵循环（向高温供热，消耗功）。2.评价指标：动力循环用热效率ηₜ，制冷循环用制冷系数ε，热泵循环用供热系数ε'（见3.4节）。6.2蒸汽动力循环（朗肯循环）1.基本组成（四大设备）：-锅炉：水定压加热变为过热蒸汽（过程1→2）；-汽轮机：过热蒸汽绝热膨胀对外做功（过程2→3）；-凝汽器：乏汽（汽轮机排出的蒸汽）定压放热，凝结为饱和水（过程3→4）；-水泵：饱和水绝热压缩，压力升高至锅炉压力（过程4→1）。2.热效率计算：ηₜ=(wₙₑₜ)/qᵢₙ=(h₂-h₃-(h₁-h₄))/(h₂-h₁)；由于水泵耗功(wₚ=h₁-h₄)远小于汽轮机做功(wₜ=h₂-h₃)，可近似为ηₜ≈(h₂-h₃)/(h₂-h₁)。3.提高效率的措施：提高蒸汽初温初压、降低乏汽压力（凝汽器真空度）、采用回热循环（利用乏汽余热加热给水）、再热循环（高压蒸汽膨胀后再加热，再低压膨胀）。6.3燃气动力循环（奥托循环、狄塞尔循环）1.奥托循环（汽油机循环）：定容加热循环，四个过程：绝热压缩（1→2）→定容加热（2→3）→绝热膨胀（3→4）→定容放热（4→1）；热效率ηₜ=1-1/(ε^(k-1))（ε为压缩比，ε=v₁/v₂）。2.狄塞尔循环（柴油机循环）：定压加热循环，四个过程：绝热压缩（1→2）→定压加热（2→3）→绝热膨胀（3→4）→定容放热（4→1）；热效率ηₜ=1-[1/(ε^(k-1))]×[(ρᵏ-1)/(k(ρ-1))]（ρ为预胀比，ρ=v₃/v₂）。6.4制冷循环（蒸汽压缩制冷循环）1.基本组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。2.四个过程：-蒸发器：制冷剂定压吸热汽化（1→2，从低温环境吸热）；-压缩机：制冷剂绝热压缩，压力、温度升高（2→3）；-冷凝器：制冷剂定压放热，凝结为液体（3→4，向高温环境放热）；-节流阀：制冷剂节流膨胀，压力、温度降低