机械基础课：工程热力学

THERMODYNAMICS工程热力学热能转换规律与能量利用效率年份2026课程导览01热力学基础概念系统、状态与过程02热力学基本定律能量守恒与熵增03热力循环与应用卡诺与朗肯循环CHAPTER01热力学基础概念先划定系统，再谈能量热力系统划定分析边界热力学分析的第一步不是列方程，而是明确研究对象。概基本概念热力系统人为划定的有限物质或空间区域边界分隔系统与外界的界面外界边界以外与系统相互作用的物体按系统分类闭口系统（控制质量）：无物质穿过边界开口系统（控制体积）：有物质流穿过边界孤立系统：既无物质交换，也无能量交换选定系统、划清边界，是一切能量分析的前提。状态参数刻画系统面貌基本参数可直接或间接测出温度表征系统冷热程度的强度量，可直接由仪表测得。压力单位面积上的法向作用力，是决定系统状态的独立变量。比体积或密度单位质量的体积或其倒数，描述系统聚集态的广延量折算。导出参数由基本参数组合定义热力学能系统内部微观运动能量的总和，由状态参量单值确定。焓热力学能与流动功之和，工程计算中的常用组合量。熵度量系统微观状态数（无序度）的状态函数，由导出关系得到。两类参数强度与广延强度参数与系统规模无关，如温度、压力。这类参数不随系统大小增减，具有局域可测性。广延参数与物质数量成正比，如体积、热力学能；折算到单位质量后成为比参数。可逆过程是理想基准问题→对策常见误解实际过程因摩擦、温差传热等因素而不可逆，难以直接分析↓纠正真相引入可逆过程作为理想基准：系统经历正、反两过程后，系统与外界均能完全回复初始状态，不留任何痕迹可逆过程的两大条件过程无限缓慢，每一瞬间系统都接近平衡（准静态过程）现实中不存在，但为热力学分析提供理论基准评价价值评价流程完善度实际过程与可逆过程比较，即可评估过程的完善程度——差距越小，过程越接近理想。CHAPTER02热力学基本定律能量守恒定数量，熵增原理定方向第一定律锁定能量数量对热力系统，内能变化量等于外界传热与外界做功之和。热力学第一定律即能量守恒定律在热现象中的体现——能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式。数学表达ΔU=Q+WΔU：内能增量Q：系统吸热量W：外界对系统做的功推论与本质违背第一定律的第一类永动机不可能制成。第一定律解决能量转换的数量问题——热能可转化为机械能，但总量必须守恒。三种特例简化能量方程三种特例，各消一项绝热过程Q=0→ΔU=W，外界做功全部转为内能增量。等容过程W=0→ΔU=Q，吸热全部转为内能增量。等温过程ΔU=0→W=-Q，外界做功等于系统放热。一般形式Q=ΔU+W，功、热、内能三项俱全。开口系统改用稳定流动能量方程，计入工质流进流出携带的能量，是汽轮机、压气机等实际装置热力计算的核心工具。第二定律揭示过程方向第一定律只保证能量守恒，不回答过程能否发生。两种经典表述热力学第二定律的等价说法克劳修斯表述：热量不能自发从低温物体传向高温物体。开尔文表述：不可能从单一热源取热完全转换为有用功而不产生其他影响。共同指向自发过程的单向性第二类永动机不违背能量守恒，却违背宏观热现象的方向性。两种表述角度不同、本质相同，指明自发过程具有单向性。能量转换有方向，也有限度卡诺循环划定效率上限卡诺循环：理想热机的效率上限核心结论：卡诺效率是热机效率的理论上限，提高效率的根本方向是拉大冷热源温差。循环构成两个可逆定温过程等温吸热与等温放热两个可逆绝热过程绝热压缩与绝热膨胀构成理想热机模型理想热机模型的理论基础效率公式η=1−T₂/T₁卡诺循环热效率表达式只取决于T₁与T₂与工质性质无关高温热源T₁

与

低温热源T₂T₁越高、T₂越低，效率越高卡诺定理可逆热机效率最高同温热源与冷源间一切可逆热机效率相等与工质及具体循环无关熵增度量不可逆程度熵增原理：能量品质的不可逆衰减熵产恒正，能量品质必降。熵的状态定义熵衡量系统无序程度的状态参数，第二定律的数学表达归结为熵增原理。熵变拆分系统熵变=熵流+熵产系统熵变可拆分为熵流与熵产两项。熵流来自与外界的热量交换。熵产源于内部不可逆因素，恒不为负。统一判据过程方向·条件·限度熵增原理给出过程方向、条件与限度的判断依据。能量贬值原理能量品质在不可逆过程中必然降低。CHAPTER03热力循环与应用从卡诺极限走向朗肯工程水蒸气卡诺循环为何不可行理论可行，工程弃用——水蒸气卡诺循环的现实障碍热力学理想循环与工程实现的根本矛盾效率低、不安全、设备难，三重制约促使工程师转向朗肯循环。温差受限限于湿蒸汽区，冷热源温差不大，循环热效率偏低安全风险膨胀终点蒸汽湿度大，液滴侵蚀汽轮机末级叶片，危及运行安全设备难题湿饱和蒸汽绝热压缩需庞大压缩机，耗功巨大且压缩汽水混合物时运行极不稳定朗肯循环是电厂主力朗肯循环：蒸汽动力装置的基本热力循环结构清晰、设备成熟，热效率成为评价蒸汽发电系统的标准，广泛用于火电与核电等大型蒸汽动力装置。锅炉水等压吸热→过热蒸汽汽轮机蒸汽绝热膨胀→做功冷凝器乏汽等压放热→凝结成水水泵水绝热压缩→送回锅炉，闭合循环回热再热逼近高效循环高参数方向：超临界（压力>22.1MPa）→超超临界，蒸汽温度达600℃、压力达30MPa，持续逼近卡诺极限。效率提升总思路热力循环优化提高平均吸热温度、降低平均放热温度循环改进措施过热参数提高蒸汽压力与温度，降低排汽压力，减少排烟散热损失回热循环汽轮机