工程热力学基本概念及重要

1、第一章 基 本 概 念1.基本概念热力系统 ：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象， 称为热力系统，简称系统。边界 ：分隔系统与外界的分界面，称为边界。外界 ：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。闭口系统 ：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，也称控制质量。开口系统 ：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积， 简称控制体，其界 面称为控制界面。绝热系统 ：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。孤立系统 ：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。单相系 ：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系 ：由两个相

2、以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。单元系 ：由一种化学成分组成的系统称为单元系。多元系 ：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。均匀系 ：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。非均匀系 ：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。热力状态 ：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况， 称为工质的热力状态， 简称为 状态。平衡状态 ：系统在不受外界影响的条件下， 如果宏观热力性质不随时间而变化， 系统内 外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。状态参数 ：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。如温度（T）、压力（P

3、）、比容（）或密度（）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（ f）、自由焓（ g） 基本状态参数 ：在工质的状态参数中， 其中温度、 压力、比容或密度可以直接或间接地 用仪表测量出来，称为基本状态参数。温度 ：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量， 其物理实质是物质内部大量微观 分子热运动的强弱程度的宏观反映。热力学第零定律 ：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡， 则它们彼此之间也必然处 于热平衡。压力 ：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。相对压力 ：相对于大气环境所测得的压力。 如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压 力即为相对压力。比容 ：单位质量工质所具有的容积

4、，称为工质的比容。密度 ：单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。强度性参数 ：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同， 与质量多少无关， 没有 可加性，如温度、压力等。在热力过程中，强度性参数起着推动力作用，称为广义力或 势。广延性参数 ：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和， 如 系统的容积、内能、焓、熵等。在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移 的作用，称为广义位移。准静态过程 ：过程进行得非常缓慢， 使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的时间恢 复到新的平衡态， 从而使过程的每一瞬间系统内部的状态都非常接近平衡状态， 整个过 程可看作是由一系列

5、非常接近平衡态的状态所组成，并称之为准静态过程。可逆过程 ：当系统进行正、反两个过程后， 系统与外界均能完全回复到初始状态，这样 的过程称为可逆过程。膨胀功 ：由于系统容积发生变化 （增大或缩小） 而通过界面向外界传递的机械功称为膨 胀功，也称容积功。热量 ：通过热力系边界所传递的除功之外的能量。热力循环 ：工质从某一初态开始， 经历一系列状态变化， 最后又回复到初始状态的全部 过程称为热力循环，简称循环。第二章 气体的热力性质1.基本概念理想气体 ：气体分子是由一些弹性的、忽略分子之间相互作用力（引力和斥力） 、不占 有体积的质点所构成。比热 ：单位物量的物体，温度升高或降低1K（1）所吸收

6、或放出的热量，称为该物体的比热。定容比热 ：在定容情况下， 单位物量的物体， 温度变化 1K（ 1）所吸收或放出的热量， 称为该物体的定容比热。定压比热 ：在定压情况下， 单位物量的物体， 温度变化 1K（ 1）所吸收或放出的热量， 称为该物体的定压比热。定压质量比热 ：在定压过程中，单位质量的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定压质量比热。当其温度变化1K1)时，物体和定压容积比热 ：在定压过程中，单位容积的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定压容积比热。当其温度变化1K1)时，物体和定压摩尔比热 ：在定压过程中，单位摩尔的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定压摩尔比热。当其温度变化1

7、K1)时，物体和定容质量比热 ：在定容过程中，单位质量的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定容质量比热。当其温度变化1K1)时，物体和定容容积比热 ：在定容过程中，单位容积的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定容容积比热。当其温度变化1K1)时，物体和定容摩尔比热 ：在定容过程中，单位摩尔的物体， 外界交换的热量，称为该物体的定容摩尔比热。当其温度变化1K1)时，物体和混合气体的分压力 ：维持混合气体的温度和容积不变时，各组成气体所具有的压力。道尔顿分压定律 ：混合气体的总压力 P 等于各组成气体分压力之和。混合气体的分容积 ：维持混合气体的温度和压力不变时，各组成气体所具有的容积。 阿密

8、盖特分容积定律 ：混合气体的总容积 V 等于各组成气体分容积之和。 混合气体的质量成分 ：混合气体中某组元气体的质量与混合气体总质量的比值称为混合气体的质量成分。混合气体的容积成分 ：混合气体中某组元气体的容积与混合气体总容积的比值称为混合 气体的容积成分。混合气体的摩尔成分 ：混合气体中某组元气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值称为 混合气体的摩尔成分。对比参数 ：各状态参数与临界状态的同名参数的比值。对比态定律 ：对于满足同一对比态方程式的各种气体，对比参数pr 、Tr 和vr 中若有两个相等，则第三个对比参数就一定相等，物质也就处于对应状态中。第三章 热力学第一定律1.基本概念热力学第一

9、定律 : 能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种 形式， 或从一个系统转移到另一个系统， 而其总量保持恒定， 这一自然界普遍规律称为 能量守恒与转换定律。 把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程， 即为热力学第 一定律。第一类永动机 ：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机，称为第一类永动机。热力学能 ：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。外储存能 ：也是系统储存能的一部分， 取决于系统工质与外力场的相互作用 （如重力位 能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能） 。这两种能量统称 为外储存能。轴功 ：系统通过机械轴与外界

10、传递的机械功称为轴功。流动功（或推动功） ：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体 而前进， 这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。 因此， 流动功是为维持流体通过 控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。焓 ：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。对于流动工质，焓 =内能 +流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。稳态稳流工况 ：工质以恒定的流量连续不断地进出系统， 系统内部及界面上各点工质的 状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。技术功 ：在热力过程中可被直接利用来作功的能

11、量，称为技术功。动力机 ：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。压气机 ：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。节流 ：流体在管道内流动， 遇到突然变窄的断面， 由于存在阻力使流体压力降低的现象。2.常用公式外储存能 ：宏观动能：12mc2重力位能：mgz1Ek2Ep式中g重力加速度。系统总储存能 ：1 E U Ek Ep或 E U 1mc2 mgz22eu12 c2gz3EU或e u (没有宏观运动，并且高度为零)热力学能变化 ：1 ducvdT，u2 cvdT1适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程2 u cv (T2 T1)30 / 24适用于理想气体一切过程或者实

12、际气体定容过程（用定值比热计算）3t2t2t1tucvdtcvdtcvdt cvm t02 t2t100t1cvm 0t1适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）24把 cv f T 的经验公式代入 u cvdT 积分。1适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算）nn5U U1 U 2U nUimiuii 1 i 1由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。26 u q pdv1适用于任何工质，可逆过程。7 u q适用于任何工质，可逆定容过程28 u pdv1适用于任何工质

13、，可逆绝热过程。9 U 0适用于闭口系统任何工质绝热、 对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。10 U Q W适用于质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。11. u q w适用于 1 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程12. du q pdv适用于微元，任何工质可逆过程13 u h pv热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。焓的变化 ：1 H U pV适用于 m 千克工质2 h u pv适用于 1 千克工质3 h u RT f T适用于理想气体24 dh cpdT ， h cpdT 1适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程5 h cp (T

14、2 T1)适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用定值比热计算t 2t2t1t t6 h cpdt cpdt cpdt cpm t02 t2 c pm t01 t1t100适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程用平均比热计算2 7把 cp f T 的经验公式代入 h cpdT 积分。1适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程， 用真实比热公式计算nn8 H H1 H 2 Hn Himihii1 i 1各组成气体焓又可表示由理想气体组成的混合气体的焓等于各组成气体焓之和，为单位质量焓与其质量的乘积。9热力学第一定律能量方程1 2 1 2 Qh22C22gz2m

15、2h12 C12gz1m1WSdECV适用于任何工质，任何热力过程。1210 dh q dc gdz ws适用于任何工质，稳态稳流热力过程11 dh q ws适用于任何工质稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。212 h q vdp1适用于任何工质可逆、稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。213 h vdp1适用于任何工质可逆、稳态稳流绝热过程，忽略工质动能和位能的变化。14 h q适用于任何工质可逆、稳态稳流定压过程，忽略工质动能和位能的变化。15 h 0适用于任何工质等焓或理想气体等温过程。熵的变化12q1T适用于任何气体，可逆过程。2 s sfsgsf 为熵流，其值可正、可负或为零

16、；sg 为熵产，其值恒大于或等于零。3 s cv ln T2 （理想气体、可逆定容过程）T14 s cp ln TT2 （理想气体、可逆定压过程）T15 s Rln v2 Rln p1 （理想气体、可逆定温过程）v1p26 s 0 （定熵过程）T2v2s cv lnRlnT1v1T2 cp ln T1Rln p2p1v2p2cp ln 2 cv ln 2 v1p1适用于理想气体、任何过程功量：膨胀功（容积功） ：21 w pdv 或 w pdv1适用于任何工质、可逆过程2 w 0适用于任何工质、可逆定容过程3 w p v2 v1适用于任何工质、可逆定压过程4 w RT ln v2适用于理想气体

17、、可逆定温过程5 w q u适用于任何系统，任何工质，任何过程。6 w q适用于理想气体定温过程。7 w u适用于任何气体绝热过程。28 wCvdT1适用于理想气体、绝热过程9wu1p1v1 p2 v2k11k1RT1T2RT1k1p2k1kp1适用于理想气体、可逆绝热过程10p1v1 p2v2n11n1R T1T2p2p1nn1n1RT1n1适用于理想气体、可逆多变过程流动功wf p2v2 p1v1技术功推动 1 工质进、出控制体所必须的功。121 wtc g z ws热力过程中可被直接利用来作功的能量，统称为技术功。12 2 wtdc gdz wst 2 s适用于稳态稳流、微元热力过程3

18、wt w p1v1 p2v2技术功等于膨胀功与流动功的代数和。4 wtvdp适用于稳态稳流、微元可逆热力过程25 wtvdp1适用于稳态稳流、可逆过程热量 ：1 q TdS 适用于任何工质、微元可逆过程。22 q Tds1 适用于任何工质、可逆过程 3 Q U W 适用于质量任何工质，开口、闭口，可逆、不可逆过程 4 q u w适用于 1 质量任何工质，开口、闭口，可逆、不可逆过程5 q du pdv 适用于微元，任何工质可逆过程。26 q u pdv1适用于任何工质可逆过程。1 2 1 2dECV7 Q h2 C2 gZ 2 m2 h1C1 gZ1 m122适用于任何工质，任何系统，任何过程

19、。128 q dh dc gdz ws 适用于微元稳态稳流过程9 q h wt适用于稳态稳流过程10 q u 适用于任何工质定容过程11 q cv T2 T1适用于理想气体定容过程。12 q h 适用于任何工质定压过程13 q c p T2 T1适用于理想气体、定压过程14 q 0适用于任何工质、绝热过程nk15 q cv T2 T1 n 1n1适用于理想气体、多变过程第四章 理想气体的热力过程及气体压缩1.基本概念分析热力过程的一般步骤： 1.依据热力过程特性建立过程方程式， (v) ；2. 确定初、终状态的基本状态参数；3. 将过程线表示在图及 T s图上,使过程直观， 便于分析讨论。4.

20、 计算过程中传递的热量和功量。绝热过程 ：系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程， 即 q 0或 q 0称 为绝热过程。定熵过程 ：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程，称为定熵过程。多变过程 ：凡过程方程为 pvn 常数的过程，称为多变过程。定容过程 ：定量工质容积保持不变时的热力过程称为定容过程。定压过程 ：定量工质压力保持不变时的热力过程称为定压过程。定温过程 ：定量工质温度保持不变时的热力过程称为定温过程。单级活塞式压气机工作原理： 吸气过程、压缩过程、排气过程，活塞每往返一次，完成 以上三个过程。活塞式压气机的容积效率 ：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比，称

21、为容积效率。活塞式压气机的余隙 ：为了安置进、 排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞， 在汽缸 端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙，称为余隙容积，简称余隙。最佳增压比 ：使多级压缩中间冷却压气机耗功最小时，各级的增压比称为最佳增压比。压气机的效率 ：在相同的初态及增压比条件下， 可逆压缩过程中压气机所消耗的功与实 际不可逆压缩过程中压气机所消耗的功之比，称为压气机的效率。热机循环 ：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机械能， 则此循环称为热机循环。2.常用公式气体主要热力过程的基本公式过程定容过程定压过程定温过程定熵过程多变过程过程指数 n01n过程方程常数常数常数=常

22、数n = 常数p1v1 p2v2nnp1v1p2v 2P、v、T 关系T2 p2T2 v2p1v1 p2v21T2 v2n1T2v2T1 p1T1 v1T1 v1T1 v11p2n1 p 2 n p1p1u、 h 、S 计算式uhScv(T2 T1)cp(T2 T1)cvln T2v T1u cv(T2 h cp(T2 S cP lnT1)T1)T2T1u0h0S Rln v2 v1 p1Rln 1p2u cv (T2h cp (T2S0T1)T1)u cv(T2h cp(T2S cv lnTT21T2 cp ln 2 Rl p T1v2 cp ln 2 cv v1T1)T1)Rln v2 v

23、1 p2 n2 p1 n p2 p1膨胀功1w u(p1v1 p2v2 )1 w(p1v1p2v2 )v21n1w p(v2v1)w RTlnv111R (T1 T2)n11R (T1T2)20n1w pdvR(T2 T1)RT ln p1p21RT1 1 P2RT1 1 P2 n 1 1 P1n1 n11 1P1热量n2q T s1q cdTquT1)qhq0n1cv(T2cp(T2 T1)wcv(T2T1)2Tds1(n 1)比热容cvcp0n cncv1vn备注 表中比热容为定值比热容多变指数 n： z 级压气机，最佳级间升压比：3.重要图表图 43 多变过程图图 4 3 多变过程图第五

24、章 热力学第二定律1. 基本概念热力学第二定律 ： 开尔文说法：只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。 克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。第二类永动机 ：从单一热源取得热量， 并使之完全转变为机械能而不引起其他变化的循 环发动机，称为第二类永动机。孤立系统 ：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。 孤立系统熵增原理 ：任何实际过程都是不可逆过程， 只能沿着使孤立系统熵增加的方向进行。定熵过程 ：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程，称为定熵过程。热机循环 ：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机

25、械能， 则此循环称为热机循环。制冷 ：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温称为制冷。制冷机 ：从低温冷藏室吸取热量排向大气所用的机械称为制冷机。热泵 ：将从低温热源吸取的热量传送至高温暖室所用的机械装置称为热泵。理想热机 ：热机内发生的一切热力过程都是可逆过程，则该热机称为理想热机。卡诺循环 ：在两个恒温热源间，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环， 称为卡诺循环。卡诺定理 ：1所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环，其热效率都相等，与采用哪 种工质无关。2在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。自由膨胀 ：气体向没有阻力空间的膨

26、胀过程，称为自由膨胀过程。第七章 水蒸气1基本概念未饱和水 : 水温低于饱和温度的水称为未饱和水（也称过冷水） .饱和水 : 当水温达到压力 P 所对应的饱和温度 ts 时，水将开始沸腾，这时的水称为饱和水。湿饱和蒸汽： 把预热到的饱和水继续加热， 饱和水开始沸腾， 在定温下产生蒸汽而形成 饱和液体和饱和蒸汽的混合物，这种混合物称为湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。干饱和蒸汽： 湿蒸汽的体积随着蒸汽的不断产生而逐渐加大， 直至水全部变为蒸汽， 这时的 蒸汽称为干饱和蒸汽（即不含饱和水的饱和蒸汽）2常用公式干度：干度x湿蒸汽中含干蒸汽的质 量湿蒸汽的总质量其中湿蒸汽的参数：过热蒸汽的焓：vxvxhxsxc

27、pm(t ts) 是过热热量，过热蒸汽的热力学能：过热蒸汽的熵：水蒸气定压过程：xvxvxhxs(1(1(1 x)v v x(v v )当 p 不太大， x 不太小时)x)hx)suxhxx(hx(spvxcpm(tt 为过热蒸汽的温度，uhr T dT s T cpTs Tsu h2h1h)s)ts)为过热蒸汽由pvh2Tsh1cpmp(v2 v1 )w q u或 w p(v2v1)xrrxTst 到的平均比定压热容。lnTTspwtvdp 0pTr dTr Ts scpscpm lnTs Ts p TTspm Tss水蒸气定容过程：vw pdv 0 vquu h2 h1 v(p2 p1)p

28、2wtp vdp v(p1 p2)p1水蒸气定温过程：q T(s2 s1)w q uwt q hu h2 h1 (p2v2 p1v1)水蒸气绝热过程：q0wuwthu h2 h1 (p2v2 p1v1)3重要图表7-1 凝固时体积膨胀的物质的图 图 7-2 凝固时体积缩小的物质的图图 7-6 水蒸气的图图 7-5 水蒸气的图图 7-10 水蒸气的定容过程图 7-9 水蒸气的定压过程图 7-11 水蒸气的定温过程图 7-12 水蒸气的定熵过程第八章 湿空气1. 基本概念湿空气：干空气和水蒸气所组成的混合气体。饱和空气：干空气和饱和水蒸气所组成的混合气体。未饱和空气：干空气和过热水蒸气所组成的混合

29、气体。 绝对湿度：每立方米湿空气中所含有的水蒸气质量。 饱和绝对湿度：在一定温度下饱和空气的绝对湿度达到最大值，称为饱和绝对湿度 相对湿度：湿空气的绝对湿度 v 与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度 s 的比值含湿量 （比湿度 ）：在含有 1 干空气的湿空气中，所混有的水蒸气质量饱和度：湿空气的含湿量 d 与同温下饱和空气的含湿量的比值湿空气的比体积：在一定温度 T和总压力 p下，1 干空气和 0.001d 水蒸气所占有的体积湿 空气的焓： 1 干空气的焓和 0.001 水蒸气的焓的总和第九章 气体和蒸汽的流动1基本概念稳态稳流：稳态稳流是指开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而变化的流

30、动，但在系统内不同点上，参数值可以不同。 为了简化起见， 可认为管道内垂直于轴向的任 一截面上的各种参数都均匀一致，流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。使其流速降低为零， 这时气定熵滞止参数： 将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压， 体的参数称为定熵滞止参数。减缩喷管：当进入喷管的气体是 M < 1 的亚音速气流时， 这种沿着气体流动方向喷管截面积逐渐缩小的喷管称为渐缩喷管。这种沿气流方向喷管截面积逐渐扩喷管： 当进入喷管的气体是 M > 1 的超音速气流时， 渐扩大的喷管称为渐扩喷管。缩放喷管： 如需要将 M < 1 的亚音速气流增大到 M > 1的超音速气流， 则喷管截面积应 由 < 0 逐渐转变为 > 0，即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大，这种喷管称为渐缩渐扩喷管，或简称缩放喷管，也称拉伐尔（）喷管。节流： 节流过程是指流体（液体、气体）在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等设备 时，由于局部阻力，