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对象的有限物质系统。v外界

2、：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、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立

3、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 2ab当当 p pbbgpppvbppp当当 p pb表压力表压力 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

4、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

5、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损耗sT1s1T12s2T2vp1v1p12v2p221 21qTds2121pdvw第二章第二章 热力学第一定律热力学

6、第一定律QUWtQHW21WpdV21tWV dp quwtqhw21wpdv21twvdp 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 = mc2/2宏观势能：宏观势能：E p = mgzUUthUk 平移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能 Tf1UpvTf,2),(vTfU UchUnu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

7、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

8、 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pApVdlu 焓焓（Enthalpy)定义：定义： pvuhpVUH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

9、+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。iffCVWmgzchmgzchdEQ112112222222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

10、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：swzzgcchhq12212212212s12qhcgzw 动能动能轴功轴功位能位能稳稳流流能量方程能量方程技术功技术功wttwhq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

11、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？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

12、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

13、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2t,C11TT 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

14、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

15、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0TQ可逆可逆 “=”不可逆不可逆“ 0，熵增，熵增0adS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：gdSTQdSTQdSf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gfdSdSdS热二律表达式之一热二律表达式之一其中：其中：0gdS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

16、的度量。第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律gSTQmsmsS2211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：0gdS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

17、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dqcTVVucTpphcTpVgccR.pVckconstc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 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

18、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eqeqeqgMKmolJMRR3145.8,iiiieqMxnMnMippiVV,eqg iiiiig eqMRxMRgpR Tv21VucTT 21phcTT 8 .3 1 4 5gJm o lKRRMMVd ucd Tpdhc d

19、T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erqdsTv2211grQSSST cncn2211pVs vpvpcn2211VgTsRT vvn2211pgTpscnRTp 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计算计算能量交换能量交换V=Constant1212TTpp1212/ln/ln,ppcTTcsTchTcuVVpVTRpvwgt0wTcuqVVn 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

20、,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=Constant1212TTvv1212/ln/ln,vvcTTcsTchTcuVVpV0twTRvpwgTchqpP0n 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：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=Constant2112vvpp1221/ln/ln, 0, 0vvRppRshugg)()/ln()/ln(12211112ssTppvpvvTRqwwgtT1n 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

21、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n0,sTchTcupV0q常数kpv1 122kkp vp vS12211()nnTpTp12112()nTTvv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(,12TTcsTchTcunpVTcqn常数npv1 122nnp 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）：）：nnvpv

22、p2211)ln()ln(1212vvppn适用：初、终参数计算适用：初、终参数计算多变过程多变过程vp实际过程实际过程120n sTvp0n n n 1n 1n nknk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：vpP11P22T2s2nsTP11P22s2n2T压缩压缩过程的过程的p

23、-v图和图和T-s图图TnsTnsTCnCsCvvvTTTwww, 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)12vv32pp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2t11111qq 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)12vv32pp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