工程热力学总复习

2023/2/31热力学本质和起源thermodynamicsthermo热dynamics↘↙动力学热力学

即由热产生动力，事实上，热力学起源是源于对热机的研究（1763～1784年间，Watt的凝汽式单缸蒸气机）。

工程热力学是研究热能有效利用以及热能与其他能量转换规律的科学。

2023/2/32全书内容划分第3章气体和蒸汽的性质第4章气体和蒸汽基本热力过程及热力学一般关系式第6章实际气体性质第1章基本概念及定义第2章热力学第一定律第5章热力学第二定律第12章理想气体混合物及湿空气第7章气体和蒸汽的流动第8章压气机的热力过程第9章气体动力循环第10章蒸汽动力装置循环第11章制冷循环热力学基本概念

和基本理论工质性质基本热力过程以及应用2023/2/33热物质功功热物质物质功物质绝热热力系孤立热力系闭口热力系开口热力系1.闭口系—与外界无物质交换的热力系。

2.开口系—与外界有物质交换的热力系。

3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。

4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。第一章基本概念及定义灵活掌握：按具体分析需要划分系统2023/2/34本课程主要涉及两类系统：闭口系和稳流的开口系闭口系开口系2023/2/35第一章基本概念状态参数具有以下特征：变化量与路径无关。P、T、v、U、H和S;

对简单可压缩系统，热功转换中只存在体积变化功。。基本状态参数，掌握①温标转换②压力测量（转换）③比体积与密度的转换。

状态参数坐标图：1v1Opvp12p2v2压容图sOTs22T21T1s1温熵图2023/2/36平衡与稳定平衡与均匀第一章基本概念可逆＝准平衡＋无耗散效应＝无不平衡势和摩擦

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。2023/2/37第一章基本概念sT1s1T12s2T2vp1v1p12v2p2功和热是过程量，可逆过程功和热在状态参数坐标图上表示。2023/2/38小结vpTT1T2abdcs1s2dbacq1q2q1q2sssT2T1Δsabwnet21qq-=wnet1.首先，（经抽象和简化）对所需研究的对象主观地划分系统。2.将其状态、经历的过程、循环表示在pv图和Ts图上。3.计算过程（比）功量、热量和效率、功率等。2023/2/39各种热工装置的热力学共性内容归纳

内燃机装置

燃气轮机装置

蒸汽动力装置

装置名称工作物质热源冷源功水蒸汽

高温物体

冷却水

对外输出功燃气

燃烧烟气

大气

对外输出功燃气

燃烧烟气

大气

对外输出功压缩制冷装置

制冷剂被冷却物体

大气

消耗功2023/2/310第二章热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。“热可以变为功，功也可以变为热。在热能和机械能之间相互转换时，一定量的热消失时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。”各章基本知识点实质是能量的收支平衡：进入能量-离开能量=储存能变化

2023/2/311第二章热力学第一定律各章基本知识点焓=热力学能+推动功技术功=容积功-流动功(推动功之差)

对流动工质(开口系统)，焓表示随工质流动而携带的，取决于热力状态的能量。2023/2/312第二章热力学第一定律闭口系能量平衡方程式：各章基本知识点只有对可逆过程，有稳定流动开口系统能量方程式：vp1v1p12v2p20P1v1P2v2膨胀功w技术功wt2023/2/313第二章热力学第一定律热力学第一定律的能量方程式在工程上应用很广，但首先要对其不同的形式有较为全面的认识：从闭口系推导，与开口系方程形式不同，实质相同在闭口、开口系均成立，应用于闭口系时，不存在推动功p1v1、p2v2，轴功wi要变为膨胀功w，开口、闭口系统；稳定、不稳定流动；可逆、不可逆过程。2023/2/314第二章热力学第一定律一、动力机：wi=-△h=h1-h2=wt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：wC=-wi=△h=h2－h1=－wt工质在其中被压缩，外界对其做功全部转变为工质焓增。三、换热器：q=△h=h2-h1工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。四、管道：1/2（cf22－△cf12）=h1-h2工质的焓降用于增加其自身动能。五、节流：h1=h2节流前后工质的焓值保持不变。各章基本知识点2023/2/315第三章气体和蒸汽的性质理想气体的概念：微观模型＋现实应用模型：①分子本身不占体积，②分子间没有作用力。现实应用：工程中常用的氧气、氮气、空气、燃气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：氨、氟里昂、水蒸气……各章基本知识点2023/2/316第三章气体和蒸汽的性质各章基本知识点四种形式的理想气体状态方程：2023/2/317理想气体的比热容比热容是过程量各章基本知识点定容比热容定压比热容一般关系式，适用于任何工质2023/2/318比值γ＝cp/cv称为比热容比(＝绝热指数)，非定值迈耶公式2023/2/319比热应用的4种形式<1>真实比热容(多项式拟合)：<2>平均比热容(区域平均)-查表，准确<3>平均比热容直线关系式<4>定值比热容：给定、查表、按分子运动理论导出(绝热指数)2023/2/320理想气体热力学能和焓只是温度的单值函数，与p、v无关熵是描述热力系的状态参数，与途径无关。2023/2/321理想气体熵方程虽从可逆过程推导而来，但只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用即理想气体的熵变Δs1-2完全取决于初态和终态，∴熵为状态参数理想气体熵方程2023/2/322水蒸气水的相图和三相点、临界点；水定压加热汽化过程的图示；水蒸气热力性质图表的熟悉和使用。各章基本知识点一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。2023/2/323未饱和水状态饱和水状态湿饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态过热蒸汽状态过热阶段水蒸汽的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的预热阶段水蒸汽的定压加热气化过程干度x2023/2/324一点、二线、三区、五态各章基本知识点加热汽化过程在p－v图和T－s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、干饱和蒸汽及过热蒸汽。pTa’’b’’c’’d’’e’’a’’b’’c’’d’’e’’abcdeabcdea’b’c’d’e’a’b‘c’d’e’饱和水线饱和水线饱和蒸汽线饱和蒸汽线临界点临界点pcr=22.064MPaTcr=647.14K2023/2/325第四章气体和蒸汽的基本热力过程典型过程：定容、定压、定温和绝热；<1>根据系统平衡的性质及过程中系统与外界热传递和功传递的特定条件，建立过程方程式p=f(v)。<2>借助过程方程和状态方程,找出不同状态间的参数关系,进而相互确定之（对于实际气体，常采用图表计算）。<3>在p-v图和T-s图中画出过程曲线,直观地描述过程中参数的变化规律及能量转换情况。<4>计算热力过程始、末状态间的比热力学能,比焓和比熵的变化量（△u、△h、△s）。<5>确定1kg工质对外作出的功和过程热量。分析热力过程的一般步骤2023/2/326第四章理想气体的热力过程定容过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点V=Constant公式都只给出定比热容的形式，对于变比热容的情况，请自行变换。参照P101，注意k值也非定值。2023/2/327第四章理想气体的热力过程定压过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点p=Constant2023/2/328第四章理想气体的热力过程定温过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点T=Constant2023/2/329第四章理想气体的热力过程定熵过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点2023/2/330第四章理想气体的热力过程多变过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点2023/2/331第四章理想气体的热力过程各章基本知识点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p-v和T-s图上表示（习题4-12）。vpsT定压,n=0定压,n=0定容,n=∞定容,n=∞定温,n=1定温,n=1定熵,n=k定熵,n=k0<n<10<n<11<n<k1<n<kn>kn>k图4-3各种过程的p-v图和T-s图2023/2/332热力学第二定律可以概括为：一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的。第五章热力学第二定律

开尔文: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化的循环工作的热力发动机。

克劳修斯:热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。2种表述的相互证明。2023/2/333第五章热力学第二定律各章基本知识点p图5-3卡诺循环定温吸热定温放热绝热膨胀绝热压缩卡诺循环：吸热与放热过程中热源与工质间T=0时，热效率最高--定温吸、放热+绝热压缩、膨胀。2023/2/334第五章热力学第二定律各章基本知识点卡诺循环效率：卡诺定理定理一:在两个不同温度的恒温热源间工作的任一不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。定理二:在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，其热效率相等，与可逆循环的种类无关，与工质的性质无关。2023/2/335回热是提高热效率的一种行之有效的方法，被广泛采用。概括性卡诺循环多热源可逆循环

bcdafeT1T2Tsnnbcda321456T2T1Ts2023/2/336第五章热力学第二定律克劳修斯法导出状态参数--熵各章基本知识点PVO任意可逆循环看作无数个微元卡诺循环组成。微元卡诺循环图5-7熵参数导出用图熵S状态参数，变化量与路径无关，只与初终态有关，Tr1、Tr2是换热时的热源温度，统一用T表示。2023/2/337热力学第二定律的数学表达式：£òrTQd01、卡诺定理:

ηT≤ηC2、判断循环是否可逆的克劳修斯积分不等式3、判断过程是否可逆的热二律表达式4、孤立系统熵增原理：dSiso=Sg≥02023/2/338孤立系熵增原理及其应用孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，各章基本知识点热源熵变工质熵变冷源熵变由卡诺定理二可知：＜dS=0>01、热功过程2023/2/339第七章气体和蒸汽的流动熟悉当地声速、绝热滞止、马赫数、喷管的类型、扩压管等概念；喷管的计算（状态判断、出口面积、出口速度）和选型；了解背压变化时喷管内流动过程、有摩阻的绝热流动和绝热节流等。各章基本知识点2023/2/340稳定流动的基本方程式：四、声速方程三、过程方程式二、稳定流动能量方程一、连续性方程状态参数，各截面声速不断变化2023/2/341促使流速改变的条件1、力学条件2、几何条件压力降低时技术功为正，故气流动能增加，流速增加；相反，如压力升高，则流速必降低。反过来，要使气流速度增加，必须膨胀以降低其压力。符合几何条件则膨胀或压缩过程的不可逆损失减少，截面面积的变化规律与Ma的高低有关，也与是膨胀还是压缩有关（是喷管还是扩压管）。2023/2/342各章基本知识点图8-3喷管(dp<0,dv>0,dcf>0)Ma<1Ma>1Ma<1Ma>1Ma＝1dA<0

渐缩dA>0

渐扩dA<0dA=0dA>0

缩放

Ma<1Ma=1Ma>1Ma<1→Ma>1喷管dA<0dA=0dA>0dA<0→dA>0dcf>0渐缩临界截面渐扩缩放（拉伐尔）扩压管是使工质流过后，速度降低而压力升高的设备。气体在扩压管中的能量转换过程，正好和喷管中的过程相反2023/2/343喷管两种计算各章基本知识点设计计算校核计算已知进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)、流量qm

喷管形状、尺寸(A2、Acr)、进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)求喷管形状、尺寸(A2)、出口参数(t2、cf2)出口参数(t2、cf2)、流量qm

关键

p2=pb

p2≥pcr

渐缩喷管

p2＜pcr

缩放喷管缩放喷管p2=pb

渐缩喷管p2=pcr

(p2＜pcr)；p2=pb

(p2＜pcr）

2023/2/344*了解背压变化时喷管内流动过程：渐缩喷管1.pb>pcr，气体能够完全膨胀，p2=pb。AB2.pb＝pcr，刚好完全膨胀，p2=pb=pcr。达到当地声速cf,cr，和最大流量qm,max。AC3.pb<pcr，膨胀不足。p2=pcr和cf,cr、qm,max。ACD各章基本知识点DpABCp0p2pbpcrDp0p2pbpABCGEFp0缩放喷管1.pb＝设计出口压力p2:ABC。2.pb<p2，膨胀不足:CD。3.pb>p2:过度膨胀:EG。2023/2/345绝热节流的特点

节流过程不可逆

节流前后流体的焓不变

节流后压力下降、比体积增大速度变化曲线压力变化曲线节流的温度效应理想气体节流温度零效应，其他大多数气体节流后变冷2023/2/346第八章压气机的热力过程单级活塞式压气机的工作原理：三种理想压缩过程的耗功和做功量的比较；多级压缩和级间冷却的图示及其优点（安全性、耗功）；余隙容积的影响、容积效率；等温压缩效率和绝热压缩效率等概念；叶轮式压气机工作过程的图示分析；各章基本知识点2023/2/347单级活塞式压气机的工作原理f－1：进气过程；1－2：压缩过程；2－g：排气过程。图9-1活塞式压气机示功图WcH1H2Q≈?VpP11P22gfV1V2压气机不是动力机，压气机内进行的不是热力循环。mn2023/2/348三种理想压缩过程两个极限的压气过程：即绝热压缩和等温压缩。+多变压缩过程（1<n<k），压缩过程有热量传出，气体温度也有所升高。特点：各章基本知识点vpP11P22T2s2nsTP11P22s2n2T图9-2压缩过程的p-v图和T-s图2023/2/349余隙容积和容积效率

增压比π↑,ηV↓;Vc/Vh↑,ηV↓。即余隙容积的存在限制了增压比的提高。各章基本知识点图9-3有余隙容积时的示功图H1H2Vp4132gf06V=V1-V4·Vh=V1-V3VcV4-V6有效吸气容积(V1-V4)/活塞排量(V1-V3)耗功量仍为：2023/2/350多级压缩和级间冷却的优点：耗功↓、终温↓、高压气缸比体积↓，直径↓。

<1>每级压气机所需的功相等。<2>每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同（T2=T3）。<3>每级向外排热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排热量也相等。各章基本知识点图9-4两级压缩、中间冷却压气机示意图（b）多级压缩和级间冷却

省功2023/2/351活塞式压缩机的评价指标：叶轮式压气机的评价指标：各章基本知识点定温效率绝热效率可逆定温压缩过程耗功实际压缩过程耗功可逆绝热压缩过程耗功实际压缩过程耗功2023/2/352第九章气体动力循环活塞式内燃机的三种理想加热循环；三种理想加热循环的热经济性的计算比较；布雷顿(Brayton)循环的图示及其热效率计算。各章基本知识点2023/2/353图10-4混合加热理想循环（1）压缩比：压缩前、后比体积之比，表征内燃机工作体积大小。（2）定容增压比:

定容加热后与加热前压力之比，表示内燃机定容燃烧情况。（3）定压预胀比:

定压加热后与加热前比体积之比，表示内燃机定压燃烧情况。pv12345Tsv12345pvss混合加热循环2023/2/354图10-4混合加热理想循环pv12345Tsv12345pvss混合加热循环循环中工质从高温热源吸收的热量q1为：向低温热源放出的热量q2为：循环净功wnet为：据循环热效率定义有：定容和定压吸热2个过程2023/2/3553-4是定压过程，有:

2-3是定容过程，有:

1-2是定熵过程，有:

由于5-1是定容过程，所以:2023/2/356上式说明：

<1>ηt随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高。

<2>ηt随定压预胀比ρ的增大而降低。混合加热循环的热效率为:ε=v1/v2↑,T2↑λ=p3/p2↑,T3↑平均吸热温度升高因为定容线比定压线陡，平均放热温度的提高比平均放热温度的提高要大pv12345Tsvε=v1/v2↑,T2↑2023/2/357各章基本知识点定容加热循环（汽油机）绝热膨胀绝热压缩定容放热定容吸热3241pvss绝热膨胀绝热压缩定容吸热定容放热3241Tsvv2023/2/358定压加热循环（低速柴油机）绝热膨胀绝热压缩定压吸热定容放热3241pvss绝热膨胀绝热压缩定压吸热定容放热3241Tspv2023/2/359各种理想循环的热力学比较压缩比ε相同、q1相同的比较：各章基本知识点Ts3’122’4’343’’4’’abb’b’’定压混合定容最高压力和温度相同时的比较：定压混合定容33’2”2’21564T0sTmaxpmaxT1V,mT1m,mT1p,mT2mTminpmin2023/2/360燃气轮机布雷顿循环各章基本知识点绝热膨胀3214pfe0v绝热压缩定压吸热定压放热3n214msT0p2p1绝热压缩定压吸热定压放热绝热膨胀布雷顿循环的特性参数是循环增压比π和循环增温比τ，分别表示循环压力和温度的最大值与最小值之比。2023/2/361由于燃气轮机装置实际循环各过程都伴随有不可逆损失，主要是压缩过程和膨胀过程存在的摩擦等不可逆性→熵增、焓（温）升。燃气轮机装置的定压加热实际循环分析：压气机实际耗功wC=h2－h1＝(h2－h1)/C,s(10-16)

燃气轮机实际作功wT=h3－h4＝T(h3－h4) (10-17)利用两个效率参数

，可把循环内部热效率表示为：

3h122’44’Toefgs图10-19燃气轮机装置实际循环的T-s图压气机的绝热效率燃气轮机的相对内效率2023/2/362第十章蒸汽动力循环装置为什么不能采用工质为水蒸气的卡诺循环？朗肯循环，以及蒸汽参数对其热效率的影响；再热循环的目的及其热效率各章基本知识点2023/2/363为什么不能采用工质为水蒸气的卡诺循环？1、工质处于低干度的湿汽状态（点8）!水汽混合物的压缩（状态8）有困难，压缩机工作不稳定，而且8点的湿蒸汽比容比水大得多（通常大成千上万倍），需用比水泵大得多的压缩机，使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多，不利于动力机的安全。To43(2’)856127s2023/2/364各章基本知识点因为循环的热效率为略去水泵消耗比轴功，h3=h2’蒸汽动力装置的热效率为一般很小，占0.8-1%，新蒸汽焓乏汽焓凝结水焓朗肯循环热效率2023/2/3651、初温T1对热效率的影响。四、蒸汽参数对热效率的影响优点：循环吸热温度，，有利于汽机安全。缺点：

对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃，很少超过600℃;

汽机出口尺寸大1T2’x2’vthηt%0300350400450500550353637383940初温t℃32145T1T1’sT2023/2/3662、初压p1对热效率的影响th1T1p2’v2’x

提高初压将使绝热膨胀终点的干度下降。因为提高初温能提高乏汽的干度,所以提高初压和提高初温应同步进行。s325411`TT1550℃500℃400℃350℃0.480.440.400.36ηT036912151821p12023/2/3673、背压p2对热效率的影响优点：

局限：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相应的饱和温度t2约为27~33℃

，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天环境温度较低，可以达到较低的凝结温度，p2↓，热效率较高。此外，降低p2若不提高t1，亦会引起乏汽干度x2a降低，其后果与单独提高p1类似。2TthT561233aO78s2a2023/2/368再热循环P1234BCT

为了使x2↑,可采用再热循环:当新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器R或其他换热设备中，使之再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压p2。设备简图如右图所示。SR2023/2/369再热循环再热后膨胀到相同背压时干度x2增高，给提高初压创造了条件。 再热初衷是解决湿度问题。现在的初温提高了，初压力比较小的都不需要再热，而且再热的管道耗费、散热严重、控制困难。循环热效率与再热压力有关各章基本知识点Ts0543(2`)6b1ac2图11-9再热循环的T-s图即分子、分母均加上（ha-hb）。2023/2/370回热循环利用蒸汽回热消除朗肯循环中水在较低温度下吸热的不利影响,提高热效率,实际上是不同能级的热量的合理利用。各章基本知识点q2P113(2’)BSq16CTR2P240’2022actR1P3010’1α1kgα2kg(1-α1

-α2)kg(1-α1

)kg1

kg1

kg2023/2/371(1)回热循环的ηt大于单纯朗肯循环的ηt；(2)锅炉热负荷减低，可减少锅炉受热面积，节省金属材料；(3)汽耗率增大使高压端蒸汽流量增加，而抽汽减少了低压端的排汽流量，于是，解决了第一级叶片太短而末级叶片太长的矛盾。(4)可减少冷凝器换热面积，节省铜材。回热循环的优点:回热循环的特点:循环中工质自热源吸热量q1，向冷源放热量q2及循环净功wnet都比原朗肯循环的对应量要小。但由于工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，故循环热效率提高。回热效率提高的基本原理在于热能的分级、合理利用。2023/2/372第十一章制冷循环逆向循环的经济性能指标；压缩空气制冷循环可视为逆向布雷顿循环，对应的回热式循环的优点；压缩蒸汽制冷循环的图示及其制冷系数的表达。各章基本知识点压气机qcq01234冷库冷却器膨胀机2023/2/373第十二章制冷循环各章基本知识点制冷系数：热泵系数：逆向卡诺循环工程上把制冷系数称为制冷装置的工作性能系数，用COP表示。1423T1T2TsT0制冷循环热泵循环制冷量q2耗净功w0耗净功w0吸热量q2供热量q1sT2023/2/374第十二章制冷循环工程上气体的定温加热和定温排热不易实现，故用定压加热和定压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，各章基本知识点3vo142p9`44`s1`o3T20T71cT9658定压放热定压加热绝热膨胀绝热压缩2023/2/375第十二章制冷循环各章基本知识点把空气理想化成定比热容的理想气体,则有：循环增压比π↓、ε↑，但π↓会导致循环制冷量减少。制冷系数和制冷量是一