工程热力学知识点电子版

工程热力学知识点电子版一、基本概念

（一）热力系统1.定义热力系统是指人为选取的、用于分析研究的有限物质系统。系统之外的物质和空间称为外界或环境。例如，在研究汽车发动机时，可以将发动机内部的工质（如空气和燃料的混合物）作为一个热力系统。2.分类闭口系统：与外界没有物质交换，只有能量交换。如密封在刚性容器内的气体。开口系统：与外界既有物质交换又有能量交换。如汽轮机，蒸汽不断进入又流出。绝热系统：与外界没有热量交换的系统。如用绝热材料包裹的热力设备。孤立系统：与外界既无物质交换也无能量交换的系统。这是一种理想化的概念，宇宙可近似看作孤立系统。

（二）状态参数1.定义用来描述热力系统状态的宏观物理量称为状态参数。例如，压力（p）、温度（T）、比体积（v）、内能（u）、焓（h）、熵（s）等。2.基本状态参数压力（p）定义：垂直作用于单位面积上的力。单位有帕斯卡（Pa）、兆帕（MPa）等。测量：常用的压力测量仪器有弹簧管压力表、U形管压力计等。温度（T）定义：表征物体冷热程度的物理量。单位有开尔文（K）、摄氏度（℃）等。热力学第零定律是温度测量的基础，即如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。比体积（v）定义：单位质量工质所占的体积，单位为立方米每千克（m³/kg）。与密度（ρ）的关系为\(v=\frac{1}{\rho}\)。

（三）平衡状态1.定义热力系统在没有外界作用的情况下，如果宏观热力性质不随时间变化，则系统处于平衡状态。例如，一个放在恒温环境中的密闭容器内的气体，当气体内部压力、温度均匀且不随时间改变时，就处于平衡状态。2.平衡的类型热平衡：系统内部温度均匀，不存在热传递。力平衡：系统内部压力均匀，不存在压力差引起的宏观运动。相平衡：当系统中存在多种相态时，各相态的质量不随时间变化。

（四）准静态过程1.定义过程进行得非常缓慢，系统在任意时刻都无限接近平衡状态，这样的过程称为准静态过程。例如，气缸中气体的缓慢膨胀过程，活塞移动速度极慢，气体内部压力、温度随时保持均匀，可近似看作准静态过程。2.特点准静态过程中，系统的状态变化可以用状态参数的连续变化来描述，可在pv图、Ts图等状态参数坐标图上表示出来。

二、热力过程

（一）定容过程1.定义工质比体积保持不变的过程称为定容过程，即\(v=const\)。例如，在刚性容器内气体的加热或冷却过程就是定容过程。2.过程方程根据理想气体状态方程\(pv=RT\)，定容过程中\(p/T=const\)。3.能量关系热量：\(q_v=u_2u_1=c_v(T_2T_1)\)，其中\(c_v\)是定容比热。功量：因为\(v=const\)，所以\(w=0\)。内能变化：\(\Deltau=q_v\)。

（二）定压过程1.定义工质压力保持不变的过程称为定压过程，即\(p=const\)。例如，活塞在气缸中无摩擦地缓慢移动，气缸内气体压力不变，该过程为定压过程。2.过程方程由理想气体状态方程可得\(v/T=const\)。3.能量关系热量：\(q_p=h_2h_1=c_p(T_2T_1)\)，其中\(c_p\)是定压比热，且\(c_pc_v=R\)。功量：\(w=p(v_2v_1)\)。焓变化：\(\Deltah=q_p\)。

（三）定温过程1.定义工质温度保持不变的过程称为定温过程，即\(T=const\)。例如，在有良好导热性能的气缸中，气体缓慢膨胀或压缩，与外界有充分的热交换以保持温度不变，就是定温过程。2.过程方程\(pv=const\)。3.能量关系热量：\(q=w=RT\ln\frac{v_2}{v_1}=RT\ln\frac{p_1}{p_2}\)。内能变化：对于理想气体，定温过程\(\Deltau=0\)。焓变化：\(\Deltah=0\)。

（四）绝热过程1.定义系统与外界没有热量交换的过程称为绝热过程，即\(q=0\)。例如，用绝热材料包裹的气缸内气体的膨胀或压缩过程可近似看作绝热过程。2.过程方程对于理想气体可逆绝热过程，\(pv^k=const\)，\(T_1v_1^{k1}=T_2v_2^{k1}\)，\(T_1p_1^{\frac{k1}{k}}=T_2p_2^{\frac{k1}{k}}\)，其中\(k=\frac{c_p}{c_v}\)为绝热指数。3.能量关系热量：\(q=0\)。功量：\(w=u_1u_2=c_v(T_1T_2)\)。内能变化：\(\Deltau=w\)。

三、理想气体性质

（一）理想气体状态方程1.表达式\(pv=RT\)，其中\(p\)为压力，\(v\)为比体积，\(T\)为热力学温度，\(R\)为气体常数。对于不同气体，\(R\)值不同，\(R=\frac{R_g}{M}\)，\(R_g\)是通用气体常数，\(R_g=8.314\J/(mol·K)\)，\(M\)是气体的摩尔质量。2.应用已知三个状态参数中的任意两个，可通过状态方程求出第三个参数。例如，已知一定质量理想气体的压力\(p\)、温度\(T\)和比体积\(v\)中的两个，就可以计算出另一个参数。

（二）理想气体的比热容1.定容比热容（\(c_v\)）单位质量理想气体在定容过程中温度升高1K所需的热量，\(c_v=\frac{\partialu}{\partialT}\)。对于理想气体，\(c_v\)是温度的单值函数，可通过实验或理论计算得到。2.定压比热容（\(c_p\)）单位质量理想气体在定压过程中温度升高1K所需的热量，\(c_p=\frac{\partialh}{\partialT}\)。且\(c_pc_v=R\)。3.比热容比（\(k\)）\(k=\frac{c_p}{c_v}\)，对于理想气体，\(k\)也是一个与气体性质有关的常数。

（三）理想气体的内能和焓1.内能（\(u\)）理想气体的内能是温度的单值函数，\(u=u(T)\)。对于一定质量的理想气体，\(\Deltau=c_v(T_2T_1)\)。2.焓（\(h\)）\(h=u+pv\)，对于理想气体\(h=h(T)\)，\(\Deltah=c_p(T_2T_1)\)。

四、热力循环

（一）正向循环与热机1.正向循环工质从高温热源吸收热量，对外做功，同时向低温热源放出热量，这样的循环称为正向循环。其循环热效率\(\eta_{t}=\frac{w_{net}}{q_1}=1\frac{q_2}{q_1}\)，其中\(w_{net}\)是循环净功，\(q_1\)是从高温热源吸收的热量，\(q_2\)是向低温热源放出的热量。2.热机实现正向循环的热力发动机称为热机。常见的热机有蒸汽机、内燃机、燃气轮机等。热机将热能转换为机械能，对外输出功。

（二）逆向循环与制冷机、热泵1.逆向循环工质消耗外功，从低温热源吸收热量，向高温热源放出热量，这样的循环称为逆向循环。2.制冷机实现逆向循环用于制冷的设备称为制冷机。制冷系数\(\varepsilon=\frac{q_2}{w}=\frac{q_2}{q_1q_2}\)，其中\(q_2\)是从低温热源吸收的热量，\(w\)是消耗的外功。制冷机用于降低低温空间的温度，如冰箱、空调等。3.热泵实现逆向循环用于供热的设备称为热泵。供热系数\(\varepsilon'=\frac{q_1}{w}=\frac{q_1}{q_1q_2}\)。热泵将低温热源的热量传递到高温热源，用于供热，如冬季取暖的热泵系统。

（三）卡诺循环1.定义由两个定温过程和两个绝热过程组成的理想可逆循环称为卡诺循环。2.循环热效率\(\eta_{t,c}=1\frac{T_2}{T_1}\)，其中\(T_1\)是高温热源温度，\(T_2\)是低温热源温度。卡诺循环的热效率只与两个热源的温度有关，且是在相同温度界限下一切热机热效率的最大值。

五、实际气体性质

（一）实际气体状态方程1.范德瓦尔方程\((p+\frac{a}{v^2})(vb)=RT\)，其中\(a\)、\(b\)是与气体种类有关的常数，\(a\)反映气体分子间的引力，\(b\)反映气体分子本身的体积。2.维里方程\(pV_m=RT(1+\frac{B}{V_m}+\frac{C}{V_m^2}+\cdots)\)，其中\(V_m\)是摩尔体积，\(B\)、\(C\)等是第二、第三维里系数，它们与气体的种类和温度有关。

（二）实际气体的pvT关系1.实际气体的pv图实际气体的pv图与理想气体不同。在高压下，实际气体的比体积比理想气体小，因为分子间引力和分子本身体积的影响不能忽略。在低压下，实际气体接近理想气体状态。2.实际气体的相图实际气体存在气、液、固三相。在pT图上可以表示出三相的区域和相互转变关系。例如，水的三相点温度为273.16K，压力为611.73Pa。在三相点附近，气液平衡曲线的斜率为汽化潜热与温度和比体积变化乘积的比值。

（三）实际气体的内能和焓1.内能实际气体的内能不仅与温度有关，还与比体积有关，\(u=u(T,v)\)。在实际计算中，通常通过实验数据或经验公式来确定内能的变化。2.焓\(h=u+pv\)，实际气体的焓同样与温度和比体积有关，\(h=h(T,v)\)。在工程应用中，需要考虑实际气体性质对焓值的影响，例如在蒸汽动力循环中，水蒸气的焓值计算对于准确分析循环性能至关重要。

六、湿空气

（一）湿空气的组成1.干空气由氮气、氧气、氩气等多种气体组成的混合气体，其成分相对稳定，可近似看作理想气体混合物。2.水蒸气湿空气中含有的水汽。水蒸气在湿空气中的含量对湿空气的许多性质有重要影响。

（二）湿空气的状态参数1.湿度绝对湿度：单位体积湿空气中含有的水蒸气质量，\(\rho_v\)。相对湿度：湿空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸气分压力之比，\(\varphi=\frac{p_v}{p_s}\)，\(0\leqslant\varphi\leqslant1\)。相对湿度反映了湿空气接近饱和的程度。含湿量：单位质量干空气中含有的水蒸气质量，\(d=622\frac{p_v}{pp_v}\)，其中\(p\)是湿空气压力，\(p_v\)是水蒸气分压力。2.温度湿空气的温度有干球温度（用普通温度计测量的温度）、湿球温度（用湿纱布包裹温度计测量的温度）和露点温度（湿空气在定压下冷却达到饱和时的温度）。

（三）湿空气的焓1.表达式\(h=1.01t+d(2501+1.86t)\)，其中\(t\)是干球温度，\(d\)是含湿量。1.01是干空气的定压比热容，2501是0℃时水的汽化潜热，1.86是水蒸气的定压比热容。2.应用在空调工程等领域，湿空气焓值的计算对于确定空气处理过程中的热量交换和能量消耗非常重要。例如，在空气调节系统中，需要根据进出空气的焓值来计算加热或冷却设备所需的热量。

七、气体和蒸汽的流动

（一）稳定流动基本方程式1.连续性方程\(\rho_1A_1c_1=\rho_2A_2c_2\)，表示单位时间内通过流道任意截面的流体质量相等，其中\(\rho\)是密度，\(A\)是截面积，\(c\)是流速。2.能量方程\(q=h_2h_1+\frac{c_2^2c_1^2}{2}+g(z_2z_1)+w_{shaft}\)，其中\(q\)是单位质量流体吸收的热量，\(h\)是焓，\(z\)是高度，\(w_{shaft}\)是轴功。该方程描述了稳定流动过程中能量的转换和守恒关系。3.动量方程\(\sumF=\dot{m}(c_2c_1)\)，表示作用在控制体上的外力之和等