工程热力学复习

工程热力学复习一、基本概念（一）热力系统热力系统是指人为选取的一定范围内的物质，用于热力学分析。根据系统与外界的物质和能量交换情况，可分为闭口系统（与外界无物质交换）、开口系统（与外界有物质交换）和绝热系统（与外界无热量交换）等。（二）状态参数1.温度：衡量物体冷热程度的物理量，是热平衡的判据。常用的温度标尺有摄氏温度（℃）、华氏温度（℉）和热力学温度（K），它们之间的换算关系为：T(K)=t(℃)+273.15，t(℉)=1.8t(℃)+32。2.压力：垂直作用于单位面积上的力。压力的表示方法有绝对压力（p）、表压力（pe）和真空度（pv），它们之间的关系为：p=pe+pb（pb为当地大气压力），当p<pb时，pv=pbp。3.比体积：单位质量工质所占的体积，用v表示，单位为m³/kg。比体积与密度ρ的关系为：v=1/ρ。4.内能：工质内部所具有的各种能量之和，包括分子动能、分子势能等，用U表示，单位为J。5.焓：定义为H=U+pV，单位为J。焓是一个状态参数，在工程上有重要应用。（三）热力过程与循环1.热力过程：工质从一个状态变化到另一个状态的途径。常见的热力过程有定容过程（v=常数）、定压过程（p=常数）、定温过程（T=常数）和绝热过程（q=0）等。2.热力循环：工质从某一初态出发，经历一系列状态变化后又回到初始状态的封闭过程。正向循环可实现热能向机械能的转换，如热机循环；逆向循环可实现机械能向热能的转移，如制冷循环和热泵循环。二、基本定律（一）热力学第零定律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。该定律为温度的测量提供了理论基础。（二）热力学第一定律1.表述：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。2.数学表达式：闭口系统：Q=ΔU+W；开口系统：q=Δh+w+Δke+Δpe，其中Q为系统吸收的热量，W为系统对外做的功，q为单位质量工质吸收的热量，w为单位质量工质对外做的功，Δke为单位质量工质动能的变化，Δpe为单位质量工质势能的变化。（三）热力学第二定律1.克劳修斯表述：热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。2.开尔文普朗克表述：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热力发动机。3.熵：熵是一个状态参数，用于描述系统的无序程度。熵增原理指出，在绝热过程中，系统的熵永不减少。对于可逆绝热过程，熵不变；对于不可逆绝热过程，熵增加。熵的计算公式为：ds=δq/T（可逆过程）。三、理想气体的性质（一）理想气体状态方程理想气体状态方程为pV=mRT，其中p为压力，V为体积，m为质量，R为气体常数，T为热力学温度。对于不同的气体，气体常数R不同，可通过R=Ru/M（Ru为通用气体常数，Ru=8.314J/(mol·K)，M为气体的摩尔质量）计算。（二）理想气体的比热容1.定容比热容cv：单位质量理想气体在定容过程中温度升高1K所需吸收的热量，cv=(∂u/∂T)v。2.定压比热容cp：单位质量理想气体在定压过程中温度升高1K所需吸收的热量，cp=(∂h/∂T)p。3.比热容比γ：γ=cp/cv。对于理想气体，cv、cp和γ均为定值，且cpcv=R。（三）理想气体的内能和焓1.内能：u=cvT+u0（u0为基准态的内能）。2.焓：h=cpT+h0（h0为基准态的焓）。四、热力过程分析（一）定容过程1.过程特点：v=常数，dv=0。2.能量方程：q=Δu=cv(T2T1)。3.过程曲线：在pv图上是一条垂直于v轴的直线，在Ts图上是一条平行于s轴的直线。（二）定压过程1.过程特点：p=常数，dp=0。2.能量方程：q=Δh=cp(T2T1)，w=p(v2v1)。3.过程曲线：在pv图上是一条平行于v轴的直线，在Ts图上是一条斜率为cp的直线。（三）定温过程1.过程特点：T=常数，dT=0。2.能量方程：q=w=RTln(v2/v1)=RTln(p1/p2)。3.过程曲线：在pv图上是一条双曲线，在Ts图上是一条平行于p轴的直线。（四）绝热过程1.过程特点：q=0，ds=0（可逆绝热）。2.能量方程：w=Δu=cv(T1T2)（可逆绝热）。3.过程曲线：在pv图上，可逆绝热过程曲线比定温过程曲线陡，其方程为pvγ=常数；在Ts图上是一条垂直于s轴的直线。五、气体的流动（一）稳定流动能量方程对于稳定流动的开口系统，能量方程为q=h2h1+(c2²c1²)/2+g(z2z1)+w，其中c为流速，z为高度，w为轴功。（二）绝热节流1.节流现象：流体在管道中流动时，遇到突然缩小或突然扩大的截面，或遇到阀门等局部阻力元件，流体的压力会突然降低的现象。2.节流特点：绝热节流过程中，流体的焓不变，即h1=h2，但压力降低，熵增加。（三）喷管和扩压管1.喷管：使流体压力降低、流速增加的管道。对于理想气体等熵流动，喷管出口流速的计算公式为：c2=√[2(h1h2)]。2.扩压管：使流体压力升高、流速降低的管道。六、蒸汽动力循环（一）朗肯循环1.组成：由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵组成。2.工作过程：水在锅炉中定压加热变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，做完功的乏汽在冷凝器中定压凝结成水，凝结水经给水泵升压后送回锅炉。3.热效率：ηt=(w/q1)=1(h2h1)/(h3h2)，其中h1为凝结水的焓，h2为汽轮机排汽的焓，h3为过热蒸汽的焓。（二）提高朗肯循环热效率的方法1.提高蒸汽初参数：提高蒸汽的初压和初温，可使循环热效率提高。2.降低蒸汽终参数：降低排汽压力，可使循环热效率提高。3.采用回热循环：利用汽轮机中做了部分功的蒸汽来加热凝结水，可减少汽轮机排汽的热量损失，提高循环热效率。4.采用再热循环：将汽轮机高压缸排出的蒸汽再加热到较高温度后，送回中压缸继续膨胀做功，可提高循环热效率。七、制冷循环（一）蒸汽压缩制冷循环1.组成：由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。2.工作过程：制冷剂在蒸发器中定压汽化吸热，产生的蒸汽被压缩机绝热压缩，提高压力和温度，压缩后的蒸汽在冷凝器中定压凝结放热，变成液体，液体经节流阀绝热节流降压降温后进入蒸发器，如此循环。3.制冷系数：ε=q2/w=h1h4/h2h1，其中h1为蒸发器出口蒸汽的焓，h2为压缩机出口蒸汽的焓，h4为节流阀出口液体的焓。（二）吸收式制冷循环吸收式制冷循环以热能为动力，利用吸收剂对制冷剂的吸收和解吸作用来实现制冷。常用的工质对有水溴化锂和氨水等。八、复习要点与解题技巧（一）复习要点1.熟练掌握基本概念和基本定律，理解各状态参数之间的关系。2.掌握理想气体和蒸汽的性质及相关计算。3.熟悉各种热力过程和循环的特点、能量方程及过程曲线。4.理解气体流动、制冷循环等相关知识。5.多做练习题，加深对知识点的理解和掌握。（二）解题技巧1.仔细审题，明确已知条件和所求问题，画出系统图和状态变化过程图。