工程热力学大总结-第五版

工程热力学大总结-第五版摘要：本总结围绕工程热力学第五版教材展开，涵盖了基本概念、热力系统、热力过程、热力学定律以及实际气体等重要内容。通过梳理知识点、总结关键公式与结论，旨在帮助读者系统地复习工程热力学，加深对该学科的理解，为解决相关工程实际问题提供理论支持。一、基本概念（一）热力系统1.定义：人为选取的、用于研究的有限物质系统。2.分类闭口系统：与外界无物质交换的系统。开口系统：与外界有物质交换的系统。绝热系统：与外界无热量交换的系统。孤立系统：与外界既无物质交换又无能量交换的系统。（二）状态参数1.定义：描述热力系统状态的宏观物理量，如压力（$p$）、温度（$T$）、比体积（$v$）、内能（$U$）、焓（$H$）、熵（$S$）等。2.特性状态一定，参数一定：系统处于某一确定状态时，其状态参数具有确定值。状态变化，参数变化：系统状态发生改变时，至少有一个状态参数发生变化。状态参数是点函数：其变化量只与初末状态有关，与变化途径无关。（三）热力过程1.定义：热力系统从一个状态变化到另一个状态的历程。2.常见过程定容过程：比体积不变，$v=const$，$q_v=\Deltau$。定压过程：压力不变，$p=const$，$q_p=\Deltah$。定温过程：温度不变，$T=const$，$pv=const$，$\Deltau=0$，$q=w$。绝热过程：$q=0$，$pv^k=const$，$T_1/T_2=(v_2/v_1)^{k1}=(p_2/p_1)^{\frac{k1}{k}}$，其中$k=c_p/c_v$为绝热指数。二、热力学第零定律（一）内容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。（二）意义为温度的测量提供了理论依据，引出了温度这个状态参数，使得不同物体之间的热平衡关系得以量化描述。三、热力学第一定律（一）内容热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。对于一个热力系统，在经历一个热力过程时，系统储存能量的变化等于外界对系统传递的热量与系统对外界做功之差。数学表达式为：$\DeltaU=QW$（闭口系统）；$\DeltaU+\Delta(mE_k)+\Delta(mE_p)=QW$（开口系统）。（二）能量方程1.闭口系统能量方程定容过程：$q_v=\Deltau$定压过程：$q_p=\Deltah$定温过程：$q=w=p_1v_1\ln\frac{v_2}{v_1}=p_2v_2\ln\frac{p_1}{p_2}$绝热过程：$w=\Deltau=c_v(T_1T_2)$2.开口系统能量方程（稳定流动能量方程）：$q=\Deltah+\frac{1}{2}(c_{f2}^2c_{f1}^2)+g(z_2z_1)+w_{shaft}$，其中$c_f$为流速，$z$为高度，$w_{shaft}$为轴功。（三）内能、焓1.内能：是系统内部能量的总和，包括分子动能、分子势能等，是状态函数，与温度有关。2.焓：定义为$H=U+pV$，也是状态函数，在定压过程中，焓的变化等于热量，$q_p=\DeltaH$。四、热力学第二定律（一）内容1.克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。2.开尔文说法：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响。（二）熵1.定义：熵是系统的状态函数，它表示系统的无序程度。数学表达式为$dS=\frac{\deltaQ}{T}$（可逆过程）。对于不可逆过程，有$dS>\frac{\deltaQ}{T}$。2.熵增原理：孤立系统的熵永不减少，即$\DeltaS_{iso}\geq0$。当系统达到平衡态时，熵达到最大值。（三）熵变计算1.单纯状态变化理想气体：$\DeltaS=m(c_p\ln\frac{T_2}{T_1}R\ln\frac{p_2}{p_1})=m(c_v\ln\frac{T_2}{T_1}+R\ln\frac{v_2}{v_1})$定温过程：$\DeltaS=\frac{Q}{T}$2.热力过程可逆过程：通过$dS=\frac{\deltaQ}{T}$积分计算。不可逆过程：通过设计相同初末态的可逆过程来计算熵变，因为熵是状态函数，与过程无关。五、理想气体（一）状态方程$pv=RT$，其中$R$为气体常数，$R=\frac{R_m}{M}$，$R_m$为通用气体常数，$R_m=8.314\J/(mol\cdotK)$，$M$为气体摩尔质量。（二）比热容1.定容比热容：$c_v=\frac{du}{dT}$2.定压比热容：$c_p=\frac{dh}{dT}$3.关系：$c_pc_v=R$，$k=\frac{c_p}{c_v}$（三）热力过程计算根据理想气体状态方程以及上述比热容关系，结合不同热力过程的特点（如定容、定压、定温、绝热等），利用能量方程和状态参数变化公式进行过程中功、热量、内能变化、焓变化以及熵变化的计算。例如，绝热过程中，根据$pv^k=const$和理想气体状态方程可推导出各参数变化关系；定温过程中，$q=w=p_1v_1\ln\frac{v_2}{v_1}=p_2v_2\ln\frac{p_1}{p_2}$等。六、实际气体（一）范德瓦尔方程$(p+\frac{a}{v^2})(vb)=RT$，其中$a$、$b$为范德瓦尔常数，用于修正理想气体状态方程中分子间引力和分子本身体积的影响。（二）压缩因子$Z=\frac{pv}{RT}$，反映实际气体与理想气体的偏差程度。$Z=1$时为理想气体；$Z>1$表示气体比理想气体难压缩；$Z<1$表示气体比理想气体易压缩。（三）对比态原理引入对比参数：对比压力$p_r=\frac{p}{p_c}$，对比温度$T_r=\frac{T}{T_c}$，对比体积$v_r=\frac{v}{v_c}$，其中$p_c$、$T_c$、$v_c$为临界压力、临界温度和临界比体积。处于相同对比态的不同气体，具有大致相同的压缩因子和其他热力性质。七、热力循环（一）正向循环1.定义：工质从高温热源吸热，对外做功，向低温热源放热，按顺时针方向进行的循环。2.热效率：$\eta_t=\frac{w_{net}}{q_1}=1\frac{q_2}{q_1}$，其中$w_{net}$为循环净功，$q_1$为从高温热源吸收的热量，$q_2$为向低温热源放出的热量。（二）逆向循环1.制冷循环：消耗功，从低温热源吸热，向高温热源放热，使低温热源温度降低，实现制冷目的。制冷系数$\varepsilon=\frac{q_2}{w}=\frac{T_2}{T_1T_2}$。2.热泵循环：消耗功，从低温热源吸热，向高温热源放热，用于供热。供热系数$\varepsilon'=\frac{q_1}{w}=\frac{T_1}{T_1T_2}$。（三）卡诺循环1.组成：由两个定温过程和两个绝热过程组成。2.热效率：$\eta_{t,c}=1\frac{T_2}{T_1}$，是一切热机效率的最高极限。（四）回热循环利用汽轮机中做了部分功的蒸汽来加热进入锅炉的给水，提高循环热效率。例如朗肯循环采用回热后，可使热效率得到显著提高。八、蒸汽动力循环（一）朗肯循环1.组成：由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵组成。工质在锅炉中定压吸热汽化，在汽轮机中绝热膨胀做功，在冷凝器中定压放热凝结，在给水泵中绝热压缩升压回到锅炉。2.热效率：$\eta_{t,R}=1\frac{h_2h_1}{h_3h_2}$，其中$h_1$、$h_2$、$h_3$分别为给水泵出口、汽轮机出口和锅炉出口蒸汽的焓值。（二）提高朗肯循环热效率的方法1.提高蒸汽初参数：提高蒸汽压力$p_1$和温度$T_1$，可使循环平均吸热温度提高，从而提高热效率。2.降低蒸汽终参数：降低冷凝器压力$p_2$，可使循环平均放热温度降低，提高热效率。3.采用回热循环：如上述所述，利用抽汽加热给水，减少冷源损失，提高热效率。九、内燃机循环（一）奥托循环1.组成：由进气、压缩、燃烧加热、膨胀和排气过程组成，是汽油机的理想循环。2.热效率：$\eta_{t,O}=1\frac{1}{(v_1/v_2)^{k1}}$，其中$v_1/v_2$为压缩比。压缩比越大，热效率越高，但受爆震等因素限制。（二）狄塞尔循环1.组成：由进气、压缩、燃烧加热、膨胀和排气过程组成，是柴油机的理想循环。2.热效率：$\eta_{t,D}=1\frac{1}{k}\frac{(v_1/v_2)^k1}{(v_3/v_2)1}$，其中$v_1/v_2$为压缩比，$v_3/v_2$为预胀比。十、总结工程热力学第五版涵盖了丰富