第五版工程热力学复习.pdf
第一章：基本概念 系统：将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象成为热力系统，简称系统。边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界，其作用是确定研究对象，将系统与外界分隔开来。外界：边界意外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。系统与外界之间的作用通常有三种形式：功交换、热交换和物质交换。闭口系统：没有物质穿过边界的系统，有时又称为控制质量系统。闭口系统的质量保持恒定，取系统时应把所研究的物质都包括在边界内。开口系统：有物质流穿过边界的系统。取系统时只需把说要研究的空间范围用边界与外界分隔开来，故又称开口系统为控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。需要强调的是，即使热空气流出量与冷空气流入量相等，系统质量变化为零，仍为开口系统。绝热系统：系统与外界之间没有热量传递的系统，称为绝热系统。孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。状态与状态参数：系统与外界之间能够进行能量交换（传热或做功）的根本原因，在于两者之间的热力状态存在差异。热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，简称状态。热力状态反映着工质打两份制热运动的平均特性。状态参数一旦确定，工质的状态也就确定，状态参数发生变化，工质所处的状态也发生变化，因此状态参数是热力系统状态的单值性函数，工质状态变化时，初、终状态参数的变化值，仅于初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。温度、压力、比体积或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为 基本状态参数。第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。温度：是描述热力平衡系统冷热状况的物理量。是标志物质内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。绝对压力不能直接测得，而只能测出气体的绝对压力与当地大气压力的差值，这种压力成为相对压力。只有绝对压力才是状态参数。如组成热力系统各部分之间没有热量传递，系统就处于热平衡；各部分之间没有相对位移，系统就处于力平衡，同时具备热和力平衡的系统就处于热力平衡状态。对热力系统而言，准静态过程和可逆过程都是由一系列平衡状态所组成，在 P-V 图上都能用连续曲线来表示；但两者又有一定的区别，可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡，并且不存在任何耗散效应，在过程中没有任何能量的不可逆损失，而准静态过程的条件仅限于系统内部的力平衡和热平衡。准静态过程在进行中系统与外界之间可以有不平衡势差，也可能有耗散现象发生，只要系统内部能及时恢复平衡，其状态变化还可以是准静态的。膨胀功：由于系统体积发生变化而通过界面向外界传递的机械功，也称为体积功。热力循环：工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回复到初始状态的全部过程。正循环中热转换功的经济性指标用循环热效率表示为：循环热效率公式：逆循环：制冷系数：供热系数：221012qqwqq112012qqwqq收益代价01WQ净功吸热第二章：气体的热力性质 理想气体状态方程：空气的气体常数：R=287 J/(kgK)比热容：单位物量的物质，温度升高或降低 1K（1）所吸收或放出的热量，简称比热。比热容公式：定容比热容与定压比热容 1、定容比热容：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化 1K（1）所吸收或放出的热量。即：2、定压比热容：气体在压力不变的情况下进行加热，加入的热量部分用于增加气体的热力学能，使其温度升高，部分用于推动活塞升高而对外作膨胀功。定压比热容可表示为：3、定压比热容与定容比热容的关系：等量气体升高相同的温度，定压过程吸收热量多于定容过程吸收热量。因此，定压比热容始终大于定容比热容。其关系推倒如下：定压比热容与定容比热容之差为：比热容比：混合气体的分容积和阿密盖特分容积定律 分容积是假想混合气体中组成气体具有与混合气体相同的温度和压力时，单独存在所TnRpVTRpVmRTpVRTpvm00RccVP占有的容积。混合气体的总容积 V 与分容积 Vi的关系服从阿密盖特分容积定律：混合气体的总容积V，等于各组成气体分容积 Vi之和。即：混合气体的成分表示方法及换算 分压力的确定 分别根据某组成气体的分压力与分容积，可写出该组成气体的状态方程式如下：混合气体的比热容 混合气体的比热容与它的组成气体有关，混合气体温度升高所需的热量，等于各组成气体相同温升所需热量之和。混合气体的热力学能、焓和熵 热力学能、焓和熵都是具有可加性的物理量，所以混合气体的热力学能、焓和熵等于各组成气体的热力学能、焓和熵之和，即：第三章：热力学第一定律 内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能等一起构成内部储存能，统称为热力学能。niinppppp121 niinVVVVV121热力学能也是气体的状态参数。系统的总能：系统的总能 E 为内储存能与外储存能之和。对 1kg 质量的物体的总能，也称比总能，表示为：对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，系统总能就等于热力学能 即：E=U 流动功：是一种特殊的功，其数值仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态，与热力过程无关。焓：表示流动工质向流动前方传递的总能量（共四项）中取决于热力状态的那部分能量。闭口系统能量方程表达式：由于热能转换为机械能必须通过工质膨胀才能实现，因此闭口系统能量方程反映了热功转换的实质。混合气体单位质量热力学能为：对于不稳定流动和稳态流动，可逆与不可逆过程都适用的热力学第一定律能量方程为：闭口系统中工质的动能和位能没有变化，dE=dU 故得：开口系统稳态稳流能量方程 技术功：212EUmcmgz212eucgzpVmgzmcUE221总niiiugu1CVsdEWmgzchmgzchQ1121122222)21()21(sWmgdzdcdhQ221swzgchq221稳态稳流能量方程的应用 第四章：理想气体的热力过程及气体压缩 分析热力过程的目的和任务：工程上实施热力过程的主要目的，一是完成一定的能量转换，如各种热力发动机要求输出一定的功率；二是使工质达到一定的热力状态，如压气机中将气体压缩达到一定的压力等。热能和机械能的相互转换是通过工质的一系列状态变化过程实现的。不同过程表征着不同的内部状况和外部条件。研究热力过程的目的就在于研究外部条件对热能和机械能转换的影响。因此，研究热力过程的任务是揭示状态变化规律与能量传递之间的关系，从而计算热力过程中工质状态参数的变化以及外界交换的热量和功量。在可逆过程中膨胀功、技术功及热量的计算式分别为：P-V 图和 T-s 图：气体主要热力过程的基本公式：表 4-1 单级活塞式压气机工作原理：单级活塞式压气机工作过程：吸气过程压缩过程排气过程 1、定温压缩轴功：2、定熵压缩轴功：3、多变压缩轴功：第五章：热力学第二定律 热力学第二定律的实质：论述热力过程的方向性及能质退化或贬值的客观规律。所谓过程的方向性，除指明自发过程进行的方向外，还包括对实现非自发过程所需要的条件，以及过程进行的最大限度等内容。热力学第二定律告诉我们，自然界的物质和能量只能沿着一个方向转换，即从可利用到不可利用，从有效到无效，这说明了节能的必要性。只有热力学第二定律才能充分解释事物变化的性质和方向，以及变化过程中所有事物的相互关系。卡诺循环与卡诺定理 热效率：（1）效率c只取决于 T1、T2，提高 T1和降低 T2都可以提高热效率；（2）循环效率小于 1；（3）当 T1=T2 时，c=0，所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的。（4）卡诺循环的热效率与工质的性质无关，适用于任何工质的卡诺循环。逆卡诺循环：逆卡诺循环的性能系数只决定于热源温度T1和冷源温度 T2，它随 T1的降低及 T2的提高而增大。逆卡诺循环的制冷系数可能大于、等于或小于 1；其供热系数总是大于 1；二者之间的关系是：121TTc11212121TTTTT,c12211211TTTTT,c,c,c221卡诺定理：定理 1：所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环，其热效率都相等，与采用哪种工质无关。定理 2：在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。熵方程 1、闭口系统熵方程：闭口系统的熵变由熵流和熵产两部分组成。不可逆过程，系统的熵变除了热流引起的熵流之外，还有由不可逆导致的熵产。熵是状态参数，系统的熵变仅取决于系统的初、终态，而与过程的性质及途经无关。熵流和熵产均取决于过程的特性，在熵变一定的情况下，熵流和熵产的变化可以有不同的组合。2、开口系统熵方程：孤立系统熵增原理与作功能力损失 1.孤立系统熵增原理：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统熵增原理。fgsss0giso dSdS2、作功能力损失 作功能力：以环境为基准，系统可能作出的最大功。作功能力损失与熵产之间的关系：对于孤立系统：的定义：当系统由任意状态可逆转变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为功的那部分能量称为。不能转换为功的那部分能量称为 第七章：水蒸气 水蒸气的 P-T 图：水蒸气定压发生过程：未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽 水蒸气的 p-v 图和 T-s 图：gSTL0isoisoSTL0fmxmmvv干饱和蒸汽质量湿饱和蒸汽质量水蒸气的定压发生过程在 p-v、T-s 图所表示的特征归纳起来为：一点：临界点 C 两线：饱和液体线、饱和蒸汽线 三区：未饱和液体区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区 五种状态：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 水蒸气的基本热力过程：1、定压过程：2、定容过程：3、定温过程：4、绝热过程：第八章：湿空气 通常湿空气的总压力为大气压力，其值比较低而组成湿空气的干空气及水蒸气的分压则更低，因此，可以作为理想气体混合物来处理。绝热湿度与相对湿度：绝对湿度只能反映湿空气中实际含水蒸汽质量多少，不能反映湿空气的干燥、潮湿的程度和吸湿能力的大小。相对湿度能反映湿空气的吸湿能力的强弱，即空气干燥潮湿程度。测定空气相对湿度的方法：一种更接近实际应用的方法是采用在温包上包着一层被水浸润的湿纱布的温度计，按这种方法测得的温度称为湿球温度tw 它在空调工程中得到广泛应用。湿空气的焓湿图：第九章：气体和蒸汽的流动 定熵流动的基本特性：气体流速变化与状态参数间的关系:喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系：表 9-1 定熵滞止参数：将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压，使其流速降低为零时的气体参数。喷管出口流速：气体在喷管内作绝热稳定流动时，如以进口参数 h1、p1、T1作为计算依据，并认为 c1 0，则可得气体在喷管出口处的流速为：绝热节流：若节流过程中流体与外界没有热量交换，称为绝热节流，简称节流。第十章：动力循环 朗肯循环：最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环基础上发展起来的。vdpcdcm/s )(2)(221212TTchhcppccTT2211011010kkTTpp110110kTTvv22110chh朗肯循环图：朗肯循环的蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵 朗肯循环理想化为两个定压过程和两个定熵过程：水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气；过热水蒸气在汽轮机内顶上膨胀；湿蒸汽在凝汽器内定压（也是定温）冷却，凝结放热；凝结水在水泵中的定熵压缩。依据卡诺循环热效率 指出的方向，提高动力循环热效率的基本途径是提高热源温度与降低冷源温度。提高朗肯循环效率的基本途径便是提高等效卡诺循环的平均吸热温度及降低冷凝放热温度：1、提高平均吸热温度的直接方法是提高蒸汽压力和温度。2、降低排气温度 121mtTT回热循环：1、极限回热循环 2、抽汽回热循环
