热工基础
热 工 基 础
目的要求：
1．熟悉热力学基本概念。
2．掌握理想气体状态方程及应用范围。
3．了解热量和气体比热。
4．掌握热力学第一定律。
5．掌握热力学第二定律几种说法。
6．理解卡诺循环与逆向卡诺循环及提高循环热效率的途径。
7．分析气体的五个热力过程。
8．复习柴油机的实际工作循环。
9．分析内燃机理想工作循环热效率及影响因素。
10．掌握导热、对流换热、辐射换热的形式及及影响因素。
11．分析内燃机燃烧室中传热公式及传热系数。
12．熟悉应用热绝缘层的主要目的和要求。
13．掌握各种管式热交换器结构及特点。
重点难点：
1．理想气体状态方程的应用。
2．分析热力学第二定律。
3．影响内燃机理想工作循环热效率主要因素。
4．影响对流换热过程的主要因素。
5．各种管式热交换器结构及特点。
教学时数：12学时
教学方法：多媒体讲授
课外思考题：
1．水蒸气在什么情况下可看作是理想气体？应用热力学第一定律分析实际问
1
题。
2．在柴油机气缸中，空气沿绝热线压缩。设初始压力p 1=0.14Mpa ，初始温度t 1=50℃，压缩终点温度t 2=650℃，试求压缩终点的压力和初、终比体积之比v 1/v 2。
3．设一可逆卡诺热机中工作于1600℃和300℃的两个热源之间，工质从高温热源吸热400kJ ，试求（1）循环的热效率；（2）工质对外作的净功；（3）工质向低温热源放出的热量。
4．设柴油机按混合加热工作循环方式，压缩终点的温度为547℃，压缩始点的温度为50℃，求柴油机所必需的压缩比。理解准静态过程和可逆过程的概念。
5．包扎柴油机排气管的绝缘材料厚度是以表层温度不得大于50℃为准。当不包绝缘时裸管的表面温度为200℃，机舱空气温度为30℃，表层对空气的总换热系数为α=10W/(m 2·K)。求两种不同情况的热流密度q 。
6．家用冰箱中哪些地方要求增强传热？哪些地方要求削弱传热？
第一节 热力学基本概念
工程热力学是从工程应用的角度研究热能与机械能相互转换的一门学科，其基本任务是宏观地研究热能转变为机械能的规律和条件，从而找出提高热能利用经济性的途径，寻求更有效地利用热能的方法。
在热能动力装置中，把热能转化为机械能是由受热而膨胀作功的媒介物来实现的，这种媒介物称为工质。作为工质的物质必须具有良好的膨胀性和流动性，一般为气态物质，如空气、燃气和蒸汽等。
一、热力学系统（以图11-1、11-2为例讲解）
所谓热力学系统（简称热力系统或系统），可以忽略在结构和材料等方面的特点，抽象为实现能量转换或传递的设备，是由封闭表面包围的质量恒定的物质集合或空间的一部分。与该系统有相互作用的其它系统，称为“外界”或“环境”。
2
包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面，称为边界。边界在图上通常用虚线表示。边界可以是实际存在的，也可以是假想的，也可以是运动的，这要根据需要选定。而热力学中系统与外界间的相互作用有三种，即系统与外界的物质交换、热的交换及功的交换。
图11-1 闭口系统 图11-2 开口系统 按照有无物质通过边界，热力系统可以分成闭口系统和开口系统。没有物质穿过边界的系统，称为闭口系统，系统内的质量始终保持恒定。有物质穿过边界的系统，称为开口系统。工程上最常见的系统是工质连续而稳定地流过设备，系统中物质的总量保持不变。
若系统与外界之间没有热量交换，则称为绝热系统。若系统与外界之间，既没有功和热量的交换，又没有物质的交换，则称为孤立系统。绝对的闭口系统、绝热系统、孤立系统，实际上是不存在的。
二、热力学平衡态
一个系统，例如气缸中的气体，如果它的压力到处相同，则称它处于压力平衡；如果它的温度到处相同，则称它处于温度平衡。如果一个系统同时于压力平衡和温度平衡，则该系统就处于热力学平衡态，简称平衡态。因此，热力学平衡态有如下的定义：在没有外界影响的条件下，如封闭系统的状态不随时间而改变，则该系统处于热力学平衡态。
系统的平衡态与非平衡态相比，有如下的特点：①平衡态与时间无关，即不随时间而变化；②处于平衡态的系统，其内部的压力和温度到处都均匀一致，即对
3
系统的每一个平衡态均有一个且唯有一个压力和温度。大多数热力设备所处的状态，一般可近似看作为平衡态。
三、热力状态及状态参数
所谓热力系的状态即是热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状态。系统中的工质与外界物体之间，能够进行能量交换（传热或作功）的根本原因，在于两者间的热力状态存在差异。可见，这种热力状态的差异，均可表现为诸如压力、温度等工质物理特性数值的不同。人们把系统中某瞬间工质表现在热力现象方面的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。
1．压力
在物理学中，把垂直作用并指向物体表面上的力叫做压力，而把单位面积上所受的压力叫做压强。在工程热力学和流体力学中，把气体或流体作用在单位容器壁面积上的垂直力称为压力。
1）压力单位
大多数国家均采用at （工程气压）、atm （标准大气压）、mmHg （毫米水银柱）或bar （巴）。现在各国相继采用国际单位制的压力单位Pa （帕斯卡），在热力学上，“Pa ”显得太小，常用到“kPa ”、“MPa ”。工程单位、国际单位之间的关系：
1Mpa = 103Kpa = 106Pa = 10bar
1atm =760mmHg =1.013×105 Pa =1.013bar
1at =98000 N/㎡ = 735.6mmHg
2）大气压力
在物理学中，把纬度为45度平均海平面上常年大气压的平均值定义为标准大气压，用符号p a 表示。
3）表压力、绝对压力及真空度
（1）表压力：工质的压力可用压力表来测定。把用压力表或压力计直接测得的压力值，称为表压力，用符号p g 表示。
（2）绝对压力：工质作用在器壁上的实际压力称为绝对压力，用符号p 表示。
4（3）真空度：当容器内工质绝对压力比大气压力低时，表压力则为负值，取其绝对值称为真空度或真空，用符号p r 表示。
绝对压力p 、表压力p g 、真空度p r 与大气压力p a 之间的关系，取决于容器内压力比大气压力p g 的高低。
当容器内的压力低于大气压力时，则容器内的绝对压力等于大气压力与真空度之差，即：p ＝p a －p r
当容器内的压力高于大气压力时，则容器内的绝对压力等于大气压力与表压力之和，即：p ＝p a ＋p g
2．温度
1）温度的概念
从热力学角度来看，温度是描述热平衡物体宏观特性的物理量。人们通常用温度来表示物体冷热的程度，感觉越热，温度越高；反之，感觉越冷，温度越低。从分子运动论看，温度的微观本质就是物体内部分子和原子不规则热运动的度量。物体的温度越高，其内部分子的热运动就越剧烈。
2）温标
（1）华氏温标；（2）摄氏温标；（3）开氏温标
如果已知摄氏温度为t ℃，则相当于华氏温度为：t ℉=5
9×t ℃+32 若已知华氏温标为t ℉，则相当摄氏温度为：t ℃＝9
5（t ℉-32） 若已知摄氏温度为t ℃，则绝对温度为：TK= t ℃+273.15
在工程计算中，一般用：TK ≈t ℃+273 。绝对温度与摄氏温度只是起点不同，每一度的大小是相同的。
3．比容和密度
单位质量工质所占有的容积就称为工质的比容，用符号v 表示，则v =
M
V （m 3/㎏）
5
单位容积工质所具有的质量称为工质的密度，用符号ρ表示，则ρ=V
M （㎏/m 3）
每单位容积工质所具有的重量称为工质的重度，以符号γ表示，则γ＝ρ·g （N/m 3）
四、准静态过程和可逆过程
1．准静态过程
过程就是系统状态的变化，状态变化意味着系统原平衡态的破坏。从原平衡态的破坏到新平衡态的建立需要一定的时间。在热力学中，把恢复平衡所需要的时间，称为驰豫时间。只要过程进行的时间大于驰豫时间，则过程所经历的每一个中间状态均可足够准确地看作平衡态。
一般来说，实际过程中每一个中间状态都处于非平衡状态。但是，只要控制外界条件，使过程进行得越缓慢，则过程所经历的中间状态就越接近平衡状态。判断封闭系统所进行的过程是否是准静态过程，只要看系统内的状态参数在中间过程的每一步是否都足够地接近均匀一致。实际上，只要过程进行的时间比驰豫时间大得多，就是准静态过程。有些实际过程表面上似乎进行得很快，例如内燃机的膨胀或压缩过程中活塞运动的平均速度一般为每秒几米，而气体压力波(使压力趋向平衡)的速度为音速，即过程进行的时间远大于驰豫时间。缸内的压力，在过程中的每一步，都来得及趋于均匀一致，所以仍可以看作为准静态过程。
由于准静态过程中的每一个中间状态可看作平衡态，所以准静态过程可以在以压力为纵坐标、比容为横坐标的压容图上用一条连续曲线表示。而非静态过程，由于在中间状态系统内部压力不均匀，故在压容图上无法用一条连续曲线表示。可见，用准静态过程在热力学中描述工质的热力过程是很方便的。
2．可逆过程
系统进行了一个过程后，如能使系统沿着与原过程相反的方向恢复初态时，外界也能同时恢复原状而不遗留任何变化，则这样的过程称为可逆过程。注意，不
6
能把可逆过程仅仅理解为可以使系统逆向进行回到初态的过程。只有使系统和外界同时恢复到原状的过程才是可逆过程；否则，就是不可逆过程。内外平衡是可逆过程的充分和必要条件。
由上述讨论可知，可逆过程是实际过程中摩擦和热传递温差均减小到无穷小的理想极限情况。可以证明，当热能与机械能发生转换时，只有在可逆过程中才能获得最大可用功。所以可逆过程是实现能量转换的最理想过程。
摩擦和有限温差下的热传递是造成过程不可逆的因素，在热力学中称为过程的不可逆性。可逆过程必须是内外平衡的过程。准静态过程仅为系统内部平衡的过程，并不是可逆过程，即使过程进行得足够缓慢，也无法消除边界上的摩擦。因此，只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。
第二节 理想气体状态方程
一、理想气体
当气体的密度非常小时，气体分子本身的体积与整个气体的容积比较起来是微不足道的，由于气体分子之间的平均距离大，因而分子相互之间的作用力极小，可以忽略不计。这样的气体就可以当作理想气体看待。如在通常温度和压力下，或压力不太高，温度不太低的空气、燃气，烟气以及氢(H 2)、氧(O 2)、氮(N 2)，一氧化碳(CO)等实际存在的气体都属于这种气体。
如果气体的状态处于很高的压力，很低的温度、较小的比容，即接近于液态，以致于分子本身的体积及分子间的作用力不能忽略不计时，就不能把它当作理想气体看待，这种气体就是在热力学中所称的实际气体。如锅炉中的水蒸气、制冷机中的制冷蒸气等，都属于实际气体。必须指出，燃气、烟气和空气中所含的水蒸气，由于温度较高、压力较小、比容较大，离液态较远，所以仍可作为理想气体来研究。
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二、气体的实验定律
1．波义耳—马略特定律（等温定律）
当T 1=T 2时，同一种气体在温度不变的情况下，其绝对压力与比容成反比。
2．盖·吕萨克定律（等压定律）
当p 1=p 2 时，同一种气体在压力不变的情况下，其比容与绝对温度成正比。
3．查理定律（等容定律）
当v 1=v 2 时，同一种气体在比容不变的情况下，其绝对压力与绝对温度成正比。
三、理想气体状态方程
如果恰有1kg 理想气体在闭口系统中，从初始状态1（P 1、T 1、v 1）变化到终态2（P 2、T 2、v 2），由上述三条实验定律可证得：p ·v = R ·T 。就是理想气体状态方程式，也称克拉贝隆方程。
对于m (kg)质量的理想气体，则p ·V = mRT
对于1kmol 的理想气体，其质量为μ(kg)，则：p ·V m = R 0·T
由状态方程式可知，当测出理想气体某一平衡状态的任意两个基本状态参数时，该平衡状态的第三个参数即可计算出来。这说明，工质的状态只需要用两个独立的状态参数就可确定。
四、气体常数和通用气体常数
由R 与R 0的关系可知，如果知道R 0和气体的μ值，即可计算R 值。这样就可方便地使用理想气体状态方程式。
根据阿佛加德罗定律，在同温度、同压力下，同体积的各种理想气体具有相同的分子数。由此可推得，各种理想气体在同温、同压下，具有相同的千摩尔容积，并由实验证明，在标准状态下，各种理想气体的千摩尔容积均等于22.4m 3，即V m0=22.4m 3/kmol 。
将标准状态下的p 0、T 0和V m0代入理想气体状态方程式可得：
8
R 0=31.8273
4.2210013.12000=××=?T V p m kJ/(kmol ·k) R 0的数值虽从标准状态下推出，但它适用于任何状态。又因R 0不涉及气体的性质。所以它是与气体的性质和状态均无关的通用气体常数。
由此可得：R = μμ31
.80
=R kJ/(㎏·K)
可见，气体常数R 虽与气体的状态无关，但与气体的性质有关，即对于不同的气体，它有不同的数值。
使用理想气体状态方程式时应注意下列几点：
1）首先必须满足“理想气体”这个前提，即只有可作为理想气体看待的气体才能使用理想气体状态方程式。
2）方程式中的p 必须是绝对压力，T 指的是热力学温度（绝对温度）。
3）理想气体状态方程式的主要作用，是根据气体状态下任意两个已知的基本状态参数，计算其在该状态下未知的第三个参数。
五、气体状态方程的应用范围
一般来说，同一种气体，当它的温度越高或压力越低，即距离液态越远时，就越接近理想气体；由于理想气体的定律和状态方程非常简单和便于计算，所以船舶动力装置中所用的空气、燃气以及空调设备中空气所含的水蒸汽，均可按理想气体进行计算。所以研究理想气体有很大的实用价值。但蒸汽动力装置中的水蒸汽，压缩制冷装置中的制冷剂蒸汽，由于偏离理想气体分子模型甚远，所以不能按理想气体方程进行计算。
第三节 热量和气体比热
一、热量
在热力学中，把系统和外界由于温差而通过边界传递的能量称为热量，用符
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号Q 表示。并规定：外界给系统加热，Q 取正值，反之，系统对外界放热，Q 取负值。
热量Q 的国际单位为kJ(千焦耳)，工程单位为kcal(千卡或大卡)。英制中的热量单位为BTU，。这三者的换算关系为：1 kJ＝0.2388kcal＝0.948BTU
对质量为1公斤工质的加热量(或放热量)称为单位质量热量，用符号q 表示，其单位为kJ/kg 或kcal/kg。
二、热容量和比热
单位质量物体的热容量，称为该物体的比热。按照计量单位的不同，比热可分为三类：取1公斤质量作为计量单位时，所得的比热称为质量比热，用符号C 表示，单位为kJ／(kg·℃)；取标准状态下lm 3气体的容积作为计量单位时，所得的比热称为容积比热，用符号C′表示，单位为kJ／(m，·℃)；取千摩尔作为计算单位时，所得的比热称为千摩尔比热，用符号μC 表示，其单位为kJ／(kmol·℃)。
三者之间的换算关系为：C C C ′=?=4.22μμ
气体比热的特点：1公斤的气体，温度同样升高1℃，由于加热条件不同，所需要的热量也不同。在热工计算中通常给出气体的两种比热：
1)气体的定压比热：1公斤气体，在压力保持不变的情况下升高1℃所吸收的热量，称为质量定压比热，用符号C P 表示。
2)气体的定容比热：1公斤气体，在容积保持不变的情况下升高1℃所吸收的热量，称为质量定容比热，用符号C V 表示。
气体的定压比热较定容比热的数值要大一些。这是因为，定容时气体的容积不变，而气体在定压下吸热使温度升高时容积要膨胀而对外作膨胀功。
三、应用比热计算热量
1．平均比热
设1公斤气体，温度由t 1升高到t 2所需要的热量为g，21m C 称为由1t 到2t 的平
均比热。则
10
1
221t t q C m ?= 2．真实比热
设1公斤气体温度由t 升高到t +Δt 时所需要的热量为ΔQ ，当Δt →0时，比值t q ΔΔ的极限为C，即：dt
dq t q C t =ΔΔ=→Δ0lim C 称为t ℃时的真实质量比热。理想气体的真实比热与温度有下列关系：
L L +++=2et bt a C
此式在比热-温度坐标图上为一曲线，气体由t 1℃升高到t 2℃所需的单位质量热量按下式积分得
∫==2
1t t ABCDA Cdt q 面积 即可用C-t 图上t 1与t 2间曲线AB 下的面积ABCDA 来表示单位质量热。于是：
)(1221t t C q m ?=
由于21m C 的数值是随两个变量t 1和t 2变化，
要列出每一种气体的21m C 表很复杂。为简化表格，热工手册中把，t 1=0℃和t 2 =t℃的比热列成表格，即绘出0℃到t
℃的平均比热20m C 表，见表11-2。
当温度变化范围不大时，认为真实比热与温度为直线关系已足够准确，在C -t 图上是一条直线，这时：bt a C += 将上式与平均比热定义式比较，可见)(2
121t t b a C t m ++= 为了求得0℃到t ℃平均比热的直线关系式，取上式中t 1=0℃，t 2= t ℃，则：
t b a C t m 2
1+= 只有温度变化范围很窄或作粗略估算时，才允许把比热看作定值进行热量计
算，这时：q ＝C （t 2-t 1）
。
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第四节 热力学第一定律
一、能量守恒与转换定律
能量守恒与转换定律指出：“自然界的一切物质都具有能量；能量有各种不同的式，它们能够从一种形式转换为另一种形式，由一个系统传递给另一系统，但是，在转换和传递时能量不可能被创造，也不可能被消灭”。
能量守恒和转换定律是自然界最基本的定律，它是自然界中各种形态的运动在相互转换时所遵循的普遍法则。能量守恒与转换定律不是从理论上推导出来的，而是人类长期实践经验的科学总结。
二、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系统中的具体应用。当系统与外界发生能量传递与转换时，热力学第一定律可表述如下：
进入系统的能量=系统中内能的增加+离开系统的能量
1．工质的内能
系统内工质分子不规则热运动所具有的能量，称为工质的内能。处于平衡态的封闭系统，其内能为U ，质量为m ，则单位质量工质所具有的内能，称为比内能，用符号u 表示，其单位为kJ ／kg ，即：m
U u = 按分子运动论的观点，系统的内能包括：
（1）分子作移动运动所具有的移动动能；
（2）分子绕其中心作旋转运动所具有的转动动能；
（3）分子内部的原子在其平衡位置附近作振动运动而具有的振动动能； （4）分子之间的内聚力作用而具有的分子间的位能。
对于理想气体，分子间的内聚力可以忽略不计，所以没有分子间的位能。按照分子运动论的观点，分子的移动动能、转动动能和振动动能统称为内动能，内
12
动能仅仅是绝对温度的函数。因此，理想气体的内能只能是绝对温度的函数，即：)(T f U =或)(T u ?=
对于实际气体，除内动能外，尚有分子间的位能(又称内位能)，它与分子间的距离有关，是比容的函数。因此，实际气
体的内能是绝对温度和比容两个状态参数
的函数，即：),(v T f U =或),(v T U ?=
总之，不论是理想气体还是实际气体，
当状态一定时，就有一个确定的温度和比
容值，代入上式后，就可以得到一个确定
的内能值。可见，内能是工质的一个状态
参数，当工质由初态变化到终态时，内能
的变化量只与初、终状态有关，而与由初
态变化到终态的途径无关。当工质由初态
经过一系列变化又回到初态时，则内能变
化量为零。
2．工质膨胀(或压缩)的容积功 在热工计算中，常用压力p 为纵坐标、比容v 为横坐标的P -v 图， P-v 图上任意一点(p 1，v 1)表示工质的一个平衡状态，反之，工质的任意一个平衡状态便可用P -v 图中一个确定点来表示。
在封闭气缸内有一公斤工质，如图11-10所示，令工质从初态1沿过程lA2膨胀到终态2，现在来计算系统在膨胀过程中对外界作的单位质量功。
整个过程中系统对外界作的单位质量功为∫=2
1pdv w 如果过程1A2的方程)(v f p =已给定，代入上式便得到单位质量膨胀功的数值为
143212
1?????==∫A pdv w 面积
13
可见，系统对外界作单位质量膨胀功ω的数值；可由P —v 图上过程曲线lA2下面的面积 1—A －2－3－4－1表示。从图上还可以看出，从初态1到终态2，过程可以沿着不同的途径进行，因而就对应着不同的单位质量功。可见，功不是状态参数；而是过程的函数。
从上式可以看出，当dv ＞0时，ω＞0，即工质膨胀时，系统对外界作功；反之，当dv ＜0时，ω＜0，即工质被压缩时，外界对系统作功。
如果系统中工质的质量为m 公斤，因V =mv ，这时系统对外界作的功为
mw pdv m v m pd pdV W ====∫∫∫2
12121)( 3．热功当量
1）功与热量 功是系统与外界之间能量传递的一种方式，或者说，功是传递中的能量。热量是系统与外界之间能量传递的另一种方式，也是传递中的能量。它们只有在通过边界时出现，在传递中一旦通过了边界，它们便“消失”了并转化为系统或外界的能量。
外界可以通过边界对系统作功或传送热量来改变系统的内能。如果系统内能的改变是由于外界作功的结果，则内能的改变量就可以用作功的数量来度量；如果系统内能的改变是由于传送热量的结果，则内能的改变量就用热量来度量。可见，功和热量都是在系统与外界发生能量传递时系统内能变化的度量，都是在系统内能发生变化时出现在传递中的物理量。因此，功和热量一样，都不是系统的状态参数，却都是系统状态变化所经历的途径的函数。
但是，功和热量还是有本质的区别：功是由于外界重物的升降（真实的或折合的）而产生的系统与外界的相互作用，压力差是作功的驱动力，它是规则运动的能量传递方式；热量总是从高温处自发地传到低温处，温度差是热量传递的驱动力。按分子运动论观点，温度是物质内部分子热运动剧烈程度的度量。因此，热量是不规则热运动的能量传递方式。
热功当量功和热量都能使系统内能发生改变，这说明功和热量是相当的。
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4．热力学第一定律的数学表达式
现在以封闭系统为例，说明热力学第一定律。设封闭系统有m 公斤工质，当外界加给系统热量Q 时，系统内能增加了ΔU ，同时由于工质推动活塞右移，对外界作了膨胀功W 。热力学第一定律认为：当系统与外界发生能量传递与转换时，加给系统的能量等于系统内能的增加与系统对外界作功之和。便可写出热力学第一定律的数学表达式为：Q =ΔU +W
对于一公斤工质来说，热力学第一定律的数学表达式为：q=Δu+w
对于一个微小的变化过程，第一定律表达为：dq=du+dw
Q ＞0，外界对系统加热；Q ＜0，系统对外界放热；ΔU ＞0，系统内能增加；ΔU ＜0，系统内能减少；W ＞0系统对外界作功，W ＜0。外界对系统作功。
5．理想气体的热力学第一定律
对于理想气体，比内能只是温度的函数。因此不论是否是定容过程，只要初温相同，终温也相同，比内能的变化就完全相等。所以，不论什么过程，均可用下式计算理想气体比内能的变化量，即：dt C du v = 或 )(12t t C u vm ?=Δ
理想气体热力学第一定律表达式为
pdv dt C dq v += 或 ∫+?=2
112)(pdv t t C q vm
第五节 热力学第二定律
一、开尔文说法
（以图11-12蒸汽动力装置示意图为例讲
解）
按照热力学第一定律数学表达式可得：Q 1
—Q 2＝W c 或Q 1＝Q 2+W c
上式说明：工质从高温热源获取的热量，
一部分用于工质膨胀对外界作功，另一部分给
15
了低温热源。工质不向低温热源放热（即Q 2＝0），使工质从高温热源获取的热量Q 1全部用来转化为机械功Wc 是不可能的。也就是说，“单热源的热机是永远造不成的”。
热力学第二定律的开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其它变化。这里的“其它变化”是指高温热源的热量放给低温热源。总之，把高温热源的热量部分的放给
低温热源，是实现热能转化为机械能的条
件。
根据热力学第二定律，可以证明热机
的热效率永远小于1。
%100112
=Q Q t η 二、克劳修斯说法 （以图11-13压缩制冷装置示意图为例讲解）
按照热力学第一定律数学表达式，可得：Q 2—Q 1＝—Wc 或 Q 1＝Q 2+Wc 上式说明给高温热源的热量Q 1，一部分是来自低温热源所吸收的热量Q 2，另一部分是来自工质消耗外界的机械功W c 。因此得出制冷装置的热力学第二定律：要使工质不断地从低温热源吸收热量并把它传递给高温热源，必须消耗外界机械功。即消耗外界机械功是将热量从低温物体传递给高温物体的条件。
热力学第二定律的克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其它变化。这里的“不产生其它变化”是指工质消耗外界机械功。总之，对工质作机械功是实现将低温物体的热量传递给高温物体的条件。
第六节 卡诺循环与逆向卡诺循环
一、熵和温熵图
1．熵的定义式
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在热力学中，熵是一个重要的状态参数，它是用数学方法引伸出来的，没有简单的物理意义，也不能用仪表直接测量。取一定质量的工质为封闭系统，在微
元可逆过程中，系统从热源吸收的热量dQ 与工质的绝对温度T 之比，即：T dQ dS =
定义dS 为熵S 的增量。熵的国际单位为kJ ／K ，工程单位为kcal ／K 。
熵字的中文意义是热量被温度除的商，熵的外文原名意义是“转变”，指热量可以转换为功的程度。当系统从热源吸收一定数量的热量时，工质绝对温度越高，则系统熵的变化越小，热量转换为功的程度就越大。
2．温熵图
在无摩擦理想过程中，气体容积变化时的膨胀
功或压缩功，可以用P-v 图上过程曲线下的投影面
积形象地表示出来。为了反映工质在状态变化过程
中热量和温度的变化情况，仿照P-v 图，可以建立
以绝对温度T 为纵坐标、比熵s 为横坐标的温熵图
（T-s 图）
。如图11-14所示。工质从初始状态1（T 1
，
s l ）加热到终了状态2（T 2，s 2）的过程曲线1－2画在T-s 图上。
可见过程曲线1－2下的面积表示工质吸入的热量q 。因此，T-s 图也可以理解为“示热图”。而且由式dq =Tds 可以看出，因为工质的绝对温度T 总是大于零（T ＞0），所以工质的熵增加（ds ＞0），该过程工质就吸热（dq ＞0）；反之，工质的熵
减少（ds ＜0）工质就放热（dq ＜0）
；当工质的熵不变时（ds ＝0），工质既不吸热；也不放热，即无摩擦的绝热过程中工质的熵不变。因此，可以根据比熵的变化，判断在无摩擦状态过程中系统与外界热传递的方向。
二、卡诺循环
1．卡诺循环及其热效率（图11-15）
工质经过等温加热、绝热膨胀、等温放热、绝热压缩四个热力过程，又回到初始状态，工质的比内能没有变化，即Δu =0。经过一个循环后，工质吸收的净热
17
高温热源的温度T 1、低温热源的温度T 2有关，
与所用工质的性质无关。高温热源温度越高、低
温热源温度越低，卡诺循环热效率就越高。
可见，在理想情况下，内燃机中的工质可把高温热源热量的74.7%转换为可用功。但是，实际上由于各种因素的影响，只能把40～50%的热量转换为可用功。
2．提高热效率的途径
1) 尽量提高高温热源的温度。
2) 尽量降低低温热源的温度
3) 尽可能使热机实际的热力循环接近理想卡诺循环。
三、逆向卡诺循环
1．逆向卡诺循环及其制冷系数
如图11-16所示，沿着卡诺循环的反方向进
行的循环称为逆向卡诺循环，即制冷装置的理想
循环。
经过一个制冷循环，工质吸收外界的净热为11-16 逆向卡诺循环及其T-s 图q 1—q 2；工质消耗外界的净功为w c ＝w 1—w 2；工质的比内能变化Δu =0。由热力学第一定律公式得：q 2—q 1=w c 或 w c =q 1—q 2
逆向卡诺循环的经济性是用制冷系数来表示。制冷循环所产生的效果q 2与所花费的代价w c 之比，称为制冷系数，用符号εk 表示，即：212T T T k ?=
ε 图1115卡诺循环及其T s 图
18
从上式可知，因为T 1＞T 2，εk 不可能等于无穷大，所以w c =q 2/εk 不可能为零。这里再次说明，在制冷循环中，工质只有消耗外界机械功，才能从低温处吸收热量向高温处放热。同时还可以看出，当冷库温度T 2越高。冷却水温度T 1越低，则制冷系数εk 越大，即制冷循环的经济性越高。从逆向卡诺循环的T-s 图还可以看出，制冷循环的制冷系数εk 可以大于1。
2．提高制冷系数的途径
1）尽量使实际制冷循环接近逆向卡诺循环。
2）尽量减小冷剂在冷库和冷凝器中的传热温差。
第七节 气体的热力过程
一、定容过程
容积不变的热力过程称为定容过程，因此，按照v =常数和状态方程pv =RT , 可以求得初、终状态参数的关系为：1
212T T p p = 定容过程中dv =0，所以单位质量膨胀功为零，即：021
==∫pdv v ω 定容过程中气体单位质量热量可按定容比热进行计算，即：)(12t t C q vm v ?=
在定容过程中系统不对外作膨胀功，所以外界加入系统的热量全部用来增加系统的内能；反之，系统向外界放热时，放出的热量全部由系统内能的减少来补偿。
二、定压过程
压力不变的热力过程称为定压过程。按照p =常数和状态方程pv =RT ，可求得初、终状态参数之间的关系为：1
212T T v v = 在定压过程中，单位质量膨胀功为：()2121
v v p pdv p ?==∫ω。
19
定压过程中，气体的单位质量热量可按定压比热进行计算，即：)(12t t C q pm p ?=。
Q p 也可按理想气体热力学第一定律来计算，即：)()(1212t t R t t C q m p ?+?=υ 由此可以看出，在定压过程中，外界加给系统的热量一部分用于增加系统的内能，其余部分用于系统对外界作膨胀功。
三、定温过程
温度保持不变的热力过程称为定温过程。由于T=常数，按照状态方程可得过程方程为：pv ＝常数。
在定温过程中，单位质量膨胀功为
21212121ln p p RT dv RT dv v
RT pdv T ====∫∫∫ω 2111ln p p v p = 当等温膨胀时，w T 为正值，表示气体对外界作膨胀功；当等温压缩时，w T 为负值，表示外界压缩气体消耗功，
定温过程中，气体的比内能变化量为零，即：0)(12=?=Δt t C u vm
按照理想气体热力学第一定律，定温过程中单位质量热量为
121
2ln ln p p RT v v RT w u q T r ==+Δ=1211ln p p v p = 可见在定温过程中，外界加给系统的热量全部用于系统对外作膨胀功；反之，外界对系统作的压缩功全部转换为向外界放热。由于外界加的热量与对外作的膨胀功在数量上相等，所以系统内能没有变化，对理想气体而言，温度也就没有变化。这就是在定温过程中对工质加热而工质温度仍保持不变的原因。
四、绝热过程
系统与外界在任何时刻都不发生热传递的热力过程称为绝热过程。根据绝热过程的定义式dQ ＝0和理想气体热力学第一定律式得：0＝C v dt+pdv 根据状态方程可得：R
pv T =
热工基础习题参考答案(部分)
1.3 题略 解： m 2.127481 .92.110)7893(3 =??-=??=??=?g p h h g p ρρ 1.5 题略 m 1.05.0 2.030sin m 2.0200kg/m 800/8.033=?======l h mm l cm g ρ已知： 烟气的真空度为： Pa 8.78430sin 2.081.9800=??=??=h g p v ρ ∵ 1 mmH 2O = 9.80665 Pa ∴ 1 Pa = 0.10197 mmH 2O O mmH 027.808.7842==Pa p v 烟气的绝对压力为： kPa 540.98Pa 388.985408.7843224.133745==-?=-= v b p p p 1.10 题略 解：锅内表压力 g 40.77kg 04077.081 .91041010063==???=?= ?= -g A p m A g m p g g 2.2填空缺数据（兰色）： 2.9 题略 已知：D 1 = 0.4 m ，p 1 =150 kPa ，且气球内压力正比于气球直径，即p = kD ，太阳辐射加热后D 2 = 0.45 m 求：过程中气体对外作功量 解：由D 1=0.4 m ，p 1=150 kPa ，可求得：k =375 kPa/m
kJ 27.2) (8 2 2 )6 (41423 332 1 =-= == ?==? D D k dD kD W dD kD D d kD pdV dW D D π π π π 答：过程中气体对外作功量为2.27 kJ 2.12 题略 解：（1）确定空气的初始状态参数 K 300)27273(m 10101010100kPa 1.29310100108.91951021332414 3 111=+==???===???+=+=+=-----T AH V A g m p p p p b g b （2）确定拿去重物后，空气的终了状态参数 由于活塞无摩擦，又能与外界充分换热，因此终了平衡状态时缸内空气的压力和温度与外界的压力和温度相等。则 33-3211 2124 3222m 101.50231 .1951 .29310K 300kPa 1.19510100108.9)100195(102?=?=====???-+=+=+=---p p V V T T A g m p p p p b g b 活塞上升距离 cm 023.5m 05023.01010010)15023.1()(4 3 12==??-=-=?--A V V H 对外做功量 J 999.9710)15023.1(101.195332=?-??=?=-V p W 由闭口系能量方程，Q =△U+W ，因T 2 = T 1，故△U = 0。所以求得气体与外界的换热量为 Q =W=97.999 J 讨论：（1）本题活塞上升过程为不可逆过程，其功不能用pdV W ?=2 1计算， 本题是一种特殊情况，即已知外界压力，故可用外界参数计算功（多数情况下外
工程热力学期末考试试题
一、1.若已知工质的绝对压力P=，环境压力Pa=，则测得的压差为(B)A.真空pv= B.表压力pg=.真空pv= D.表压力p g= 2.简单可压缩热力系的准平衡过程中工质压力降低，则(A) A.技术功为正 B.技术功为负 C.体积功为正 D.体积功为负 3.理想气体可逆定温过程的特点是(B)=0 =>W
【精品】热工基础考试题库1
试卷一 一、选择(本大题16分，每小题2分) 1.某系统经过一个任意不可逆过程达到另一状态，表达式（）正确。 (a)ds＞dq/T(b)ds＜dq/T（c）ds=dq/T 2。处于平衡状态的简单可压缩热力系统，其状态参数间的关系正确的是().(ρ为密度)。 （a）F=F（ρ，v,T)(b）F=F(ρ,v，P)（c)F=F(ρ,P,T) ３．用压力表测量容器内氧气的压力，压力表读数为25bar。已知当地大气压力为1bar，则氧气的真实压力为（）bar. (a）26（b）25（c）24 ４．在p－v图上，经过同一状态点的理想气体等温过程线斜率的绝对值比绝热过程线斜率的绝对值（） (a)大（b）小（c)相等（d）可能大，也可能小 ５．理想气体1kg经历一不可逆过程,对外做功20kJ放热20kJ,则气体温度变化为（)。 (a）提高(b）下降（c）不变 ６．同一理想气体从同一初态分别经定温压缩、绝热压缩和多变压缩（1 ７．理想气体等温过程的技术功为（） (a）h1-h2（b）0（c）（d）v(p1=p2） ８．理想气体绝热流经节流阀，节流后稳定截面处的焓值（）（a)升高（b)降低（c)不变（d）无法确定 二、判断正误(划“√”或“×”号）（本大题16分，每小题2分） 1。系统从外界吸收热量，温度一定升高（）。 2.在热力循环中，如果工质不向冷源放热，则该循环的热效率可以达到100%（). 3。沸腾状态的水总是烫手的。(） 4.蒸汽抽汽回热循环每级抽汽量越大，循环热效率越大。（) 5。绝热过程一定是定熵过程.() 6.供热系数一定大于1，制冷系数也一定大于1。（） 7.实际气体的压缩因子总不等于1。（） 8.任意可逆循环的热效率都是。（) 三、填空（本大题16分,每小题2分） １、稳定流动能量方程式应用于换热器时的简化形式 2、2kg空气从300K定压加热到700K时的吸热量为kJ（空气比定压热容=1.004kJ/（kg·K）） ３、当湿蒸汽的干度x＝0时，工质全部为。 ４、一不可逆热机在高温热源Th和低温热源Tl之间工作。高温热源熵变–1。5kJ/K;低温热源熵变2.5kJ/K,热机在绝热压缩过程中熵变0。2kJ/K；绝热膨胀过程中熵变0.7kJ/K；取高温热源、低温热源和热机为系统，则完成循环后此系统的熵变S系=＿＿＿kJ/K。 ５、已知氧气在250K时=0。913kJ/（kg·K),=0.653kJ/（kg·K）.则该气体的气体常数R 2011-2012硅酸盐专业《热工基础》期末试题A卷 一、名词解释：（30分） 1、流体的密度—— 2、静压强—— 3、体积流量—— 4、发热量—— 5、相对湿度—— 6、黑体—— 7、干燥—— 8、完全燃烧—— 9、高温系数—— 10、干球温度—— 二、填空：（25分） 1.煤的工业分析法组成主要由__________、__________、__________、__________四种。 2.空气过剩系数是指_________________与__________________之比。 3.表示固体和液体燃料组成的基准有__________、__________、__________、__________四种。 4.传热的基本方式有__________ 、__________和__________。 5、在燃烧学中空气分为__________和________，而在干燥学中空气分为_________和________。 6、不完全燃烧分为______________和______________。 7、表示湿度的方法有三种：________、_____________、_________其中_____是为了测定方便； ______表示空气的相对干燥能力；________便于干燥计算。 三、简答题：（25分） 1、燃烧计算的内容有哪些？ 2、如何对煤进行工业分析？ 3、如何根据雷诺准数的大小来判断流体的流态？ 4、冬天用手接触相同温度的铁块和木块时感到铁块比木块凉，这是为什么？ 5、流态有几种？表现形式有何不同？如何判定？ 五、计算题（20分） 1、水从三段串联管路流过，管路直径分别为：d1=100mm, d2=50mm, d3=25mm, ω3=10m/s,求ω1和ω2. 2、已知标态下CO2的密度为1.96kg/m3, O2的密度为1.43kg/m3，CO 的密度为1.25kg/m3, N2的密度为1.25kg/m3。今测得某水泥回转窑窑尾废气的体积百分比：CO2 =28.8% ，O2=1.0% ，CO =0.2%，N2=70%，求此废气标态时的密度。 3、一炉壁由耐火砖砌成，厚度δ=250mm，耐火砖内表面温度t1=1000℃, 外表面温度t2=100℃, 耐火砖平均导热系数为λ=1.28W/(m.℃)。求通过炉壁的热流量。 工程热力学期末试卷 建筑环境与设备工程专业适用 （闭卷，150分钟） 班级 姓名 学号 成绩 一、简答题(每小题5分，共40分) 1. 什么是热力过程？可逆过程的主要特征是什么？ 答：热力系统从一个平衡态到另一个平衡态，称为热力过程。可逆过程的主要特征是驱动过程进行的势差无限小，即准静过程，且无耗散。 2. 温度为500°C 的热源向热机工质放出500 kJ 的热量，设环境温度为30°C ，试问这部分热量的火用（yong ）值（最大可用能）为多少？ 答： =??? ? ?++-?=15.27350015.273301500,q x E 3. 两个不同温度（T 1,T 2）的恒温热源间工作的可逆热机，从高温热源T 1吸收热量Q 1向低温热源T 2放出热量Q 2，证明：由高温热源、低温热源、热机和功源四个子系统构成的孤立系统熵增 。假设功源的熵变△S W =0。 证明：四个子系统构成的孤立系统熵增为 （1分） 对热机循环子系统： 1分 1分 根据卡诺定理及推论： 1 则： 。1分 4. 刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A 中存有高压空气，B 中保持真空， 如右图所示。若将隔板抽去，试分析容器中空气的状态参数（T 、P 、u 、s 、v ） 如何变化，并简述为什么。 答：u 、T 不变，P 减小，v 增大，s 增大。 5. 试由开口系能量方程一般表达式出发，证明绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变。（绝热节流过程可看作稳态稳流过程，宏观动能和重力位能的变化可忽略不计） 答：开口系一般能量方程表达式为 绝热节流过程是稳态稳流过程，因此有如下简化条件 ， 则上式可以简化为： 根据质量守恒，有 代入能量方程，有 6. 什么是理想混合气体中某组元的分压力？试按分压力给出第i 组元的状态方程。 答：在混合气体的温度之下，当i 组元单独占有整个混合气体的容积（中容积）时对容器壁面所形成的压力，称为该组元的分压力；若表为P i ，则该组元的状态方程可写成：P i V = m i R i T 。 B 隔板 A 自由膨胀 12iso T T R S S S S S ?=?+?+?+?W R 0S ?=22t t,C 1111Q T Q T ηη==-=-iso 0S ?=iso 0 S ?= 热工基础题库 一、选择题 基本概念 1.与外界只发生能量交换而无物质交换的热力系统称为。B A、开口系统 B、闭口系统 C、绝热系统 D、孤立系统 2.与外界既无能量交换又无物质交换的热力系统称为。D A、开口系统 B、闭口系统 C、绝热系统 D、孤立系统 3.开口系统与外界可以有。D A、质量交换 B、热量交换 C、功量交换 D、A+B+C 4.与外界有质量交换的热力学系统是：A A、开口系统 B、闭口系统 C、绝热系统 D、孤立系统 5.下列与外界肯定没有质量交换但可能有热量交换。B A、绝热系统 B、闭口系统 C、开口系统 D、孤立系统 6.实现热功转换的媒介物质称为。C A、系统 B、气体 C、工质 D、蒸气 7.工质应具有良好的和。A A、流动性/膨胀性 B、耐高温性/导热性 C、耐高压性/纯净 D、耐腐蚀性/不易变形 8.若闭系处于热力学平衡状态，则内部工质的处处一致。A A、压力和温度 B、压力和比容 C、比容和温度 D、压力、温度和比容 9.稳定状态是平衡状态，而平衡状态是稳定状态。B A、一定/一定 B、不一定/一定 C、一定/不一定 D、不一定/不一定 10.均匀状态是平衡状态，而平衡状态是均匀状态。C A、一定/一定 B、不一定/一定 C、一定/不一定 D、不一定/不一定 11.下列组参数都不是状态参数。C A、压力；温度；比容 B、内能；焓；熵 C、质量；流量；热量 D、膨胀功；技 术功；推动功 12.下列组参数都是状态参数。A A、焓；熵；比容 B、膨胀功；内能；压力 C、热量；比热；温度 D、技术功；动能；位能 13.下列答案是正确的。B A、10℃=43.8℉=285.15K B、10℃=50℉=283.15K C、10℃=40.2℉=285.15K D、10℃=42℉=283.15K 14.摄氏温度变化1℃与热力学绝对温度变化1K相比，有。B A、前者大于后者 B、两者相等 C、后者大于前者 D、不一定 15.摄氏温度变化1℃与华氏温度变化1℉相比，有。B A、前者大于后者 B、两者相等 C、后者大于前者 D、不一定 16.若大气压力为100KPa，真空度为60KPa，则绝对压力为。D A、160KPa B、100KPa C、60KPa D、40KPa 17.若大气压力为100KPa，表压力为60KPa，则绝对压力为。A A、160KPa B、100KPa C、60KPa D、40Kpa 18.在工程热力学计算中使用的压力是。A A、绝对压力 B、表压力 C、真空压力 D、大气压力 19.若大气压力为0.1Mpa，容器内的压力比大气压力低0.004Mpa，则容器的B。 A、表压力为0.096Mpa B、绝对压力为0.096Mpa C、真空度为0.104Mpa D、表压力为0.104Mpa 试卷一 一、选择（本大题 16 分，每小题 2 分） 1.某系统经过一个任意不可逆过程达到另一状态，表达式（）正确。 (a) ds ＞ dq/T （ b ） ds ＜ dq/T （ c ） ds=dq/T 2.处于平衡状态的简单可压缩热力系统，其状态参数间的关系正确的是（）。 (ρ为密度 ) 。 (a)F=F(ρ,v,T) （ b ） F=F(ρ,v,P) （ c ） F=F(ρ,P,T) ３．用压力表测量容器内氧气的压力，压力表读数为 25bar 。已知当地大气压力为 1bar ，则氧气的真实压力为（） bar 。 (a) 26 （ b ） 25 （ c ） 24 ４．在 p － v 图上，经过同一状态点的理想气体等温过程线斜率的绝对值比绝热过程线斜率的绝对值（） (a) 大（ b ）小（ c ）相等（ d ）可能大，也可能小 ５．理想气体 1kg 经历一不可逆过程，对外做功 20kJ 放热 20kJ ，则气体温度变化为（）。 (a) 提高（ b ）下降（ c ）不变 ６．同一理想气体从同一初态分别经定温压缩、绝热压缩和多变压缩（ 1 诚信应考,考试作弊将带来严重后果！ 湖南大学课程考试试卷 2. 理想气体只有取定值比热容时，才能满足迈耶公式g v p R c c =-。……（ ） 3. 不可逆过程不能T-s 图上表示，所以也不能计算过程的熵变量。………… （ ） 4. 卡诺循环的热效率一定大于其它循环的热效率。…………………………（ ） 5. 稳定流动能量方程适用于所用工质的稳定流动情况，不论过程是否可逆，有无耗散效应。……………………（ ） 6. 自发过程都是不可逆过程，非自发过程都是可逆过程。…………………（ ） 7. 活塞式压气机应采用隔热措施，使压缩过程接近绝热过程。………………（ ） 8. 经不可逆循环，系统与环境无法完全恢复原态。……………………………（ ） 9. 熵产大于0的过程必为不可逆过程。………………………………………（ ） 10. 实际气体绝热自由膨胀之后，其热力学能不变。…………………………（ ） 三、选择题（每小题2分，共20分） 1. 理想气体可逆吸热过程，下列哪个参数一定增加：（ ）。 A.热力学能； B.熵； C.压力； D.温度 2. ? +?=pdv u q 适用于 （ B ） A 理想气体可逆过程 B 一切气体可逆过程 C 理想气体一切过程 D 理想气体准静态过程 3. 下面参数中，量纲不相同的有（ B ） A. 比热容 B. 比焓 C. 质量气体常数 D. 比熵 4. 若空气进行可逆定压加热过程，则：（ C ）。 A.空气作功量大于其热力学能增量； B.空气作功量等于其热力学能增量； C.空气作功量小于其热力学能增量； D.无法确定 5. 下列三种状态的空气，哪种状态的熵最大（ A ）。 A. 100oC ，20bar ； B. 200oC ，10bar ； C. 100oC ，10bar ； D. 150oC ，15bar 6. 某制冷机在热源1T =300K 及冷源2T =250K 之间工作，其输入功W 为25kJ ，从冷源吸热量Q ,2为110kJ ，此制冷机是（ C ）。 一、判断题： 1. 平衡状态一定稳定状态。 2. 热力学第一定律的实质是能量守恒定律； 3．公式d u = c v d t 适用理想气体的任何过程。 4．容器中气体的压力不变则压力表的读数也绝对不会改变。 5．在T —S 图上，任意二条可逆绝热过程线不能相交。 6．膨胀功与流动功都是过程的函数。 7．当把一定量的从相同的初始状态压缩到相同的终状态时，以可逆定温压缩过程最为省功。 8．可逆过程是指工质有可能沿原过程逆向进行，并能恢复到初始状态的过程。 9. 根据比热容的定义式 T q d d c ，可知理想气体的p c 为一过程量； 10. 自发过程为不可逆过程，非自发过程必为可逆过程； 11．在管道作定熵流动时，各点的滞止参数都相同。 12．孤立系统的熵与能量都是守恒的。 13．闭口绝热系的熵不可能减少。 14．闭口系统进行了一个过程，如果熵增加了，则一定是从外界吸收了热量。 15．理想气体的比焓、比熵和比定压热容都仅仅取决与温度。 16．实际气体绝热节流后温度一定下降。 17．任何不可逆过程工质的熵总是增加的，而任何可逆过程工质的熵总是不变的。 18. 不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率； 19．混合气体中质量成分较大的组分，其摩尔成分也一定大。 20．热力学恒等式du=Tds-pdv 与过程可逆与否无关。 21．当热源和冷源温度一定，热机工质能够做出的最大功就是在两热源间可逆热机对外输出的功。 22．从饱和液体状态汽化成饱和蒸汽状态，因为气化过程温度未变，所以焓的变化量Δh=c p ΔT=0。 23．定压过程的换热量q p =∫c p dT 仅适用于理想气体，不能用于实际气体。 24．在p －v 图上，通过同一状态点的定熵过程的斜率大于定温过程的斜率。 《热工基础》综合练习题 一、填空题 1．雾化燃烧是气体燃烧料的一种燃烧方式？ 2．包含对流换热系数的准数是 3．洁白的雪对热射线有很强的反射能力？ 4．金属的导热系数随着温度的升高而降低？ 5．为提高实际燃烧温度，空气过剩系数不宜太小，也不能过大？ 6．由红砖、保温砖、粘土砖组成多层平壁，如层与层间由于接触不紧密而存在空气，则多层平壁的传导热流量将（a）增大；（b）减小；（c）不变；（d）不能确定。 7．对不饱和空气，干球温度、湿球温度、露点温度之间三者的大小关系是 8．影响自然排烟烟囱抽力的主要因素有 二、简答题 1．为什么新干法窑尾的电收尘器前要设置增湿塔 2．多通道燃烧器有什么突出的优点 3．新型控流阻力篦板主要解决了什么关键问题，篦板阻力与料层阻力的关系发生了什么变化 4．回转窑应具备什么功能，怎样调控物料在窑内的运动 5．简述新型干法生产工艺的发展历程试从热工角度讨论生产中节能降耗的可能途径 6．冷却机的性能有哪些评价指标 7．分解炉内的旋风和喷腾效应有什么主要效果（15分） 8．悬浮预热器的共性有哪些，使用中预热器为何要采用多级串联的工艺布置（15分）9．生产中可采用哪些措施防止结皮堵塞。 10．降低预热器系统阻力损失的措施有哪些 11．生产中为什么要控制分解炉内的温度为890±30℃） 12．影响碳酸盐分解的主要因素有哪些？已知某生产线入窑生料的烧失量为36.2%，出窑烟气中的物料烧失量为3.8%，试求其入窑的表观分解率。 13．简述预分解窑系统中分解炉的主要功能，分解炉内的物料分散与均布是怎样实现的？ 新型干法生产工艺为何能降低废气中的NOx排放量？ 14．在什么情况下应考虑采用旁路放风，它对预热器窑和预分解窑的影响是否一样？15．第三代篦冷机采用了哪些主要的技术措施？ 16．试从熟料形成的热化学入手，说明生产过程中建立稳定的热工制度的必要性，稳定热工制度应有哪些保证条件？ 17．新型干法水泥生产中的D-D炉与RSP炉的主要区别是什么？ 18．生料再循环的目的是什么？ 19．新型干法生产中，为使系统控制最优，对各级预热器的分离效率应进行怎样的控制（以4级预热器为例）？ 20．怎样定义碱的内循环与外循环？ 21．复合式篦冷机与组合阶段式篦冷机的主要区别是什么？ 22．水泥熟料的实际热耗主要由那几部分组成？ 23．在不考虑土建投资的情况下，若追求热效率最高，是不是以增加预热器的级数为好？24．结合传热理论说明预热器系统换热效率好的原因。 热工基础第十章思考题答案 1 何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。 答：q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的h为表面传热系数。表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。 2 用实例简要说明对流换热的主要影响因素。 答：（1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。 （2）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。 （3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。 （4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。 （5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。 3 对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？ 答：（1） 连续性微分方程 （2） 热量平衡方程 （1）动量平衡方程 连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的 热量平衡方程是根据能量守恒导出的 动量平衡方程是根据动量守恒导出的 4 何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。 答：流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，即速度发生明显变化的流体薄层。速度达到∞处的y值作为边界层的厚度，用表示。 当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。过于温度t-=（t∞-）处到壁面的距离为热边界层的厚 度。 5 简述边界层理论的基本内容。 答：（1）边界层的厚度与壁面特征长度L相比是很小的量。 （2）流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动 思考题 第一章 1.平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什幺要引入平衡态的概念？ 答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。而稳定状态则是不论有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。 2.表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的 压力表或真空计的读数是否可能变化？ 答：不能，因为表压力或真空度只是一个相对压力。若工质的压力不变，测量其压力的压力表或真空计的读数可能变化，因为测量所处的环境压力可能发生变化。 3．当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈大还是愈小？ 答：真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈小。 4. 准平衡过程与可逆过程有何区别？ 答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。 5. 不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？ 答：不正确。不可逆过程是指不论用任何曲折复杂的方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。 6. 没有盛满水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧，这是什幺原因？ 答：水温较高时，水对热水瓶中的空气进行加热，空气压力升高，大于环境压力，瓶塞被自动顶开。而水温较低时，热水瓶中的空气受冷，压力降低，小于环境压力，瓶塞被自动吸紧。 7. 用U形管压力表测定工质的压力时，压力表液柱直径的大小对读数有无影响？ 答：严格说来，是有影响的，因为U型管越粗，就有越多的被测工质进入U型管中，这部分工质越多，它对读数的准确性影响越大。 第二章 图 1 图2 2012工程热力学Ⅰ考题（A ） 一、简答题（共30分） 1、图1中循环1-2-3-a -1和循环1-b -3-4-1都是不可逆 循环。有人判断循环1-2-3-a -1的热效率高于循环1-b -3-4-1的热效率，你是否同意他的说法，为什么？（10分） 2、有一种热机，以水蒸气为工质，循环的高温热源温度为1200 K ，低温热源温度为300 K ，循环的热效率t η。现将循环工质改成理想气体，则循环的热效率t'η与原循环热效率比较将发生什么样的变化？为什么？ （10分） 3、“水蒸气的朗肯循环中乏汽在冷凝器中凝结释放出大量热量，有人提出将汽轮机排出的乏汽直接送回锅炉可提高水蒸气循环的热效率。”请据热力学基本定律出发评估这种观点。（10分） 二、计算题（共70分） 1、一种切割工具利用从喷嘴射出的高速水流切割材料，供水压力为200kPa 、温度20℃， 喷嘴内径为0.002m 时，射出水流温度20℃，压力100kPa ，流速1000m/s ，已知在200kPa 、20℃时，3 0.001002m /kg v =，假定可近似认为水的比体积不变，求水泵功率。（10分） 2、某太阳能供暖的房屋用5×8×0.3m 的大块混凝土板作为蓄热材料，该混凝土的密度为2300kg/m 3 ，比热容0.65kJ/(kg ·K)。若混凝土板在晚上从23℃冷却到18℃（室内温度），求此过程的熵产。（10分） 3、某活塞式内燃机定容加热理想循环（图2循环1-2-3-4-1），压缩比ε =10，压缩冲程的起点状态是t 1=35℃ 、p 1=100kPa 。加热过程中气体吸热650kJ/kg 。假定比热容为定值，且c p =1.004kJ/（kg·K），κ =1.4，求：（1）循环中各点的温度、压力和循环热效率；（2）若循环压缩过程和膨胀过程均不可逆，两过程的熵产分别为0.1kJ/(kg·K)和0.12 kJ/(kg·K)，求工质 经循环后的熵变； （3） 若膨胀过程持续到5（p 5 = p 1），画出循环T-s 图，并分析循环热效率提高还是下降。（10+5+5分） 4、空气在轴流压缩机中被绝热压缩，压力比为4.2，初终态温度分别为30℃和227℃。 《工程热力学与传热学》 一、填空题（每题2分，计20分） 1.如果热力系统与外界之间没有任何形式能量互换，那么这个热力系统一定是( ） 2.抱负气体比热容只与( ）参数关于。 3.若构成热力系统各某些之间没有热量传递，热力系统将处在热平衡状态。此时热力系统内部一定不存在( ）。 4.若构成热力系统各某些之间没有相对位移，热力系统将处在力平衡状态。此时热力系统内部一定不存在( ）。 5.干饱和蒸汽被定熵压缩，将变为：( ）。 6.湿空气压力一定期，其中水蒸气分压力取决于( ）。 7. 再热循环目是( ）。 8. 回热循环重要目是( ）。 9.热辐射可以不依托( ），在真空中传播。 10. 流动功变化量仅取决于系统进出口状态，而与( ）过程无关。 二. 判断题（每题1分，计20分） 1.孤立系统热力状态不能发生变化；（） 2.孤立系统就是绝热闭口系统；（） 3.气体吸热后热力学能一定升高；（） 4.只有加热，才干使气体温度升高；（） 5.气体被压缩时一定消耗外功；（） 6.封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定不对外作容积变化功；（） 7.流动功变化量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历过程无关；（） 8.在闭口热力系中，焓h是由热力学能u和推动功pv两某些构成。（） 9.抱负气体绝热自由膨胀过程是等热力学能过程。（） 10.对于拟定抱负气体，其定压比热容与定容比热容之比cp/cv大小与气体温度无关。（） 11.一切可逆热机热效率均相似；（） 12.不可逆热机热效率一定不大于可逆热机热效率；（） 13.如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆过程熵变等于可逆过程熵变；（） 14.如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆过程熵变不不大于可逆过程熵变；（） 15.不可逆过程熵变无法计算；（） 16.工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小；（） 17.封闭热力系统发生放热过程，系统熵必然减少。（） 18.由抱负气体构成封闭系统吸热后其温度必然增长；（） 19.懂得了温度和压力，就可拟定水蒸气状态；（） 20.水蒸气定温膨胀过程满足Q=W；（） 三. 问答题（每题5分，计20分） 1. 阐明什么是准平衡过程？什么是可逆过程？指出准平衡过程和可逆过程关系。 西南科技大学热工基础试题库 一、判断题（正确的在扩号内填“√”，错误的在扩号内填“×”） 1、比体积v 是广延状态参数。 ( ) 2、工质的状态在参数坐标图上是一个点；过程在参数坐标图上是一条线段；循环在参数坐标图上是一条封闭曲线。( ) 3、饱和湿空气的干球温度总是等于湿球温度。( ) 4、采用中间加热循环可以利市循环的热效率，但排汽干度变小了。( ) 5、绝热加湿过程可以近似地看成是湿空气焓值不变的过程。( ) 6、绝热闭口系的熵增就是孤立系的熵增。 ( ) 7、总热力学能U 是强度状态参数。 ( ) 8、材料的导热系数用λ表示，导热的热阻就是λ 1。( ) 9、未饱和湿空气的干球温度总是高于湿球温度。( ) 10、在s T -图中，凝结水送给水泵约热压缩的升压过程，在低压低温条件下可以用一状态点表示。( ) 11、定容过程即无膨胀（或压缩）功的过程。( ) 12、状态方程是描述状态参数之间关系的方程。( ) 13、大气压力b p 是随时间、地点而变化的，所以工质的表压力是不变的，而绝对压力要随p 的变化而变化。( ) 14、因为是等温过程，工质在状态变化中要对外做功是不可能的。( ) 15、温度是指物质的冷热程度，热量是指人依靠温差而传递的能量，所以它们的含义是不同的。( ) 16、工质的定压比热容比定容比热容大。( ) 17、工质的压力、温度、比容积三者关系中，当温度不变时，压力与比容积成反比。( ) 18、可逆循环和不可逆循环的熵变都等于零。( ) 19、在v p -图上，工质做功的大小，可用过程线下面积大小来识别。( ) 20、工质在状态变化中若无摩擦和理想的情况下，熵值增大表示工质能量的损耗。( ) 21、等溶过程中，工质的状态变化在v p -图上是一条对数曲线，在s T -图上是一条垂直于横坐标的线段。( ) 1．两种湿空气的相对湿度相等，则吸收水蒸汽的能力也相等。（ × ） 2．闭口系统进行一放热过程，其熵一定减少（ × ） 3．容器中气体的压力不变，则压力表的读数也绝对不会改变。（ × ） 4．理想气体在绝热容器中作自由膨胀，则气体温度与压力的表达式为 k k p p T T 1 1212-??? ? ??= （ √ ） 5．对所研究的各种热力现象都可以按闭口系统、开口系统或孤立系统进行分析，其结果与所取系统的形式无关。 （ √ ） 6．工质在相同的初、终态之间进行可逆与不可逆过程，则工质熵的变化是一样的。 （ × ） 7．对于过热水蒸气，干度1>x （ × ） 8．对于渐缩喷管，若气流的初参数一定，那么随着背压的降低，流量将增大，但最多增大到临界流量。（ √ ） 9．膨胀功、流动功和技术功都是与过程的路径有关的过程量 （ × ） 10．已知露点温度d t 、含湿量d 即能确定湿空气的状态。 （ × ） 二．选择题 （10分） 1．如果热机从热源吸热100kJ ，对外作功100kJ ，则（ B ）。 （A ） 违反热力学第一定律； （B ） 违反热力学第二定律； （C ） 不违反第一、第二定律；（D ） A 和B 。 2．压力为10 bar 的气体通过渐缩喷管流入1 bar 的环境中，现将喷管尾部截去一小段，其流速、流量变化为（ A ）。 （A ） 流速减小，流量不变 （B ）流速不变，流量增加 （C ） 流速不变，流量不变 （D ） 流速减小，流量增大 3．系统在可逆过程中与外界传递的热量，其数值大小取决于（A ）。 （A ） 系统的初、终态； （B ） 系统所经历的过程； （C ） （A ）和（B ）； （ D ） 系统的熵变。 4．不断对密闭刚性容器中的汽水混合物加热之后，其结果只能是（ A ）。 （A ）全部水变成水蒸汽 （B ）部分水变成水蒸汽 （C ）部分或全部水变成水蒸汽 （D ）不能确定 5．（ C ）过程是可逆过程。 （A ）.可以从终态回复到初态的 （B ）.没有摩擦的 （C ）.没有摩擦的准静态过程 （D ）.没有温差的 三．填空题 （10分） 1．理想气体多变过程中，工质放热压缩升温的多变指数的范围___大于0______ 2．蒸汽的干度定义为____湿蒸汽中含干蒸汽的质量/湿蒸汽的总质量_____。 3．水蒸汽的汽化潜热在低温时较______小____，在高温时较_____大_____，在临界温度为__0________。 工程热力学（机械2005级）试题参考答案 2007 -- 2008 学年 上 学期 时间120分钟 工程热力学 课程 32 学时 2 学分 考试形式： 开 卷 专业年级： 机械05级 总分100分，占总评成绩 70 % 一、 填空（每空2分，总计20分） 1、基本热力学状态参数有：（压力）、（温度 ）、（体积）。 2、理想气体的热力学能是温度的（单值）函数。 3、热力平衡的充要条件是：（系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零）。 4、不可逆绝热过程中，由于不可逆因素导致的熵增量，叫做（熵产）。 5、卡诺循环由（两个可逆定温和两个可逆绝热）热力学过程组成。 6、熵增原理指出了热力过程进行的（方向）、（限度）、（条件）。 二、 简答题（20分） 1、（5分）如图1，某种理想气体有两任意过程a-b 和a-c ，已知b ，c 在同一可逆绝热线上，试问：Δu ab 和Δu ac 哪个大 解：（方法一） 过b 、c 分别作等温线，因为c b T T >，故c b u u > ab b a ac c a u u u u u u ?=->?=-即 （方法二）考虑过程b -c c b q u w u u w =?+=-+ 0c b q v v w =>> c b u u >，ac ab u u ?>? 图1 方法二 图2 2、（5分）某理想气体经历4个过程，如图2所示。 （1）将各过程画在p-v 图上，并说明作图过程； （2）指出过程加热或放热，膨胀或压缩。 解： 因为：w u q +?= 1-3：131n k -<<，且313S T T >1及 建筑环境与设备工程专业 一、选择题(每小题3分，共分) 1.若已知工质的绝对压力P=0.18MPa，环境压力Pa=0.1MPa，则测得的压差为( B ) A.真空pv=0.08Mpa B.表压力pg=0.08MPa C.真空pv=0.28Mpa D.表压力pg=0.28MPa 2.简单可压缩热力系的准平衡过程中工质压力降低，则( A ) A.技术功为正 B.技术功为负 C.体积功为正 D.体积功为负 3.理想气体可逆定温过程的特点是( B ) A.q=0 B. Wt=W C. Wt>W D. Wt 《热工基础》题库 一、判断题（每题1 分，共96分）： 1、表压力和真空度都不能作为状态参数。（√） 2、热力学中，压力、温度和比容称为基本状态参数。（√） 3、容器中气体的压力不变，则压力表的读数也绝对不会改变。（×） 4、可逆过程必定是准静态过程，而准静态过程并不一定是可逆过程。（√） 5、只有可逆过程p-v 图上过程线下的面积表示该过程与外界交换的容积功。（√） 6、若工质吸热，其热力学能一定增加。（×） 7、工质膨胀时必须对工质加热。（×） 8、系统经历一个可逆定温过程，由于温度没有变化，故与外界没有热量交换。（×） 9、对可逆与不可逆绝热过程，都有w =－△u 和w t =－△h，说明可逆和不可逆绝热过程的功量相等。（×） 10、不管过程是否可逆，开口绝热稳流系统的技术功总是等于初、终态的焓差。（√） 11、没有容积变化的系统一定与外界没有功量交换。（×） 12、理想气体的比热容一定是常数。（×） 13、气体常数与气体的种类及所处的状态无关。（×） 14、理想气体的热力学能、焓、熵都是温度的单值函数。（×） 15、功量可以转换为热量，但热量不可以转换为功量。（×） 16、机械能可以全部转换为热能，而热能绝不可能全部转换为机械能。（√） 17、热效率较高的发动机，循环净功也一定较大。（×） 18、在相同的初终态之间进行可逆与不可逆过程，则不可逆过程中工质熵的变化大于可逆过程中工质熵的变化。（×） 19、工质完成一个不可逆循环后，其熵的变化大于零。（×） 20、熵减小的过程是不可能实现的。（×） 21、系统熵增大的过程必为吸热过程。（×） 22、理想气体多变过程的技术功是膨胀功的n 倍。（√） 23、理想气体在定熵膨胀过程中，其技术功为膨胀功的κ 倍。（√） 24、绝热过程熵变为零。（×） 25、可逆绝热过程熵变为零。（√） 26、单独能量品质升高的过程是不可能发生的。（√） 27、等量的高温热量与低温热量具有相同的品质。（×） 28、自发过程是不可逆过程，但非自发过程是可逆过程。（×） 29、熵产是否为零是判断过程是否可逆的判据。（√） 30、因为熵是状态参数，所以熵流和熵产也都是状态参数。（×）《热工基础》试卷A
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