工程热力学重点内容

绪论+基本概念

研究对象：研究热能与机械能相互转换规律。目的：提高热能利用率。研究内容：热力学两大基本性质，工质的热力性质和热力过程，以及理论在热力过程和循环装置中的应用。方法：宏观，唯象。

工质：实现能量相互转换的媒介物质。热力系统：被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：热力系统周围物体。边界：热力系与外界的交界面。闭口系统：只有能量交换而无物质交换CM。开口系统：有能量交换和物质交换CV。绝热系：与外界无热量交换。孤立系：无能量无物质交换。热源：与外界仅有热量交换，且有限热量交换不引起系统温度变化。平衡状态：平衡状态：在没有外界影响（重力场除外）的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。充要条件：系统内部及系统与外界之间各种不平衡势差（力差、温差、化学势差）

的消失。平衡状态具有确定的状态参数。强度量：与系统内所含工质的数量无关的状态参数。广延量：广延参数具有可加性。单位质量的广延参数具有强度参数的性质，称为比参数。温度：是物系间达到热平衡的判据物质分子热运动的激烈程度。习惯上：物体冷热程度的度量。是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的状态函数。温度是热平衡的唯一判据。热力学第零定律：若两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平衡，那么它们彼此也处于热平衡。温标：温度的定量表示法。压力：单位面积上承受的垂直作用力。对于气体，实质上是气体分子运动撞击容器壁面，在单位面积的容器壁面上所呈现的平均作用力。单位：Pa，kPa，MPa 。压力表测量的压力-表压力p g，真空表测量力-真空度p v，工质的真实压力-绝对压力p，大气压力p b。p〉p b，p=pg+pb，p〈pb，p=pb-pv。比体积：单位质量工质所占有的体积。m3/kg。热力过程：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。准平衡过程(准静态过程)：由一系列无限接近于平衡态的状态所组成的过程.（着眼于系统）/偏离平衡态无穷小，随时恢复平衡的状态变化过程。实现条件：推动过程进行的势差无限小。这样保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡态。建立准平衡过程概念的好处：①可以用确定的状态参数变化描述过程；②可以在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程。可逆过程：如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化。实现条件：准平衡过程过程中无任何耗散效应（通过摩擦、电阻、磁阻等使功变成热的效应）无耗散的准平衡过程为可逆过程。功(可逆过程)

w>0膨胀功（对外作功）w<0压缩功（消耗功）热量：热力系和外界之间仅仅由

于温度不同而通过边界传递的能量。吸热为正，放热为负。功和热均由边界传递能量，均为过程两，压差，温差为各自推动力，功宏观，热微观。热力循环：工质由某一初态出发，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程。目的:为了实现预期连续的能量转换。按照性质分:可逆循环（全部由可逆过程组成的循环）和不可逆循环（含有不可逆过程的循环）按照目的分:正向循环（即动力循环）热效率ηt =Wnet/Qh对外做的功，从高温热源取得的热量。和逆向循环（即制冷循环制冷系数从低温热源取出的热，取这些热做的功。热泵循环供热系数）给高温热源提供的热，提供热耗费的功。难点诠释。平衡状态：参数不随时间改变只是现象，不能作为判断系统是否平衡的条件，只有系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差的消失，才是实现平衡的本质，也是实现平衡的充要条件。平衡必稳定，稳定未必平衡。平衡是相对时间而言，而均匀是相对空间而言。平衡不一定均匀。特点：平衡状态具有确定的状态参数。建立可逆过程概念的目的①使得系统与外界功量和热量的交换能用系统的参数来计算，而无需考虑往往不知道情况的外界参数②由于可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失，因而可逆过程可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限；③因实际过程或多或少地存在着各种不可逆因素（如摩擦、温差、力差或化学势差），所以实际过程都是不可逆的。为简便起见，通常把实际过程当作可逆过程进行分析计算，然后再用一些经验加以修正。

热力学第一定律实质：能量转换与守恒定律在热现象中的应用。表述：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。第一类永动机是不可能制造成功的。内部储存能—热力学能：储存于系统内部的能量，物质内部粒子热运动具有的能量的总和。⑴内动能T ⑵内位能p ⑶电磁能等。外部储存能总储存能

体积变化功W。轴功W s:系统通过轴与外界交换的功量。推动功和流动功：开口系因工质流

动而传递的功称为推动功--pV 进出pV的推动功之差称为流动功:

焓物理意义：表示了工质流动而携带的取决于热力状态的能量。状态参数，与是否流动无关。H=U+PV

热力学第一定律能量方程闭口系：（适用任何工质））若是可逆过程：。循环

开口系：稳定流动：开口系内任意一点工质的状态参数及运动参数不随时间变化

可逆过程：

理想气体热力性质及热力过程定义：是一种实际上并不存在的假想气体，其分子间没有作用力，分子本身是不占

体积的弹性质点。理想气体状态方程：pa m3 J/(kg.k) K Rg=R/M R=8.314J/(mol.k) kg/mol

P V m=RT m3/mol Vm0=0.0224m3/mol PV=nRT气体常数R g与气体所处状态无关，随气体种类而异。P0=0.1013MP

理想气体比热容热容：物体温度升高1K所需的热量。质量热容(比热容) ：单位质量的物体升高1K所需的热量。c=C/m J/（kg.k）摩尔热容C m=C/n, J/(mol?K)容积热容C’=C/V0, J/(m 3?K) 比定压热容比定容热

容比热容比：平均比热容

定值比热容c

v单原子分子

3/2Rg 双原子分子5/2Rg 多原子7/2 c p单5/2 双7/2 多9/2 理想气体的

热力学能、焓和熵

理想气体混合物

由理想气体组成的混合物。组元(组分) :组成混合物的各种气体。分压力定律与分容积定律。分压力：混和气体中第i种组元气体单独占有与混和气体相同的体积，并处于混和气体相同的温度时，所呈现的压力。V T均相同，压力，物质的量为各组分之和。分容积：混合气体中第i种组元气体在混合气体温度和压力下单独存在时占有的容积.V,n 不同，PT相同。混合物成分:各组元的含量占总量的百分比。质量分数wi=mi/m wi总=1 摩尔分数xi=ni/n xi和=1 体积分数：φi=Vi/V 三者关系折合摩尔质量：

折合气体常数：分压力计算：

理想气体热力过程

水蒸气：一点：临界点二线：饱和水线和饱和蒸汽线；三区：过冷水区、湿蒸汽区及过热蒸汽区；五态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽及过热蒸汽技术功为零的热力过程的热量和绝热工程的技

术功可用线段h的变化值表示。h-s图

干度x：湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量分数

X=mg/mg+mf g蒸汽

湿空气：干空气和水蒸气的混合物。a干空气

v水蒸气p=pv+pa

露点：湿空气中水蒸气分压力下的饱和温度td

湿空气温度一定的条件下，露点温度越高说明湿空气中水蒸气分压力越高，水蒸气含量越多，湿空气越潮湿；反之，湿空气越干燥。绝对湿度:单位体积湿空气中所含水蒸气的质量相对湿度：湿空气中蒸气分压力与同温度下水蒸气饱和压力之比0-1

相对湿度越小，湿空气越干燥；反之越潮湿，为1时，湿空气达到饱和空气状态，

不在具有吸收水分能力。干球温度：用普通温度计（又称干球温度计）测得，－－湿空气的温度t 湿球温度：用纱布包裹的湿球温度计的湿纱布中水温度，tw。含湿量(比湿度):单位质量干空气所含有的水蒸气质量。KJ/kg干空气

kg/kg干空气比焓：干空气，水蒸气焓之和

热力学第二定律：克劳修斯：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。开尔文：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机。第二类永动机（以环境为单一热源吸热对外做功）是不可以制造成功的。

动力循环：顺时针 逆向循环（逆时针）：制冷机 热泵 卡诺循环：理想气体 四个可逆过程

概括性卡诺循环：

卡诺定理：卡诺定理一：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相等,与工质以及循环形式无关. 卡诺定理二：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环的热效率.<1> 在两个热源间工作的一切可逆循环，它们的热效率相同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度，且都等于卡诺循环的热效率 t ；<2> 温度界限相同，但具有多于两个热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环；<3> 不可逆循环的热效率小于同样条件下的可逆循环。

克劳修斯积分式 循环过程： 克劳修斯不等式＝0，可逆循环,<0不可逆循环 >0,不可能。（针对工质） 孤立系熵增原理： （热机，A 是高温热源）若为制冷

则符号相反

火用：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额；热力系只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡状态时，作出的最大有用功。 （孤立系） 火无：在环境条件下不可能转化为有用功的那部分能量

喷管：设计与校核 已知进口处参数p1,T1,C1,qm,背压pb 1.比较背压与进口压的比值和临界圧比Vcr 的关系，大于选渐缩，小于选缩放。渐缩p2=pb,缩放p2=pcr 。2。根据定熵过程状态参数之间的关系计算重要界面参数，临界，出口。Pcr 由临界压比关系计算，体积和温度由定熵过程的公式和理想气体状态方程计算。出口压已确定，T,V 在利用1-2的定熵计算。3.计算主要气体流速：c 2=√2(?1??2)=√2c p (T 1?T 2) 4.计算截面参数qm=Ac/v,得截面积。 注意，这里是忽略c1，Ma<1,渐缩，Ma>1,渐扩，Ma<1-Ma>1缩放

滞止过程：对于任意速度不为零的气体，被固体壁面所滞止，或经扩压管后其

速度较低为零的过程。与外界无热交换叫绝热滞止。此时的状态参数称为滞止

参数。T0=T1+C 122C P P0=P1(T0T1)K K?1 在计算时利用滞止参数计算即可。

压气机的热力过程：消耗外功使气体压缩升压的设备。单级活塞式压缩机工作过程，吸气，压缩，排气。增压比π

=p2/p1 可逆 开口系Q=△H+Wt,

压缩过程分为三种，绝热，多变，定温。三种功和温度特点读图

多级压缩：T2’=T1

叶轮式压缩机为绝热压缩

热力循环及装置

内燃机：直接在机内的气缸或燃烧室中进行燃烧液体燃料内燃机（汽油机、柴油机）气体燃料内燃机（煤气机）四冲程内燃机（进气、压缩、燃烧和膨胀、排气）二冲程内燃机压燃式（柴油机）点燃式（汽油机、煤气机）

活塞式压缩机混合加热吸气压缩喷油、燃烧燃烧膨胀作功排气

压缩比ε=v1

定容增压比入=p3/p2

v2

定容预胀比ρ=v4

v3

定容加热定压加热

制冷压缩