河南理工工程熱力學(xué)復(fù)習(xí)

1、工程熱力學(xué)復(fù)習(xí)重點(diǎn)2012.3緒 論1 理解和掌握工程熱力學(xué)的研究對(duì)象、主要研究?jī)?nèi)容和研究方法2 理解熱能利用的兩種主要方式及其特點(diǎn)3 了解常用的熱能動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的工作過程1什么是工程熱力學(xué)從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及有效、合理地利用熱能的途徑。2能源的地位與作用及我國能源面臨的主要問題3. 熱能及其利用1 熱能：能量的一種形式2 來源：一次能源：以自然形式存在，可利用的能源。如風(fēng)能,水力能,太陽能、地?zé)崮?、化學(xué)能和核能等。二次能源：由一次能源轉(zhuǎn)換而來的能源，如機(jī)械能、機(jī)械能等。3 利用形式：直接利用：將熱能利用來直接加熱物體。如烘干、采暖、熔煉

2、(能源消耗比例大)間接利用：各種熱能動(dòng)力裝置，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者再轉(zhuǎn)換成電能，4.熱能動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的工作過程5熱能利用的方向性及能量的兩種屬性1 過程的方向性：如：由高溫傳向低溫2 能量屬性：數(shù)量屬性、,質(zhì)量屬性 (即做功能力)3 數(shù)量守衡、質(zhì)量不守衡4 提高熱能利用率：能源消耗量與國民生產(chǎn)總值成正比。第1章 基本概念及定義1. 1 熱力系統(tǒng)一、熱力系統(tǒng)系統(tǒng)：用界面從周圍的環(huán)境中分割出來的研究對(duì)象，或空間內(nèi)物體的總和。外界：與系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。界面：假想的、實(shí)際的、固定的、運(yùn)動(dòng)的、變形的。依據(jù)：系統(tǒng)與外界的關(guān)系系統(tǒng)與外界的作用：熱交換、功交換、質(zhì)交換。二、閉口系統(tǒng)和開口系統(tǒng) 閉口系統(tǒng)：系

3、統(tǒng)內(nèi)外無物質(zhì)交換,稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外有物質(zhì)交換,稱控制體積。三、絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無熱量交換 (系統(tǒng)傳遞的熱量可忽略不計(jì)時(shí)，可認(rèn)為絕熱)孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量傳遞也無物質(zhì)交換=系統(tǒng)+相關(guān)外界=各相互作用的子系統(tǒng)之和= 一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的外界四、根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部狀況劃分可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體組成的系統(tǒng)。簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：與外界只有熱量及準(zhǔn)靜態(tài)容積變化均勻系統(tǒng)：內(nèi)部各部分化學(xué)成分和物理'性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)，是由單相組成的。非均勻系統(tǒng)：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相所組成的系統(tǒng)。單元系統(tǒng)：一種均勻的和化學(xué)成分不變的物質(zhì)組成的系統(tǒng)。多元系統(tǒng)：由兩種或兩種以上物質(zhì)

4、組成的系統(tǒng)。單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復(fù)相系：由兩個(gè)相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。思考題：孤立系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)嗎?反之怎樣?孤立系統(tǒng)一定不是開口的嗎、孤立系統(tǒng)是否一定絕熱？12 工質(zhì)的熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：熱力系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況。狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種狀態(tài)的宏觀物理量。如：溫度（T）、壓力（P）、比容（）或密度（）、內(nèi)能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性:1 表明：狀態(tài)的路徑積分僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。2=0表明：狀態(tài)參

5、數(shù)的循環(huán)積分為零基本狀態(tài)參數(shù)：可直接或間接地用儀表測(cè)量出來的狀態(tài)參數(shù)：溫度、壓力、比容或密度溫度：宏觀上，是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時(shí)冷熱程度的物理量。微觀上,是大量分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度的量度2壓力：垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強(qiáng)。 式中：F整個(gè)容器壁受到的力，單位為牛頓（N）；f容器壁的總面積（m2）。微觀上：分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直作用于容器壁上單位面積的力。壓力測(cè)量依據(jù)：力平衡原理 壓力單位：MPa相對(duì)壓力：相對(duì)于大氣環(huán)境所測(cè)得的壓力。工程上常用測(cè)壓儀表測(cè)定的壓力。以大氣壓力為計(jì)算起點(diǎn)，也稱表壓力。 （P>B）（P<B）式中B當(dāng)?shù)卮髿鈮毫g高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)的相對(duì)壓

6、力，稱表壓力； H 低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)的相對(duì)壓力，稱為真空值。注意：只有絕對(duì)壓力才能代表工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)3比容: 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)所具有的容積。 密度：?jiǎn)挝蝗莘e的工質(zhì)所具有的質(zhì)量。m3/kg關(guān)系： 式中：工質(zhì)的密度kg/m3 ，工質(zhì)的比容m3/kg 例:表壓力或真空度為什么不能當(dāng)作工質(zhì)的壓力？工質(zhì)的壓力不變化，測(cè)量它的壓力表或真空表的讀數(shù)是否會(huì)變化？解：作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的壓力是絕對(duì)壓力，測(cè)得的表壓力或真空度都是工質(zhì)的絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，因此不能作為工質(zhì)的壓力；因?yàn)闇y(cè)得的是工質(zhì)絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，即使工質(zhì)的壓力不變，當(dāng)大氣壓力改變時(shí)也會(huì)引起壓力表或真空表讀數(shù)的變化。13準(zhǔn)靜態(tài)過程

7、與可逆過程熱力過程：系統(tǒng)狀態(tài)的連續(xù)變化稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)熱力過程。 一、準(zhǔn)靜過程：如果造成系統(tǒng)狀態(tài)改變的不平衡勢(shì)差無限小，以致該系統(tǒng)在任意時(shí)刻均無限接近于某個(gè)平衡態(tài)，這樣的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。注意:準(zhǔn)靜態(tài)過程是一種理想化的過程，實(shí)際過程只能接近準(zhǔn)靜態(tài)過程。二、可逆過程：系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，如令過程逆行而使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程。實(shí)現(xiàn)可逆過程的條件：過程無勢(shì)差 (傳熱無溫差，作功無力差)過程無耗散效應(yīng)。三、可逆過程的膨脹功 (容積功)系統(tǒng)容積發(fā)生變化而通過界面向外傳遞的機(jī)械功。 J/kg規(guī)定: 系統(tǒng)對(duì)外做功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。問題： 比較不可逆過

8、程的膨脹功與可逆過程膨脹功四、可逆過程的熱量:系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量?？赡孢^程傳熱量：q J/kg規(guī)定:系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)。14 熱力循環(huán):定義：工質(zhì)從某一初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后由回復(fù)到初態(tài)的過程。,一、正循環(huán)正循環(huán)中的熱轉(zhuǎn)換功的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用循環(huán)熱效率：式中q1工質(zhì)從熱源吸熱；q2工質(zhì)向冷源放熱；w0循環(huán)所作的凈功。二、逆循環(huán)以獲取制冷量為目的。制冷系數(shù)：式中：q1工質(zhì)向熱源放出熱量；q2工質(zhì)從冷源吸取熱量；w0循環(huán)所作的凈功。供熱系數(shù)：式中：q1工質(zhì)向熱源放出熱量，q2工質(zhì)從冷源吸取熱量，w0循環(huán)所作的凈功思考題：1溫度為100的熱源，非常緩慢地把熱量加給處

9、于平衡狀態(tài)下的0的冰水混合物，試問：1、冰水混合物經(jīng)歷的是準(zhǔn)靜態(tài)過程嗎？2、加熱過程是否可逆？2平衡態(tài)與穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)即系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間而變）有何異同？熱力學(xué)中討論平衡態(tài)有什么意義？3外界條件變化時(shí)系統(tǒng)有無達(dá)到平衡的可能？在外界條件不變時(shí)，系統(tǒng)是否一定處于平衡態(tài)？4判斷下列過程是否為可逆過程：1)對(duì)剛性容器內(nèi)的水加熱使其在恒溫下蒸發(fā)。2)對(duì)剛性容器內(nèi)的水作功使其在恒溫下蒸發(fā)。3)對(duì)剛性容器中的空氣緩慢加熱使其從50升溫到1004)定質(zhì)量的空氣在無摩擦、不導(dǎo)熱的氣缸和活塞中被慢慢壓縮5)100的蒸汽流與25的水流絕熱混合。6)鍋爐中的水蒸汽定壓發(fā)生過程（溫度、壓力保持不變）。7)高壓氣

10、體突然膨脹至低壓。8)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的熱燃?xì)怆S活塞迅速移動(dòng)而膨脹。9)氣缸中充有水，水上面有無摩擦的活塞，緩慢地對(duì)水加熱使之蒸發(fā)。第2章 熱力學(xué)第一定律21系統(tǒng)的儲(chǔ)存能系統(tǒng)的儲(chǔ)存能的構(gòu)成：內(nèi)部?jī)?chǔ)存能+外部?jī)?chǔ)存能一內(nèi)能 熱力系處于宏觀靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子所具有的能量之和，單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的內(nèi)能，稱為比內(nèi)能，簡(jiǎn)稱內(nèi)能。U=mu內(nèi)能=分子動(dòng)能+分子位能 分子動(dòng)能包括：1分子的移動(dòng)動(dòng)能 2.分子的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能 3.分子內(nèi)部原子振動(dòng)動(dòng)能和位能分子位能：克服分子間的作用力所形成u=f (T,V) 或u=f (T,P) u=f (P,V)注意: 內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù).特別的: 對(duì)理想氣體u=f (T)問

11、題思考: 為什么?二 外儲(chǔ)存能：系統(tǒng)工質(zhì)與外力場(chǎng)的相互作用（如重力位能）及以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運(yùn)動(dòng)所具有的能量（宏觀動(dòng)能）。宏觀動(dòng)能：重力位能： 式中g(shù)重力加速度。三 系統(tǒng)總儲(chǔ)存能： 或22 系統(tǒng)與外界傳遞的能量與外界熱源,功源,質(zhì)源之間進(jìn)行的能量傳遞一、熱量在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過界面?zhèn)鬟f的能量。系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)。單位：kJ kcal l kcal=4.1868kJ特點(diǎn): 熱量是傳遞過程中能量的一種形式，熱量與熱力過程有關(guān),或與過程的路徑有關(guān).二、功除溫差以外的其它不平衡勢(shì)差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量.1膨脹功W：在力差作用下，通過系統(tǒng)容積變化與外界傳遞的能量。

12、單位：l J=l Nm規(guī)定: 系統(tǒng)對(duì)外作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。膨脹功是熱變功的源泉2 軸功W:通過軸系統(tǒng)與外界傳遞的機(jī)械功注意: 剛性閉口系統(tǒng)軸功不可能為正，軸功來源于能量轉(zhuǎn)換三、隨物質(zhì)傳遞的能量1流動(dòng)工質(zhì)本身具有的能量2 流動(dòng)功(或推動(dòng)功)：維持流體正常流動(dòng)所必須傳遞量，是為推動(dòng)流體通過控制體界面而傳遞的機(jī)械功. 推動(dòng)1kg工質(zhì)進(jìn)、出控制體所必須的功 注意: 流動(dòng)功僅取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)。流動(dòng)功是由泵風(fēng)機(jī)等提供思考：與其它功區(qū)別四、焓的定義：焓=內(nèi)能+流動(dòng)功 對(duì)于m千克工質(zhì)：對(duì)于1千克工質(zhì)：h=u+ p v五、焓的物理意義：對(duì)流動(dòng)工質(zhì)(開口系統(tǒng))，表示沿流動(dòng)方向傳遞的總

13、能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量.對(duì)不流動(dòng)工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)思考為什么：特別的對(duì)理想氣體 h= f (T) 23 閉口系統(tǒng)能量方程一、能量方程表達(dá)式 適用于mkg質(zhì)量工質(zhì) 1kg質(zhì)量工質(zhì)注意: 該方程適用于閉口系統(tǒng)、任何工質(zhì)、任何過程。由于反映的是熱量、內(nèi)能、膨脹功三者關(guān)系，因而該方程也適用于開口系統(tǒng)、任何工質(zhì)、任何過程.特別的: 對(duì)可逆過程 思考為什么？二、.循環(huán)過程第一定律表達(dá)式結(jié)論: 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制造出來思考：為什么三、理想氣體內(nèi)能變化計(jì)算由得：，適用于理想氣體一切過程或者實(shí)際氣體定容過程或： 用定值比熱計(jì)算用平均比熱計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式代入積分。理想氣體組成的混

14、合氣體的內(nèi)能： 24 開口系統(tǒng)能量方程由質(zhì)量守恒原理：進(jìn)入控制體的質(zhì)量一離開控制體的質(zhì)量=控制體中質(zhì)量的增量能量守恒原理：進(jìn)入控制體的能量一控制體輸出的能量=控制體中儲(chǔ)存能的增量設(shè)控制體在時(shí)間內(nèi):進(jìn)入控制體的能量= 離開控制體的能量= 控制體儲(chǔ)存能的變化代入后得到:+ 注意:本方程適用于任何工質(zhì)，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、不穩(wěn)定流動(dòng)的一切過程,也適用于閉口系統(tǒng)25 開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程一 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進(jìn)出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部及界面上各點(diǎn)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運(yùn)動(dòng)參數(shù)都保持一定，不隨時(shí)間變化，稱穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況。條件：1.符合連續(xù)性方程 2.系統(tǒng)與外界傳遞能量，收入=支出，且不隨時(shí)間變化 適用

15、于任何工質(zhì)，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流熱力過程二 技術(shù)功在熱力過程中可被直接利用來作功的能量，稱為技術(shù)功。技術(shù)功=膨脹功+流動(dòng)功特別的：對(duì)可逆過程：思考：為什么？注意：技術(shù)功是過程量公式： 適用于任何工質(zhì)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略工質(zhì)動(dòng)能和位能的變化。三、理想氣體焓的計(jì)算對(duì)于理想氣體，適用于理想氣體的一切熱力過程或者實(shí)際氣體的定壓過程適用于理想氣體的一切熱力過程或者實(shí)際氣體的定壓過程，用定值比熱計(jì)算用平均比熱計(jì)算把的經(jīng)驗(yàn)公式代入積分。思考題：1門窗緊閉的房間內(nèi)有一臺(tái)電冰箱正在運(yùn)行,若敞開冰箱的大門就有一股涼氣撲面,感到?jīng)鏊?。于是有人就想通過敞開冰箱大門達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的,你認(rèn)為這種想法可行嗎?2. 既然敞開冰箱大門

16、不能降溫，為什么在門窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)器后卻能使溫度降低呢? 3對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，有否可能？4對(duì)空氣邊壓縮邊進(jìn)行冷卻，如空氣的放熱量為1kJ，對(duì)空氣的壓縮功為6kJ，則此過程中空氣的溫度是升高，還是降低。5空氣邊吸熱邊膨脹，如吸熱量Q=膨脹功，則空氣的溫度如何變化。6討論下列問題：1) 氣體吸熱的過程是否一定是升溫的過程。2) 氣體放熱的過程是否一定是降溫的過程。3) 能否以氣體溫度的變化量來判斷過程中氣體是吸熱還是放熱。7試分析下列過程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過程考慮)1) 壓力遞降的定溫過程。2) 容積遞減的定壓過程。3) 壓力和容積均增大兩倍的過程。第3章 氣體

17、和蒸汽的性質(zhì)31 理想氣體狀態(tài)方程一、理想氣體與實(shí)際氣體定義：氣體分子是一些彈性的，忽略分子相互作用力，不占有體積的質(zhì)點(diǎn),注意：當(dāng)實(shí)際氣體p0 v的極限狀態(tài)時(shí)，氣體為理想氣體。二、理想氣體狀態(tài)方程的導(dǎo)出狀態(tài)方程的幾種形式1 適用于1千克理想氣體。式中：p絕對(duì)壓力Pa比容m3/kg，T熱力學(xué)溫度K2 適用于m千克理想氣體。式中V質(zhì)量為mkg氣體所占的容積3 適用于1千摩爾理想氣體。式中VM=Mv氣體的摩爾容積，m3/kmol；R0=MR通用氣體常數(shù)，J/kmol·K4 適用于n千摩爾理想氣體。式中VnKmol氣體所占有的容積，m3；n氣體的摩爾數(shù)，kmol5 6 僅適用于閉口系統(tǒng) 32

18、 理想氣體的比熱一、比熱的定義與單位定義：?jiǎn)挝晃锪康奈矬w，溫度升高或降低1K（1）所吸收或放出的熱量，稱為該物體比熱。單位：式中c質(zhì)量比熱，kJ/Kg·k容積比熱，kJ/m3·kMc摩爾比熱，kJ/Kmol·k換算關(guān)系：注意：比熱不僅取決于氣體的性質(zhì)，還于氣體的熱力過程及所處的狀態(tài)有關(guān)。二、定容比熱和定壓比熱定容比熱：表示：明單位物量的氣體在定容情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量定壓比熱：表示：?jiǎn)挝晃锪康臍怏w在定壓情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量。邁耶公式： 比熱比： 三、定值比熱、真實(shí)比熱與平均比熱1、定值比熱：凡分子中原子數(shù)目相同因而其運(yùn)動(dòng)自由度也相

19、同的氣體，它們的摩爾比熱值都相等，稱為定值比熱。2、真實(shí)比熱：相應(yīng)于每一溫度下的比熱值稱為氣體的真實(shí)比熱。常將比熱與溫度的函數(shù)關(guān)系表示為溫度的三次多項(xiàng)式3平均比熱思考題：1某內(nèi)徑為15.24cm的金屬球抽空后放后在一精密的天平上稱重，當(dāng)填充某種氣體至7.6bar后又進(jìn)行了稱重，兩次稱重的重量差的2.25g，當(dāng)時(shí)的室溫為27，試確定這里何種理想氣體。2通用氣體常數(shù)和氣體常數(shù)有何不同？3混合氣體處于平衡狀態(tài)時(shí)，各組成氣體的溫度是否相同，分壓力是否相同。4混合氣體中某組成氣體的千摩爾質(zhì)量小于混合氣體的千摩爾質(zhì)量，問該組成氣體在混合氣體中的質(zhì)量成分是否一定小于容積成分，為什么。第4章 氣體和蒸汽的基本

20、熱力過程一、定壓過程 二、定容過程 三、定溫過程 四、絕熱過程q=0 第5章 熱力學(xué)第二定律51 自然過程的方向性一、磨擦過程功可以自發(fā)轉(zhuǎn)為熱,但熱不能自發(fā)轉(zhuǎn)為功二、傳熱過程熱量只能自發(fā)從高溫傳向低溫三、自由膨脹過程絕熱自由膨脹為無阻膨脹,但壓縮過程卻不能自發(fā)進(jìn)行四、混合過程兩種氣體混合為混合氣體是常見的自發(fā)過程五、燃燒過程燃料燃燒變?yōu)槿紵a(chǎn)物(煙氣等),只要達(dá)到燃燒條件即可自發(fā)進(jìn)行結(jié)論:自然的過程是不可逆的52 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)克勞修斯說法：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化開爾文說法：不可能制造只從一個(gè)熱源取熱使之完全變?yōu)闄C(jī)械能，而不引起其它變化的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。5.3 卡諾循環(huán)與卡諾定理意義：解決了熱變功最大限度的轉(zhuǎn)換效率的問題一.卡諾循環(huán):一 正循環(huán)組成：兩個(gè)可逆定溫過程、兩個(gè)可逆絕熱過程過程a-b：工質(zhì)從熱源(T1)可逆定溫吸熱b-c：工質(zhì)可逆絕熱(定