工程熱力學-基本知識點

PAGE2第一章基本概念1.基本概念熱力系統(tǒng)：用界面將所要研究的對象與周圍環(huán)境分隔開來，這種人為分隔的研究對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。邊界：分隔系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界。外界：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，稱為外界或環(huán)境。閉口系統(tǒng)：沒有物質穿過邊界的系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)，也稱控制質量。開口系統(tǒng)：有物質流穿過邊界的系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，又稱控制體積，簡稱控制體，其界面稱為控制界面。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞，稱為絕熱系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質交換，稱為孤立系統(tǒng)。單相系：系統(tǒng)中工質的物理、化學性質都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。單元系：由一種化學成分組成的系統(tǒng)稱為單元系。多元系：由兩種以上不同化學成分組成的系統(tǒng)稱為多元系。均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈均勻分布的為均勻系。非均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈非均勻分布，稱非均勻系。熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質熱力性質的總狀況，稱為工質的熱力狀態(tài)，簡稱為狀態(tài)。平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質不隨時間而變化，系統(tǒng)內外同時建立了熱的和力的平衡，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱為平衡狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)：描述工質狀態(tài)特性的各種物理量稱為工質的狀態(tài)參數(shù)。如溫度（T）、壓力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、內能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等?；緺顟B(tài)參數(shù)：在工質的狀態(tài)參數(shù)中，其中溫度、壓力、比容或密度可以直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。溫度：是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量，其物理實質是物質內部大量微觀分子熱運動的強弱程度的宏觀反映。熱力學第零定律：如兩個物體分別和第三個物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平衡。壓力：垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強。相對壓力：相對于大氣環(huán)境所測得的壓力。如工程上常用測壓儀表測定系統(tǒng)中工質的壓力即為相對壓力。比容：單位質量工質所具有的容積，稱為工質的比容。密度：單位容積的工質所具有的質量，稱為工質的密度。強度性參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個系統(tǒng)的參數(shù)值相同，與質量多少無關，沒有可加性，如溫度、壓力等。在熱力過程中，強度性參數(shù)起著推動力作用，稱為廣義力或勢。廣延性參數(shù)：整個系統(tǒng)的某廣延性參數(shù)值等于系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之和，如系統(tǒng)的容積、內能、焓、熵等。在熱力過程中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學中位移的作用，稱為廣義位移。準靜態(tài)過程：過程進行得非常緩慢，使過程中系統(tǒng)內部被破壞了的平衡有足夠的時間恢復到新的平衡態(tài)，從而使過程的每一瞬間系統(tǒng)內部的狀態(tài)都非常接近平衡狀態(tài)，整個過程可看作是由一系列非常接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成，并稱之為準靜態(tài)過程?？赡孢^程：當系統(tǒng)進行正、反兩個過程后，系統(tǒng)與外界均能完全回復到初始狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆過程。膨脹功：由于系統(tǒng)容積發(fā)生變化（增大或縮?。┒ㄟ^界面向外界傳遞的機械功稱為膨脹功，也稱容積功。熱量：通過熱力系邊界所傳遞的除功之外的能量。熱力循環(huán)：工質從某一初態(tài)開始，經歷一系列狀態(tài)變化，最后又回復到初始狀態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。2.常用公式狀態(tài)參數(shù): 狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的函數(shù)，對應一定的狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)都有唯一確定的數(shù)值，工質在熱力過程中發(fā)生狀態(tài)變化時，由初狀態(tài)經過不同路徑，最后到達終點，其參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關，而與狀態(tài)變化的途徑無關。溫 度 ：1．式中 —分子平移運動的動能，其中m是一個分子的質量，是分子平移運動的均方根速度； B—比例常數(shù)； T—氣體的熱力學溫度。2．壓 力 ：1．式中 P—單位面積上的絕對壓力；n—分子濃度，即單位容積內含有氣體的分子數(shù)，其中N為容積V包含的氣體分子總數(shù)。2． F—整個容器壁受到的力，單位為牛（N）； f—容器壁的總面積（m2）。3． （P>B） （P<B）式中 B—當?shù)卮髿鈮毫? Pg—高于當?shù)卮髿鈮毫r的相對壓力，稱表壓力； H—低于當?shù)卮髿鈮毫r的相對壓力，稱為真空值。比容:1． m3/kg式中 V—工質的容積 m—工質的質量2．式中 —工質的密度 kg/m3 —工質的比容 m3/kg熱力循環(huán): 或，循環(huán)熱效率: 式中 q1—工質從熱源吸熱； q2—工質向冷源放熱； w0—循環(huán)所作的凈功。制冷系數(shù)： 式中 q1—工質向熱源放出熱量； q2—工質從冷源吸取熱量； w0—循環(huán)所作的凈功。供熱系數(shù)： 式中 q1—工質向熱源放出熱量 q2—工質從冷源吸取熱量 w0—循環(huán)所作的凈功第二章氣體的熱力性質1.基本概念理想氣體：氣體分子是由一些彈性的、忽略分子之間相互作用力（引力和斥力）、不占有體積的質點所構成。比熱：單位物量的物體，溫度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的比熱。定容比熱：在定容情況下，單位物量的物體，溫度變化1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定容比熱。定壓比熱：在定壓情況下，單位物量的物體，溫度變化1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定壓比熱。定壓質量比熱：在定壓過程中，單位質量的物體，當其溫度變化1K（1℃）時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓質量比熱。定壓容積比熱：在定壓過程中，單位容積的物體，當其溫度變化1K（1℃）時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓容積比熱。定壓摩爾比熱：在定壓過程中，單位摩爾的物體，當其溫度變化1K（1℃）時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓摩爾比熱。1．或 2．3．或（沒有宏觀運動，并且高度為零）熱力學能變化：1．，適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程2．適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用定值比熱計算）3．適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用平均比熱計算）4．把的經驗公式代入積分。適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用真實比熱公式計算）5．由理想氣體組成的混合氣體的熱力學能等于各組成氣體熱力學能之和，各組成氣體熱力學能又可表示為單位質量熱力學能與其質量的乘積。6． 適用于任何工質，可逆過程。7． 適用于任何工質，可逆定容過程8． 適用于任何工質，可逆絕熱過程。9． 適用于閉口系統(tǒng)任何工質絕熱、對外不作功的熱力過程等熱力學能或理想氣體定溫過程。10．適用于mkg質量工質，開口、閉口，任何工質，可逆、不可逆過程。11.適用于1kg質量工質，開口、閉口，任何工質，可逆、不可逆過程12.適用于微元，任何工質可逆過程13． 熱力學能的變化等于焓的變化與流動功的差值。焓的變化：1．適用于m千克工質 2． 適用于1千克工質3．適用于理想氣體4．，適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程5．適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程，用定值比熱計算6適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程用平均比熱計算7．把的經驗公式代入積分。適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程，用真實比熱公式計算8.由理想氣體組成的混合氣體的焓等于各組成氣體焓之和，各組成氣體焓又可表示為單位質量焓與其質量的乘積。9．熱力學第一定律能量方程 適用于任何工質，任何熱力過程。10．適用于任何工質，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流熱力過程11． 適用于任何工質穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略工質動能和位能的變化。12．適用于任何工質可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略工質動能和位能的變化。13．適用于任何工質可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流絕熱過程，忽略工質動能和位能的變化。14．適用于任何工質可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流定壓過程，忽略工質動能和位能的變化。15．適用于任何工質等焓或理想氣體等溫過程。熵的變化：1．適用于任何氣體，可逆過程。2．為熵流，其值可正、可負或為零；為熵產，其值恒大于或等于零。3．（理想氣體、可逆定容過程）4．（理想氣體、可逆定壓過程）5．（理想氣體、可逆定溫過程）6．（定熵過程） 適用于理想氣體、任何過程功量：膨脹功（容積功）：1． 或適用于任何工質、可逆過程2．適用于任何工質、可逆定容過程3．適用于任何工質、可逆定壓過程4．適用于理想氣體、可逆定溫過程5．適用于任何系統(tǒng)，任何工質，任何過程。6．適用于理想氣體定溫過程。7．適用于任何氣體絕熱過程。8．適用于理想氣體、絕熱過程9．適用于理想氣體、可逆絕熱過程10．適用于理想氣體、可逆多變過程流動功:推動1kg工質進、出控制體所必須的功。技術功:1．熱力過程中可被直接利用來作功的能量，統(tǒng)稱為技術功。2．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、微元熱力過程3．技術功等于膨脹功與流動功的代數(shù)和。4．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、微元可逆熱力過程5．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、可逆過程熱量：1． 適用于任何工質、微元可逆過程。2． 適用于任何工質、可逆過程3．適用于mkg質量任何工質，開口、閉口，可逆、不可逆過程4．適用于1kg質量任何工質，開口、閉口，可逆、不可逆過程5．適用于微元，任何工質可逆過程。6．適用于任何工質可逆過程。7.適用于任何工質，任何系統(tǒng)，任何過程。8． 適用于微元穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程9．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程10．適用于任何工質定容過程11．適用于理想氣體定容過程。12．適用于任何工質定壓過程13．適用于理想氣體、定壓過程14． 適用于任何工質、絕熱過程15． 適用于理想氣體、多變過程第四章理想氣體的熱力過程及氣體壓縮1.基本概念分析熱力過程的一般步驟：1.依據(jù)熱力過程特性建立過程方程式，p=f(v)；2.確定初、終狀態(tài)的基本狀態(tài)參數(shù)；3.將過程線表示在p-v圖及T—s圖上,使過程直觀，便于分析討論。4.計算過程中傳遞的熱量和功量。絕熱過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進行的狀態(tài)變化過程，即或稱為絕熱過程。定熵過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進行的可逆熱力過程，稱為定熵過程。多變過程：凡過程方程為常數(shù)的過程，稱為多變過程。定容過程：定量工質容積保持不變時的熱力過程稱為定容過程。定壓過程：定量工質壓力保持不變時的熱力過程稱為定壓過程。定溫過程：定量工質溫度保持不變時的熱力過程稱為定溫過程。單級活塞式壓氣機工作原理：吸氣過程、壓縮過程、排氣過程，活塞每往返一次，完成以上三個過程?；钊綁簹鈾C的容積效率：活塞式壓氣機的有效容積和活塞排量之比，稱為容積效率?；钊綁簹鈾C的余隙：為了安置進、排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋間的碰撞，在汽缸端蓋與活塞行程終點間留有一定的余隙，稱為余隙容積，簡稱余隙。最佳增壓比：使多級壓縮中間冷卻壓氣機耗功最小時，各級的增壓比稱為最佳增壓比。壓氣機的效率：在相同的初態(tài)及增壓比條件下，可逆壓縮過程中壓氣機所消耗的功與實際不可逆壓縮過程中壓氣機所消耗的功之比，稱為壓氣機的效率。熱機循環(huán)：若循環(huán)的結果是工質將外界的熱能在一定條件下連續(xù)不斷地轉變?yōu)闄C械能，則此循環(huán)稱為熱機循環(huán)。氣體主要熱力過程的基本公式多變指數(shù)n：z級壓氣機，最佳級間升壓比：第五章熱力學第二定律1.基本概念熱力學第二定律：開爾文說法：只冷卻一個熱源而連續(xù)不斷作功的循環(huán)發(fā)動機是造不成功的。克勞修斯說法：熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。第二類永動機：從單一熱源取得熱量，并使之完全轉變?yōu)闄C械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機，稱為第二類永動機。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質交換，稱為孤立系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)熵增原理：任何實際過程都是不可逆過程，只能沿著使孤立系統(tǒng)熵增加的方向進行。定熵過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進行的可逆熱力過程，稱為定熵過程。熱機循環(huán)：若循環(huán)的結果是工質將外界的熱能在一定條件下連續(xù)不斷地轉變?yōu)闄C械能，則此循環(huán)稱為熱機循環(huán)。制冷：對物體進行冷卻，使其溫度低于周圍環(huán)境溫度，并維持這個低溫稱為制冷。制冷機：從低溫冷藏室吸取熱量排向大氣所用的機械稱為制冷機。熱泵：將從低溫熱源吸取的熱量傳送至高溫暖室所用的機械裝置稱為熱泵。理想熱機：熱機內發(fā)生的一切熱力過程都是可逆過程，則該熱機稱為理想熱機。卡諾循環(huán)：在兩個恒溫熱源間，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成的循環(huán)，稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ定理：1．所有工作于同溫熱源與同溫冷源之間的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與采用哪種工質無關。2．在同溫熱源與同溫冷源之間的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)。自由膨脹：氣體向沒有阻力空間的膨脹過程，稱為自由膨脹過程。2.常用公式熵的定義式： J/kgK工質熵變計算：，工質熵變是指工質從某一平衡狀態(tài)變化到另一平衡狀態(tài)熵的差值。因為熵是狀態(tài)參數(shù)，兩狀態(tài)間的熵差對于任何過程，可逆還是不可逆都相等。1． 理想氣體、已知初、終態(tài)T、v值求ΔS。2． 理想氣體已知初、終態(tài)T、P值求ΔS。3． 理想氣體、已知初、終態(tài)P、v值求ΔS。4．固體及液體的熵變計算： 5．熱源熵變： 克勞修斯不等式： 任何循環(huán)的克勞修斯積分永遠小于零，可逆過程時等于零。閉口系統(tǒng)熵方程： 式中：ΔSsys——系統(tǒng)熵變； ΔSsur——環(huán)境熵變； ΔSI——某子系統(tǒng)熵變。開口系統(tǒng)熵方程： 式中：m2s2——工質流出系統(tǒng)的熵； m1s1——工質流入系統(tǒng)的熵。不可逆作功能力損失：式中：T0——環(huán)境溫度； ΔSISO——孤立系統(tǒng)熵增。第八章濕空氣1.基本概念濕空氣：干空氣和水蒸氣所組成的混合氣體。飽和空氣：干空氣和飽和水蒸氣所組成的混合氣體。未飽和空氣：干空氣和過熱水蒸氣所組成的混合氣體。絕對濕度：每立方米濕空氣中所含有的水蒸氣質量。飽和絕對濕度：在一定溫度下飽和空氣的絕對濕度達到最大值，稱為飽和絕對濕度相對濕度：濕空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的飽和絕對濕度的比值含濕量(比濕度)：在含有1kg干空氣的濕空氣中，所混有的水蒸氣質量飽和度：濕空氣的含濕量d與同溫下飽和空氣的含濕量ds的比值濕空氣的比體積：在一定溫度T和總壓力p下，1kg干空氣和0.001d水蒸氣所占有的體積濕空氣的焓：1kg干空氣的焓和0.001dkg水蒸氣的焓的總和。第十一章制冷循環(huán)1．基本概念制冷：對物體進行冷卻，使其溫度低于周圍環(huán)境的溫度，并維持這個低溫稱為?？諝鈮嚎s式制冷：將常溫下較高壓力的空氣進行絕熱膨脹，獲得低溫低壓的空氣。蒸汽噴射制冷循環(huán)：用引射器代替壓縮機來壓縮制冷劑，以消耗蒸汽的熱能作為補償來實現(xiàn)制冷的目的。蒸汽噴射制冷裝置：由鍋爐、引射器(或噴射器)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和水泵等組成。吸收式制冷：利用制冷劑液體氣化吸熱實現(xiàn)制冷，它是直接利用熱能驅動，以消耗熱能為補償將熱量從低溫物體轉移到環(huán)境中去。吸收式制冷采用的工質是兩種沸點相差較大的物質組成的二元溶液，其中沸點低的物質為制冷劑，沸點高的物質為吸收劑。熱泵：是一種能源提升裝置，以消耗一部分高位能(機械能、電能或高溫熱能等)為補償，通過熱力循環(huán)，把環(huán)境介質(水、空氣、土壤)中貯存的不能直接利用的低位能量轉換為可以利用的高位能。影響制冷系數(shù)的主要因素：降低制冷劑的冷凝溫度(即熱源溫度)和提高蒸發(fā)溫度（冷源溫度），都可使制冷系數(shù)增高。2．常用公式制冷系數(shù)：空氣壓縮式制冷系數(shù)或卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)：習題答案2-5當外界為標準狀態(tài)時，一鼓風機每小時可送300m3的空氣，如外界的溫度增高到27℃，大氣壓降低到99.3kPa，而鼓風機每小時的送風量仍為300m3，問鼓風機送風量的質量改變多少？解：同上題＝41.97kg2－14如果忽略空氣中的稀有氣體，則可以認為其質量成分為，。試求空氣的折合分子量、氣體常數(shù)、容積成分及在標準狀態(tài)下的比容和密度。解：折合分子量＝28.86氣體常數(shù)＝288容積成分＝20.9％ 1－20.9％＝79.1％標準狀態(tài)下的比容和密度＝1.288kg/m3＝0.776m3/kg2—18（1）天然氣在標準狀態(tài)下的密度；（2）各組成氣體在標準狀態(tài)下的分壓力。解：（1）密度＝16.48（2）各組成氣體在標準狀態(tài)下分壓力因為：98.285kPa3－8容積由隔板分成兩部分，左邊盛有壓力為600kPa，溫度為27℃的空氣，右邊為真空，容積為左邊5倍。將隔板抽出后，空氣迅速膨脹充滿整個容器。試求容器內最終壓力和溫度。設膨脹是在絕熱下進行的。解：熱力系：左邊的空氣系統(tǒng)：整個容器為閉口系統(tǒng)過程特征：絕熱，自由膨脹根據(jù)閉口系統(tǒng)能量方程絕熱自由膨脹W＝0因此ΔU=0對空氣可以看作理想氣體，其內能是溫度的單值函數(shù)，得根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程＝100kPa3-9 一個儲氣罐從壓縮空氣總管充氣，總管內壓縮空氣參數(shù)恒定，為500kPa，25℃。充氣開始時，罐內空氣參數(shù)為100kPa，25℃。求充氣終了時罐內空氣的溫度。設充氣過程是在絕熱條件下進行的。解：開口系統(tǒng)特征：絕熱充氣過程工質：空氣（理想氣體）根據(jù)開口系統(tǒng)能量方程，忽略動能和未能，同時沒有軸功，沒有熱量傳遞。沒有流出工質m2=0dE=dU=(mu)cv2-(mu)cv1終態(tài)工質為流入的工質和原有工質和m0=mcv2-mcv1mcv2ucv2-mcv1ucv1=m0h0 (1)h0=cpT0ucv2=cvT2ucv1=cvT1mcv1=mcv2=代入上式(1)整理得=398.3K3－10 供暖用風機連同加熱器，把溫度為℃的冷空氣加熱到溫度為℃，然后送入建筑物的風道內，送風量為0.56kg/s，風機軸上的輸入功率為1kW，設整個裝置與外界絕熱。試計算：（1）風機出口處空氣溫度；（2）空氣在加熱器中的吸熱量；（3）若加熱器中有阻力，空氣通過它時產生不可逆的摩擦擾動并帶來壓力降，以上計算結果是否正確？解：開口穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)（1）風機入口為0℃則出口為1.78℃℃空氣在加熱器中的吸熱量＝138.84kW(3)若加熱有阻力，結果1仍正確；但在加熱器中的吸熱量減少。加熱器中，p2減小故吸熱減小。3－17 解：等容過程1.4＝37.5kJ3-18 解：定壓過程 T1==216.2K T2=432.4K內能變化：＝156.3kJ焓變化：218.8kJ功量交換：＝62.05kJ熱量交換：=218.35kJ