工程热力学

目录第一章基本概念1-1 热力系 (4)1-2 状态和状态参数 (5)1-3 平衡状态 (9)1-4 状态方程和状态参数坐标图 (9)1-5 过程和循环 (10)第二章热力学第二定律2-1 热力学第一定律的实质及表达式 (12)2-2 功和热量的计算及其在压容图和温熵图中的表示 (14)第三章气体的热力性质和热力过程3-1 实际气体和理想气体 (16)3-2 理想气体状态方程和摩尔气体常数 (16)3-3 理想混合气体 (17)3-4 气体的热力性质 (18)3-5 定容过程、定压过程、定温过程和定熵过程 (21)第四章热力学第二定律4-1 热力学第二定律的任务 (24)4-2 可逆过程和不可逆过程 (25)4-3 状态参数 (25)4-4 热力学第二定律的表达式——熵方程 (26)4-5 热力学第二定律各种表述的等效性 (28)4-6 卡诺定理和卡诺循环 (28)4-12 热力学第二定律对工程实践的指导意义 (31)第五章气体的流动和压缩5-1 一元稳定流动的基本方程 (31)5-2 喷管中气流参数变化和喷管截面变化的关系 (32)5-3 气体流经喷管的流速和流量 (33)第九章水蒸气性质和蒸汽动力循环9-1 水蒸气的饱和状态 (34)9-2 水蒸气的产生过程 (36)9-3 水蒸气的图表 (40)9-4 水蒸气的热力过程 (42)9-5 基本的蒸汽动力循环——朗肯循环 (43)9-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 (44)9-7 蒸汽在热循环 (45)9-8 抽汽回热循环 (46)第一章基本概念1—1热力系1、热能：组成世界的物质，每时每刻都在做不规则的热运动。

2、工质：指实现热能、机械能相互转换的媒介物质。

3、热力系统：指人为地分割出来，由界面包裹作为研究目的的研究对象的总会。

4、火电厂利用水作工质的优点：（1）良好的膨胀性；（2）良好的流动性；（3）热性质稳定；（4）无腐蚀、无毒、无害、无污染。

5、分类：（1）根据热力系内部情况的不同，可以分为:单元系——由单一的化学成分组成；多元系——由多种化学成分组成；单相系——由单一的相（如气相或液相）组成；复项系——由多种相(如气—液两相或气—液—固三相等)组成；均匀系——各部分性质均匀一致；非均匀系——各部分性质不均匀。

（2）根据热力系和外界相互作用情况的不同，可以分为:闭口系——和外界无物质交换；开口系——和外界有物质交换；绝热系——和外界无热量交换；孤立系——和外界无任何相互作用。

1—2状态和状态参数状态指某一物质在热力系中宏观性质的总称。

从各个不同方面描写这种宏观状态的物理量便是各个状态参数。

1、压力（1）压力是指单位面积上承受的垂直作用力： AF =p 式中 P ——压力；F ——垂直作用力；A ——面积。

（2）气体的压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中对容器壁频繁碰撞的结果。

（3）压力计所指示的绝对压力超出大气压力的部分，称为表压力或表压（g p ）b g p p p -=式中 b p ——大气压力，可用气压计测定。

绝对压力低于大气压力的部分，称为真空度（v p ）。

p p b v -=p用U 形管压力计（或真空计）通过液柱高度差测定表压力（或真空度）时，其换算关系如下:z g p v g ∆=ρ)(p 或式中 ρ——液体的密度；g ——重力加速度；z ∆——液柱高度差。

国际单位制中压力的单位是∂p (帕），并有2/11m N Pa =由于“∂p （帕）”这个单位过小，工程中也常用∂MP 作为压力单位。

a a P MP 6101=下表为某些压力单位的换算关系。

其中标准大气压和工程大气压与其他压力单位的换算靠关系可以表示为1atm=760mmHg=1.03323at=1.01325bar=0.101325MPa1at=735.559mmHg=0.967841atm=0.980665bar=0.0980665MPa 某些其他压力单位与SI 压力单位的换算关系单位名称单位符号 换算关系MPa 1MPa=610Pa 标准大气压atm 1atm=101325Pa 工程大气压（公斤力每平方厘at （kgf/2cm ) 1at=1kgf/2cm =98066.5Pa米）毫米汞柱mmHg 1mmHg=133.3224Pa 毫米水柱mm O H 2 1mm O H 2=9.80665Pa2、比体积比体积就是单位质量的物质所占有的体积：ννm m ==V V ， 式中 ν——比体积；V ——体积；M ——质量。

比体积的倒数称为密度（ρ）。

密度是单位体积的物质所具有的质量： νρ1m ==V 比体积的单位为kg m 3；密度的单位为3m kg3、温度温度：表示物体的冷热程度。

国际单位制中采用热力学温标，也叫开尔文温标或绝对温标，用T 表示，单位为K （开）。

摄氏度温标或百度温标用t 表示，单位为c 。

（摄氏度）。

它们之间的换算关系如下：0T T t -=式中，K T 15.2730=4、热力学能热力学能：工质本身所具有的能量。

p k E E u E ++=mU u = , mu U = 式中 u ——比热力学能；U ——热力学能；m ——质量。

国际单位：热力学能为J ，比热力学能为kg J ，工程单位: 热力学能为kcal, 比热力学能为kg kcal 。

1kcal=4186.8J=4.1868kJ5、焓 焓是一个组合的状态参数（本身所具有的能量加上流动能量）：pV U H +=式中 H ——焓；U ——热力学能；P ——压力；V ——体积。

单位质量物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓）:pv u mh +==H ，mh H = 式中 h ——比焓；m ——质量。

国际单位：焓的为J ，比焓为kg J 。

工程单位：焓的为kcal ，比焓为kg kcal 。

V A U H p +=，pv u h A +=式中 A ——功和热量的换算常数()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∙=m kgf kcal 936.4261A ，称为功的热当量。

6、熵 熵是热力系统与外界交换能量的比热值。

⎰++=0S T pdV dU S , TpdV dU dS += 单位质量的物质的熵称为比熵（有时简称为熵）：⎰++==0s Tpdv du m S s ，T pdv du m dS ds +== 国际单位制： 熵（S ）的单位为K J ，比熵的单位为()K kg J ∙。

工程单位制：熵（S ）的单位为K kcal ，比熵的单位为()K kg kcal ∙。

状态参数是热力系状态的单值函数。

1—3平衡状态1、平衡状态是指一个热力系统如果在不受外界影响的条件下，系统的状态始终保持不变，则系统的这种状态为平衡状态。

2、导致不平衡的原因（内部因素）⎩⎨⎧∙∙压差温差1—4状态方程和状态参数坐标图只有平衡状态才能在图上表示出来，压力、体积、温度有一个确切的值。

1—5 过程和循环过程是指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会。

就热力系本身而言，“平衡”意味着宏观静止;而“过程”则意味（1—16） 式（1—16）中，()T p f v ,=建立了压力、温度、比体积这三个可以直接测量的基本状态参数之间的关系。

这函数关系称为状态方程。

也可以写成：()0,,=T v p F 。

任意两个相互独立的状态参数（x ，y ）所构成的平面坐标系中的任意一点就相应于热力系的某一平衡（均匀）状态（图1—7中状态1、2）。

示功图 2 P1 2 V 1(P,V) 2示热图1 2 S 图1—7 yx2y 1 2 0 1x2x 1y 100k T ()()()()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫====T p f s T p f h T p f u T p f v ,,,,321着变化，意味着平衡被破坏。

内平衡过程把“平衡”和“过程”两个矛盾的的概念在一定的条件下统一起来。

这条件就是：要求外界对热力系的作用必须缓慢到足以使热力系内部能及时恢复被不断破坏的平衡。

循环就是封闭的过程，也就是说，循环是这样的过程：热力系从某一状态开始，经过一系列中间状态后，又回复到原来状态。

作为过程的一种特例，循环也有内平衡循环（图1—10）和内部平衡循环(图1—11)的区别。

第二章 热力学一定律热力学第一定律就是不同形式的能量在转换过程中守恒的原图1—9 y0 x 图1—8 y 0 x图1—10 y 0x 图1—11 y0 x理。

要弄清各种能量存在形式（状态量）和传递形式（过程量）之间的区别和联系，以便正确建立起能量守恒的表达式。

2—1 热力学第一定律的实质及表达式在工程热力学中,热力学第一定律主要说明热能和机械能在转移和转换时,能量的总量必定守恒。

其总能量E 为：E=U+k E +Ep 式中U ——热力学能；k E ——宏观动能；p E ——重力位能。

图中11m e δ——进入的能量； Q δ——吸收外界的能量； tot W δ——对外界做的功；22m e δ——最终流出的能量；δ——微元过程中传递的微小能量； E+dE ——最后的总能量。

根据质量守恒定律可知，热力系质量的变化等于流进和流出质量E22m e δ11m e δtotW δQδE+dE的差：21m m dm δδ-=式中：dm 为热力系在τd 时间内质量的增量，它是热力系状态量的变化；1m δ和2m δ为热力在τd 时间内和外界交换的质量,它们的质量是过程量.根据质量守恒定律可知加入热力系的能量的总和-热力系输出的能量的总和=热力系总能量的增量即 (E dE E m e W m e Q tot -+=+-+)()()2211δδδδ 整理可得()tot W m e m e E Q +-+∆=⎰τδδ11221.闭口系的能量方程由于热力系的体积变化而和外界交换的功W 为：U E E UQ p K ∆=∆+∆+∆=这就是闭口系的能量方程 2.开口系的能量方程动力机械在一个工作周期中获得的功，称为技术功，用Wt 表示，即排气进气W W W W t-+=上式是技术功的定义式，将它代入可得Q=T W H H +-12对每千克工质而言，则得t w h h q+-=123.稳定流动的能量方程稳定流动是指流道中任何位置上流体的流速及其他状态参数（温度、压力、比体积、比热力学能等）都不随时间而变化的流动。

对一个稳定流动的开口系2211v p v p w W sh tot+-=tot W 中除叶轮的轴功sh w 外，还包括在进口系外界对热力系做推动功11v p （负值），在出口处热力系对外界做推动功22v p （正值）。

所以，最后得：21)(12+-=h h q sh w z z g c c +-+-)()122122对流动工质，焓可以理解为流体向下游传热的热力学能和推动功之和。