工程热力学概念复习

热能动力装置从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套装备(包括辅助设备),统称热能动力装置热能动力装置分为蒸汽动力装置及燃气动力装置两大类内燃机是最常见的热能动力装置之一主要部分为气缸活塞燃气轮机装置和喷气发动机也是典型的燃气动力装置工质把实现热能和机械能相互转化的媒介物质叫做工质热源把与工质进行热交换的物质系统称为热源把工质从中吸取热能的物系叫做热源（或称高温热源）把接受工质排出热能的物系叫做冷源（或称低温热源）工质的要求①膨胀性②流动性③热容性④稳定性安全性⑤对环境友善⑥价廉、易大量获取热能动力装置的工作过程工质循环着，自热源吸热，将其中一部分转化为机械能，并把余下部分传给低温热源：在制冷装置中，工质消耗外部机械功（其他形式的能量），使热能由低温热源向高温热源转移，所消耗的机械能也转换成热能一并排向高温热源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叫做热力系统（简称系统、体系）与系统发生质能交换的物体称为外界系统和外界之间的分界面叫做边界边界可以是实际存在的，也可以是假想的闭口系统一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换则该系统称为闭口系统（又称闭口系）闭口系统内的质量保持恒定不变所以闭口系特又叫做控制质量CM开口系统如果热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换则该系统叫做开口系统（又称开口系）开口系统中的能量和质量都可以变化但这种变化通常是在某一划定的空间范围内进行的所以开口系统又叫做控制容积或控制体CV区分开口系和闭口系的关键是有没有质量越过了边界如果输入某系统的质量和输出该系统的质量相等虽然系统内的质量没有发生变化但系统是开口系绝热系统当热力系统和外界间无热量交换时该系统称为绝热系统（又称绝热系）当一个热力系统和外界既无能量交换有无物质交换时，则该系统就称为孤立系统（又称孤立系）自然界中没有孤立系，这是热力学研究抽象得出的概念孤立系统的一切相互作用都发生在系统内部,孤立系必定是绝热的但绝热系不一定是孤立系.热力学状态某一瞬时系统实现物理状况的综合只有平衡态才有状态参数状态参数用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量称为状态参数简单可压缩系两状态相同的充要条件两个独立的状态参数对应相等,具有可加性的称为广延量不具有可加性的称为强度量状态法则系统独立状态参数的数目N等于系统对外所作广义功的数目n 加1，即N=n+1,单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强）单位质量物质所占的体积称为比体积如果在不受外界影响的条件下系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态倘若组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，系统就处于热的平衡状态；各部分之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。具备了热和力的平衡，系统就处于热力平衡。过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需时间很短（工质有足够的时间来回复平衡），随时都不致显著偏离平衡状态，那么这样的过程叫做准平衡过程。实现条件：压强跟温度的变化量趋向0。准平衡过程是进行的无限缓慢的过程，准平衡过程又叫做准静态过程。可逆过程系统沿相同路径回复到原来状态，外界不留下任何变化。准静态过程不一定是可逆过程，可逆过程一定是准静态过程。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。异同准静态过程只着眼于工质（系统）内部的平衡，可逆过程则着眼于系统内部以及系统与外界作用的总效果。膨胀功和压缩功都是通过工质提体积的变化而与外界交换的功，因此通称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力和体积的变化量有关。过程功通过边界而传递的能量且全部效果可表现为举起重物过程热量由于温度不同通过边界传递的能量循环封闭的热力过程循环特性工质经过一系列变化过程后又回到原来的状态，一切状态参数都恢复原值。全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则该系统称为不可逆循环。据循环效果及进行方向的不同，可以把循环分为正向循环和逆向循环。正向循环：输出功；逆向循环：消耗功。竞技性指标=得到的收获/花费的代价。正向循环也叫做热动力循环。逆向循环主要用于制冷装置和热泵。工质从低温热源吸热向高温热源放热，其差值为循环净热量。内动能，内位能维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能以及电磁场作用下的电磁能等一起构成热力学能。根据气体分子云运动学说，气体分子在不断地作不规则的平移运动，这种平

移运动的动能是温度的函数。根据气体分子运动学说，热力学能是热力状态的单值函数。能量传递方式做工、传热。借做工来传递能量总是和物体的宏观位移有关。功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动有关的功外,还有因工质在开口系统中流动而传递的功热力学第一定律：进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存的能量增加。推动功：系统引进或传递工质发生的代价。流动功：维持系统的流动功所花费的代价。若流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间变化，则这种流动过程称为稳定流动过程。特点：各界面上参数不随时间变化；广延量为0。高温低压气体；距离液态较远的气体或临界温度较低的气体可以看作理想气体。理想气体的特点：分子是些弹性、不具体积的质点；分子间无相互作用力。热量与功的异同-均为过程量非状态量均为能量传递的度量-功是宏观运动能量的传递热量是微观-功比热更高级。阿伏伽德罗定律：同温同压下，各种气体的摩尔体积都相同。物体温度升高1K（或1摄氏度）所需热量称为热容，用C表示。1Kg物质温度升高1K（或1摄氏度）所需热量称为质量热容，又称比热容。1mol物质的热容称为摩尔热容。对于理想气体，任何一个过程的热力学能变化量都和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等；任何一个过程的焓变化量都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等。由液态转变为气态的过程称为汽化，汽化又分为蒸发和沸腾。在液体表面进行的汽化过程称为蒸发，在液体表面和内部同时进行的强烈汽化过程称为沸腾。物质由气相转变为液相的过程称为凝结，凝结是汽化的反过程。选定水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定在该点状态下的液相水的热力学能和熵为0。干度：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w表示。定容过程中工质不输出膨胀功，加给工质的热量未转变为机械能，而全部用于增加工质的热力学能，因而温度升高。任何工质在定压过程中吸入的热量等于焓增，或放出的热量等于焓降。同样温度范围内的平均比定压热容与平均比定容热容之间的关系也遵循迈耶公式。由于理想气体的热力学能不变，定温膨胀时吸热量全部转变为膨胀功；定温压缩时，消耗的压缩功全部转变为放热量。工质在绝热过程中所作的技术功等于焓降。功可以自动的转化为热。定熵过程中的压力比等于相对压力比，它实质上表征了定熵过程压力与温度的关系。自然过程中凡是能够独立、无条件的自动进行的过程，称为自发过程。不能独立的自动进行而需外界帮助作为补充条件的过程，称为非自发过程。自发过程的反向过程是非自发过程。1850年，克劳修斯从能量传递方向的性的角度提出：热不可能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。1824年，卡诺最早提出了热能转化为机械能的根本条件：凡有温差的地方都能产生动力。1851年，开尔文和普朗克等人从热能转化为机械能的角度提出更严密的表述：不可能制造出从单一的热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力动机。卡诺定理：1在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间的工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪一种工质也无关。2在温度为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小与可逆循环。结论：1在两个热源间工作的一切可逆循环，他们的热效率都相同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度，热效率都可以表示为?=1-T2/T；2 温度界限相同，但具有两个以上热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环；3 不可逆循环的热效率必定小于同样条件下的可逆循环。闭口系可逆绝热过程中熵不变，是定熵过程；不可逆绝热过程中，工质的熵必定增大。闭口系内不可逆绝热过程中熵之所以增大，是由于过程中存在不可逆因素引起耗散效应，使损失的机械能转化为热能（耗散热）被工质吸收。这部分由耗散热产生的熵增量，叫做熵产。熵产只可能是正值，极限情况（可逆过程）为0。假设纯物质在热力学温度0K（绝对温度零度）时的熵为0，以此为起点的熵称为绝对熵。人为规定一个参照状态（基准点）下的熵值，从而得出的熵的相对值叫做相对熵。系统与外界换热量与热源温度的比值，称为热熵流，简称熵流。闭口系的熵变等于热熵流和熵产之和。若闭口系绝热，则热熵流为零由于熵产大于等于零，故不可逆绝热过程中，工质的熵必定增大。熵增原理：凡是使孤立系统总熵减小的过程都是不可能发生的，理想可逆情况也只能实现总熵不变，实际过程都不

可逆，所以实际热力过程总是朝着使孤立系统总熵增大的方向进行。熵增原理阐明了过程进行的方向。熵增原理给出了系统达到平衡状态的依据。熵增原理还指出：如果某一过程的进行，会导致孤立系中各物体的熵同时减小，或者虽然各有增减但其总和使系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变。孤立系统熵增原理全面的、透彻的揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这是热力学第二定律的实质。各种形态的能量相互转化时，具有明显的方向性。在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的火用。在温度为T0的环境条件下，系统（T大于T0）所提供的热量中可转化为有用功的最大值是热量用。工程上把与温度低于环境温度T0的物体（T小于T0）交换的热量叫做冷量，温度低于环境温度的系统，吸入热量Q0（即冷量）时作出的最大有用功称为冷量用。闭口热力系只与环境作用下，从给定状态以可逆方式变化到与环境平衡的状态，所能做出的最大有用功，称为该状态下闭口系的用，或称热力学能用。气体在绝热流动过程中，因受到某种物体的阻碍，而流速降低为0的过程称为绝热滞止过程。气体在稳定流动过程中若与外界没有能量交换，且气体流经相邻两截面时各参数都是连续变化的，同时又无摩擦和扰动，则过程可认为是可逆绝热过程。连续性方程式、可逆绝热过程方程式、稳定流动能量方程式和声速方程式是分析流体一维、稳定、不做功的可逆绝热流动过程的基本方程组。对喷管的要求是：亚声速气流要做成渐缩喷管；超声速气流要做成渐扩喷管，气流由亚声速连续增加至超声速时要做成渐缩渐扩喷管（缩放喷管），或叫做拉伐尔喷管。拉伐尔喷管的最小截面处称为喉部，喉部处气流速度即时声速。对扩压管的要求是：对超声速气流要制成渐缩形；对亚声速气流要制成渐扩行，当气流由超声速连续降至亚声速时，要作成渐缩渐扩形扩压管。临界压力比是分析管内流动的一个非常重要的数值，截面上工质的压力与滞止压力之比是气流速度从亚声速到超声速的转折点。根据气体稳定流动的连续性方程，气体通过喷管任何截面的质量流量都是相同的。流体在管道内流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力降低，这种现象称为节流现象。如在节流过程中流体与外界没有热量交换，就称为绝热节流，也简称节流。节流过程是典型的不可逆过程。节流后温度不变的气流温度叫做转回温度。节流过程的工程应用除利用冷效应进行制冷外，还可以用来调节发动机的功率、测量流体的流量等。压气机主要有两类：活塞式压气机和叶轮式压气机。依其产生压缩气体的压力范围，习惯上常分为通风机、鼓风机和压气机。压缩过程有两种极限情况：一为过程进行极快，气缸散热较差，气体与外界的换热可以忽略不计，过程可视为绝热过程；另一为过程进行十分缓慢，且气缸散热条件极好，压缩过程中气体的温度始终保持与初温度相同，可视为定温压缩过程。在实际的活塞式压气机中，因为制造公差、金属材料的热膨胀及安装进、排气阀等零件的需要，当活塞运动到上死点位置时，在活塞顶面与汽缸盖间留有一定的空隙，该空隙的容积称为余隙容积。活塞式压气机余隙容积的存在，虽对压缩定量的气体理论耗功并无影响，但使容积效率降低。选择中间压力的好处：1每级压气机所需的功相等，有利于压气机曲轴的平衡；2 每个汽缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，每个汽缸的温度条件相同； 3 每级向外排出的热量相等，而且每一级中间冷却器向外排出的热量也相等。活塞式压气机的缺点是单位时间内产生气量小，其原因是由于转速不高，间隙性的吸气和排气，以及余隙容积的影响。叶轮式压气机转速比活塞式压气机高，能连续不断地吸气和排气，没有余隙容积，所以他的机体紧凑而产气量大。但它的缺点是每级的增压比小，如果得到较高的压力，则需级数甚多。因气流速度相当高，容易造成较大的摩擦损耗，故对叶轮式压气机的设计和制造的技术水平要求甚高。叶轮式压气机分径流式（即离心式）与轴流式两种类型。离心式压气机适用于中小型生产量，高转速但效率较低。轴流式压气机结构很紧凑，便于安排较多的级数，且效率较高，适宜于大流量的场合。热力学第一定律为基础的第一定律分析法以能量的数量为立足点，从能量转换的数量关系评价循环的经济性，以热效率为其指标。这种方法没有吧能量的品质放在明确的位置上。总和热力学第一定律、第二定律作为依据从能量的数量和质量来分析，以“做功能力损失和用

效率”为指标的第二定律分析法。活塞式内燃机按所使用的燃料分为燃气机、汽油机和柴油机；按点火方式分为点燃式和压燃式两大类。混合加热柴油机的实际循环被理想化为混合加热内可逆理想循环，又称萨巴德循环。定压加热的内可逆理想循环又称狄赛尔循环。内可逆定容加热理想循环又称奥托循环，基于这种循环而制造的煤气机和汽油机是最早的活塞式内燃机。燃气轮机装置也是一种以空气和燃气为工质的热动力设备。简单的定压燃烧燃气轮机装置由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。采用抽汽回热虽能显著提高循环热效率，但增加了回热器、管道、阀门及水泵的设备，使系统更加复杂，而且增加了投资。这些花费可有以下优点得到部分补偿：1由于工质吸热量减少，锅炉热负荷降低，因而可减少受热面，节省金属材料；2由于耗油率增大，使汽轮机高压端的蒸汽流量增加，而因抽汽低压端流量减少，这样有利于汽轮机设计中解决第一级叶片太短和最末级叶片太长的矛盾，提高单机效率；3 由于进入泠凝器的乏汽量减少，可减少冷凝器的换热面积，节省铜材。制冷装置运行的目的是从冷库不断地把热量传输到环境介质，以维持冷库内低温。制冷循环包括压缩式制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环、蒸汽喷射制冷循环及半导体制冷等。压缩空气制冷循环有两个根本弱点：其一是不能实现现定温吸、排热过程，使循环偏离了卡诺循环而降低了经济性；其二是由于空气的必定压热容较小，单位质量工质的制冷量也较小。热泵是将热能从低温物系（如环境大气）向加热对象（高温热源、如室内空气）输送的装置。混合气体的热力学性质取决于各组成气体的热力学性质及成分。

2-8气缸内空气的体积为0.008m3温度为17℃。初始时空气压力为0.1013MPa，环境大气压力pb = O.1MPa，弹簧呈自由状态。现向空气加热，使其压力升高，并推动活塞上升而压缩弹簧。已知活塞而积为0.08m2，弹簧刚度为k = 40 000 N/m，空气热力学能变化关系式为△{u}kJ/g = 0.7184 {T}k·试求使气缸内空气压力达到O.15MPa所需的热量。2-13某蒸汽动力厂中锅炉以40t/h的蒸汽供入蒸汽轮机。进口处压力表上读数是9MPa蒸汽的含是3441kJ/kg蒸汽轮机出口处真空表上的读数是0.0974MPa，出曰蒸汽的含是2248kJ/kg，汽轮机对环境散热为6. 81 x 105 kJ/h。求:1)进、出曰处蒸汽的绝对压力，(当场大气压是101325Pa};2)不计进、出曰动能差和位能差时汽轮机的功率3)进曰处蒸汽为70m/s，出曰处速度为140m/s时对汽轮机的功率有多大的影响4)蒸汽进出、高度并差是1.6m时，对汽轮机的功率又有多大影响?

3-5空气压缩机每分钟从大气中吸入温度tb=17℃，压力等于当地大气压力pb = 750 mmHg的空气0.2m3，充入体积为V = 1m3的储气罐中。储气罐中原有空气的温度t1=17℃，表压力pe, = 0.05 MPa，问经过多长时间储气罐内气体压力才能提高到p2=0.7 MPa，温度t2=50℃？3-10体积V = O.5m3的密闭容器中装有27℃, 0.6MPa的氧气，加热后温度升高到327 ℃2)按平均热容表求加热量Qv。

3-14 1mol氮气由p1=1MPa，T1= 400K变化到p2= 0.4MPa，T2= 900K，试求摩尔嫡变量△Sm。2)藉助气体热力表计算。3-16绝热刚性容器中间有隔板将

容器一分为二，左侧有温度为

300K、压力为2.8MPa的高压空

气O.O5kmol，右侧为真空。若抽

出隔板，求容器中空气的商变。

4-4氧气由t, = 40℃p, = 0.1

MPa被压缩到p2= 0.4 MPa，试计

算压缩lkg氧气消耗的技术功。

1)按定温压缩计算;2)按绝热压缩

计算，设为定值比热容3)将它们

表示p-v图和T-s图上，试比较两

种情况技术功大小。4-12试将满

足以下要求的多变过程表在p一

v和T-s图上(先标出四个基本热

力过程)1)工质膨胀、吸热且降温

2)工质压缩、放热且升温;3)工质

压缩，吸热，且升温;4)工质压缩、

降温且降压;S)工质放热、降温且

升压;6)工质膨胀，且升压。

5-7某热机工作于T1= 2000K ,

T2= 300K的两个恒温热源之间，

试问下列儿种情况能否实现?是

否是可逆循环?1} Q, =1 kJWnet,

= 0.9 kJ;2}Q1=2 kJ Q2 =0.3

kJ;(3)Q2=0.5 kJ，Wnet=1.5 kJ。

5-11 0.25kg CO在闭日系中由初

态p,=0.25 MPa、t1=120℃膨胀到

终态t2 =25℃p2= 0.125 MPa、作

出膨胀功W = 8.0 kJ已知环境温

度t0=25 ℃，CO的Rg= 0.297

kJ/(kg。K)，cv- = 0.747 kJ/(kg。

K)，试计算过程热量，并判断该

过程是否可逆

5-19设工质在1 000 K的恒温热

源和300 K的恒温冷源间按循环

a-b-c-d-a工作工质从热源吸热和

向冷源放热都存在50 K的温差。

1)计算循环的热效率;2)设体系的

最低温度即环境温度，T0=300 K，

求热源每供给1 000 kJ热量时，

两处不可逆传热引起的用损失I1

和I2及总用损失。

7-1空气以Cf=180m/s的流速在

风洞中流动，用水银温度计测量

空气的温度，温度计上的读数是

70℃，假定气流通在温度计周围

得到完全滞止，求空气的实际温

度(即所谓热力学温度)。

7-10滞止压力为0.65MP，滞止温

度为350K的空气可逆绝热流经

收缩喷管在截面积为2.6x10-3m2

处气流马赫数为0.6，若喷管背压

力为0.28MPa，试求喷管出口截

面积。

8-5某单级活塞式压气机，其增

压比为7，活塞排量为0.009m3，

余容比为0.06，转速为750r/min，

压缩过程多变指数为1.3。已知吸

入空气参数为p1 =

O.1MPa·t1=20℃求:1)容积效率;2)

生产量(kg/h);3)理论消耗功率

(kW);4)压缩过程中放出的热量。

9-1某活塞式内燃机定容加热理

想循环，压缩E=10，气体在压缩

中程的起点状态是p1=100 kPa ,

t1=35℃，加热过程中气体吸热

650 kJ/kg·假定比热容为定值且

Cp=1.005 kJ/(kg 。K) K=1.4，

求:1}循环中各点的温度和压

力;(2)循环热效率，并与同温度限

的卡诺循环热效率作比较;3)平

均有效压力。

12-2 5Okg废气和75kg的空气

混合，废气中各组成气体的质量

分数为:Wco=14%Wo2=6%wH2o

= 5% } wN2 = 75%·空气中的氧

气和氮气的质量分数为:Wo2 =

23.2%wN2 = 76.8%。混合后气体

压力p =0.3MPa，求:(l)混合气体

各组分的质量分数;(2)折合气体

常数;C3)折合摩尔质量;C4}摩尔

分数;CS)各组成气体分压力。