工程热力学总复习

工程热力学总复习张辉一、填空题（共20分，每空2分）二、问答题（本题共40分,5题）三、计算题（本题共40分，3题）2004-3-73热力学本质和起源thermodynamicsthermo热dynamics↘↙动力学热力学即由热产生动力，事实上，热力学起源是源于对热机的研究（1763～1784年间，Watt的凝汽式单缸蒸气机）。热力学是研究物质的能量、能量传递和转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。在此省去对热力学发展史的介绍，但事实上，对科学发展史的学习以及从中凝练出指导科学研究的科学哲学，是提高思考力和整体对科学掌握、理解能力的一个重要手段。2004-3-74全书内容划分第2章气体的性质第4章理想气体的热力过程第6章热力学微分关系式第1章基本概念第3章第一定律第5章第二定律第8章湿空气第9章气体和蒸汽的流动第10章动力循环第11章制冷循环热力学基本概念和基本理论工质性质基本热力过程以及应用2004-3-75学习方法1.把握线索（大量的基本概念贯穿于整个工程热力学的前前后后，抽象且相互联系，必须掌握好）；2.学会抽象简化的研究方法（基本定律、基本关系式是解决问题的基础，必须掌握并能灵活运用）；3.重视习题和实验等（理解是基础，方法是关键，熟能生巧)。扩大工程实际的知识面，从应用中理解。2004-3-76热物质功功热物质物质功物质绝热热力系孤立热力系闭口热力系开口热力系1.闭口系—与外界无物质交换的热力系。2.开口系—与外界有物质交换的热力系。3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。第一章基本概念灵活掌握：按具体分析需要划分系统2004-3-77本课程主要涉及两类系统：闭口系和稳流的开口系闭口系开口系2004-3-78第一章基本概念状态参数具有以下特征：①单值函数;②变化量与路径无关，点函数。③微元差是全微分。P、T、v、U、H和S;对简单可压缩系统，热功转换中只存在容积变化功。某一个状态参数可以由另外两个参数确定－两维座标图。基本状态参数，掌握①温标转换②压力测量（转换）③比体积与密度的转换。状态参数坐标图：1v1Opvp12p2v2压容图sOTs22T21T1s1温熵图2004-3-79系统在不受外界的影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。平衡与稳定平衡与均匀第一章基本概念准平衡既是平衡，又是变化；既可以用状态参数描述，又可进行热功转换只有准平衡过程，才能在坐标图中用连续的曲线表示。可逆＝准平衡＋无摩擦和其它损耗＝零压差温差和摩擦2004-3-710第一章基本概念sT1s1T12s2T2vp1v1p12v2p22121qTds2121pdvw功和热是过程量，可逆过程功和热在状态参数坐标图上表示。热量功量1定义温差推动下，系统与外界借助于微观的无序运动传递的能量力差推动下，系统与外界借助于宏观的有序运动传递的能量2推动力温差（压）力差3方式微观无序，无需物体宏观移动宏观有序，需要物体宏观移动4过程量过程中越过边界的能量传递过程中的机械能5正负号吸热+，放热-对外做功+，耗功-6标志量（可逆）熵变比体积变化2004-3-711循环：封闭的热力过程。工质在经历了一个循环后状态的变化量为零(过程的净热量与净功量相等)。正向自然自发，热能从高温流向低温的过程中部分利用，转变成功；逆向：热量从低温传向高温，非自发，需要输入功经济性指标=得到的收益花费的代价高温热源热能动力装置低温热源吸热q1做功wnet放热q2消耗热，获得功。消耗功，获得热。高温热源制冷装置/热泵低温热源放热q1做功ωnet吸热q2正向循环逆向循环2004-3-712小结vpTT1T2abdcs1s2dbacq1q2q1q2sssT2T1Δsabwnet21qqwnet1.首先，（经抽象和简化）对所需研究的对象主观地划分系统。2.将其状态、经历的过程、循环表示在pv图和Ts图上。3.计算过程（比）功量、热量和效率、功率等。2004-3-713各种热工装置的热力学共性内容归纳内燃机装置燃气轮机装置蒸汽动力装置装置名称工作物质热源冷源功水蒸汽高温物体冷却水对外输出功燃气燃烧烟气大气对外输出功燃气燃烧烟气大气对外输出功压缩制冷装置制冷剂被冷却物体大气消耗功2004-3-714第二章气体和蒸汽的性质理想气体的状态方程式：各章基本知识点TRpvg气体常数，与状态无关，只与种类有关，J/(kg·K)gMRR令，则R是与理想气体的状态和种类都无关的普适恒量，称为摩尔气体常数（或通用气体常数）。因而有：0008.314510mgpVRMRJmolKT8.3145gJmolKRRMM不同物量时状态方程的形式mpVRT2004-3-715理想气体的比热容c:质量比热容、Cm:摩尔比热容、C’:容积比热容热量是过程量，因此比热容也与热力过程特性有关;也与物体自身的热力性质、状态有关;各章基本知识点vvvvqdupdvucdTdTTpppvqdhvdphcdTdTT定容比热容定压比热容一般关系式，适用于任何工质cv和cp分别是状态参数u和h对T的偏导数，因此对于确定的过程，cv和cp也是状态参数。2004-3-716对于理想气体而言，忽略分子间相互作用(内位能),热力学能u与焓h仅与内动能有关，是温度的函数，理想气体的cp和cv也仅仅是温度的函数。cp和cv之差为气体常数Rg比值γ＝cp/cv称为比热容比(＝绝热指数)，非定值gvpRcc迈耶公式MvMpvpCCcc,,gvRc11gpRc12004-3-717比热应用的4种形式1真实比热容(多项式拟合)：2平均比热容(区域平均)-查表，准确3平均比热容直线关系式4定值比热容：给定、查表、按分子运动理论导出(绝热指数)230123cTTT…2121020121|||ttttctctctt℃℃)(22121ttbactti2iCCR22iCR2iCm,Vm,pm,pm,V2004-3-718VVppducdtcdTdhcdtcdTVVppducdtcdTdhcdtcdT理想气体热力学能和焓只是温度的单值函数，与p、v无关熵是描述热力系统混乱度的状态参数，与途径无关。Tqdsrev2004-3-719ppgcdTvdpdTdpdscRTTpTqdsrev理想气体熵方程虽从可逆过程推导而来，但只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用即理想气体的熵变Δs1-2完全取决于初态和终态，∴熵为状态参数pqcdtvdpgpvRT理想气体熵方程212121122121122121lnlnvdvcpdpcsppRTdTcsvvRTdTcspVgpgV2004-3-720第三章热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。“热可以变为功，功也可以变为热。在热能和机械能之间相互转换时，一定量的热消失时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。”各章基本知识点实质是能量的收支平衡：Q吸热为正；内能增加ΔU为正；对外作功为正进入能量-离开能量=储存能变化•2004-3-721第三章热力学第一定律热力学能U(内能)包括分子热运动引起的内动能(T相关)和分子间的相互作用力引起的内位能(v相关)；总能E包括内部储存能（热力学能）U和外部储存能（宏观运动能及位能）各章基本知识点,,;,ufTvufTpufpv或hupv焓=热力学能+推动功iftwzgcvpvpww2112221技术功=容积功-流动功(推动功之差)对流动工质(开口系统)，焓表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。2004-3-722第三章热力学第一定律闭口系能量平衡方程式：各章基本知识点quwqdupdv只有对可逆过程，有稳定流动开口系统能量方程式：twhqqdhvdpvp1v1p12v2p20P1v1P2v2膨胀功w21pdv21121bavdp面积技术功wt2004-3-723第三章热力学第一定律热力学第一定律的能量方程式在工程上应用很广，但首先要对其不同的形式进行有较为全面的认识：：wuq).1(从闭口系推导，与开口系方程形式不同，实质相同：ifwzgchq2).2(2在闭口、开口系均成立，应用于闭口系时，不存在推动功p1v1、p2v2，轴功wi要变为膨胀功w，iffCVWdmgzchdmgzchdEQ112112222222).3(开口、闭口系统；稳定、不稳定流动；可逆、不可逆过程。2004-3-724第三章热力学第一定律一、动力机：wi=-△h=h1-h2=wt工质在其中膨胀，其对外输出的净功等于工质进出口焓降二、压气机：wC=-wi=△h=h2－h1=－wt工质在其中被压缩，外界对其做功全部转变为工质焓增。三、换热器：q=△h=h2-h1工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。四、管道：1/2（cf22－△cf12）=h1-h2工质的焓降用于增加其自身动能。五、绝热节流：h1=h2节流前后工质的焓值保持不变。各章基本知识点2004-3-725第二章理想气体的性质理想气体的概念：微观模型＋宏观解释＋现实应用微观模型：①分子是弹性、不具体积的质点，②分子间没有作用力。宏观解释：实际气体在p→0,v→∞时的极限状态，此时分子本身体积远小于其活动空间，内位能可以忽略。现实应用：工程中常用的氧气、氮气、空气、燃气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：氨、氟里昂、水蒸气……各章基本知识点2004-3-726第四章气体和蒸汽的基本热力过程一般为可逆过程、理想气体、定值比热容。典型过程：定容、定压、定温和绝热；1根据系统平衡的性质及过程中系统与外界热传递和功传递的特定条件，建立过程方程式p=f(v)。2借助过程方程和状态方程,找出不同状态间的参数关系,进而相互确定之（对于实际气体，常采用图表计算）。3在p-v图和T-s图中画出过程曲线,直观地描述过程中参数的变化规律及能量转换情况。4计算热力过程始、末状态间的比热力学能,比焓和比熵的变化量（△u、△h、△s）。5确定1kg工质对外作出的功和过程热量。分析热力过程的一般步骤2004-3-727第四章理想气体的热力过程定容过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点V=Constant1212TTpp1212/ln/ln,,ppcTTcsTchTcuVVpVTRpvwgt0wTcuqV2004-3-728第四章理想气体的热力过程定压过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点p=Constant1212TTvv1212/ln/ln,,vvcTTcsTchTcupppV0twTRvpwgTchqp2004-3-729第四章理想气体的热力过程定温过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点T=Constant2112vvpp1221/ln/ln,0,0vvRppRshugg)()/ln()/ln(12211112ssTppvpvvTRqwwgt2004-3-730第四章理想气体的热力过程定熵过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换各章基本知识点0,,sT