热力学知识点小结

热工基础（第三版）——热力学知识点总结2017.4晁复习专用1第一章系统：在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。热力系统可分为：闭口系统，开口系统，绝热系统，孤立系统。平衡状态：系统内部各处的宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为平衡状态。状态参数：用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。其性质是状态参数的变化量只取决于给定的初、终状态，与变化过程的路径无关。如果系统经历一系列状态变化又返回初态，其所有状态参数的变化量为零。（工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。）可逆过程：如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化，这样的过程为可逆过程。准平衡过程：所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。可逆过程的条件：准平衡过程＋无耗散效应。压力：绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv只有绝对压力p才是状态参数ebPPPv-PPPb功量和热量：功量和热量是系统与外界交换的能量，其大小与系统的状态无关，而是与传递能量时所经历的具体过程有关。所以功量和热量不是状态参数，而是与过程特征有关的过程量复习专用2第二章1.热力系统储存能热力系统储存能=宏观动能+宏观位能+热力学能pkEEUE热力学能：不涉及化学变化和核反应时的物质分子热运动动能和分子之间的位能之和（热能）。热力学能符号：U，单位：J或kJ。热力学能是状态参数储存能：E，单位为J或kJ2.热力学第一定律热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，可表述为：（1）在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。（2）不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。（3）进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化3.闭口系能量方程热力学第一定律应用于（静止的）闭口系时的能量关系式即为闭口系能量方程。其表达式有以下几种形式，它们的使用条件不同：（1）quw或QUW（适用条件：任意工质、任意过程）（2）dqupv或21dQUpV（适用条件：任意工质、可逆过程）（3）dVqcTpv或21pdVTmcQV（适用条件：理想气体、可逆过程）4.开口系统稳定能量流动方程热力学第一定律应用于稳流系时的能量关系式即为稳流系能量方程。其表达式有以下几种形式，它们的使用条件也不同：（1）tqhw或tWHQ（适用条件：任意工质、任意过程）（2）dqhvp或21dQHVp（适用条件：任意工质、可逆过程）复习专用3（3）dpqcTvp或21VdpTmcQp（适用条件：理想气体、可逆过程）在稳流系中，膨胀功等于流动功和技术功之和，即2sft1()2wpvcgz其中，技术功为出口与进口处的动能差、位能差和轴功之和，即stwzgcw2215.焓焓是在研究流动能量方程时，为工程应用方便而引出的一个状态参数。由于在流动过程中，工质必定携带的能量除热力学能U外，还有推进功pV，所以为工程应用方便起见，把二者组合为焓H。焓的定义式为HUpV或hupv焓的物理意义：1.对流动工质和非流动工质，焓都是状态函数2.对流动工质，焓既是状态参数，也是工质流动时携带的取决于热力状态的那部分能量。3.对非流动工质，焓仅是状态参数。第三章1.理想气体的状态方程状态方程：TRpvg（只能用于同一平衡状态，不能用于过程计算，压力为绝对压力，温度为绝对温度）复习专用4对于质量为m的理想气体：TmRpVg对于理想气体：TMRpVgm令gMRR则RTpVm注意各物理量的单位与气体常数Rg或通用气体常数R协调一致。2.热容，热力学能，焓，熵1）热容物体温度升高1K（或1℃）所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容dtQdTQC比热容：单位质量物质的热容，dtqdTqc，J/(kg·K)比定容热容：dTqcvv（计算时必须注意非标准状态时的容积与标准状态下容积的换算）比定压热容：dTqcpp理想气体迈耶公式：gvpRcc比热容比：vpccgpRc1gRc11v平均比热容，插值法查表计算（平均比热容表的自变量是摄氏温标，千万不要将t化为T）2）理想气体热力学能、焓和熵的计算理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数，而熵则与2个独立的基本状态参数有关。热力学能、焓：dTcduvdTcdhpdTcuv21dTchp21（任一过程）复习专用5熵：理想气体：vdvRTdTcspdpRTdTcsvpgg{任一热力过程：12g2112g21lnln{vvRTdTcsppRTdTcsvp上式比热容为定值时：12g1212g12lnlnlnln{vvRTTcsppRTTcsvp另外的：2121vdvcpdpcspv上式比热容为定值时：1212lnlnvvcppcspv3.理想气体的热力过程1）4种基本热力过程及多变过程的特点和过程方程过程方程描述的是过程，即整个过程遵循相应的过程方程的规律变化。4种基本热力过程的特点是定容、定压、定温和定熵，也就是说这4种过程中总有一个状态参数保持不变；对于多变过程，则过程中所有的状态参数都在变。关于过程方程，应记住基本方程constnpv，可认为理想气体在可逆过程中都遵循该关系式。多变指数n的取值范围为从0之间的任一实数，所以该过程方程适用于所有的可逆过程。而4种基本热力过程则是所有可逆多变过程中的几个特例，根据过程特点分别为：定容过程：n=±∞，定压过程：n=0，定温过程：n=1，定熵过程：n=复习专用62）过程中任意两状态间p、v、T参数之间的关系由克拉贝龙方程331122g123pvpvpvRTTT可以很容易地推得定容、定压和定温过程中任意两状态间p、v、T参数之间的关系式。而对于多变过程和定熵过程，可以利用其状态方程和过程方程联立求出。而且多变过程与定熵过程状态参数之间的关系式结构相同，只是多变指数不同，所以推出一个就可得出另一个。★3）过程中系统与外界交换的功量和热量○1功量对于定容和定压过程，选用以下可逆过程的基本积分式计算功量很方便，即容积功：21pdvw技术功：21vdpwt显然，定容过程：0w，pvppvwt)(21定压过程：vpvvpw)(12，0tw定容过程容积功为零，定压过程技术功为零，可作为一种概念牢记，根本不必计算。对于定温过程，仍可以用可逆过程的基本积分式计算功量，只需利用理想气体状态方程将p化为v的函数形式计算w，或将v化为p的函数形式计算wt。如下所示：22g21gg1112ddlnlnRTvpwpvvRTRTvvp22g12tgg1121ddlnlnRTpvwvppRTRTppv比较以上两式，有w＝wt，即定温过程的容积功等于技术功。定温过程计算功量的另一种方法是利用能量方程式，结合闭口系和稳流系的能量方程式，可进一步得出w＝wt＝q。因此，对可逆等温过程，利用下式计算功量更方便。复习专用7w＝wt＝221gg112dlnvpqTsTsTRTRvp定温过程的容积功、技术功、以及换热量均相等，只需求出一个即可。对于绝热过程，利用能量方程式计算功量较方便，即。g1212()()1VRwucTTTTgt1212()()1pRwhcTTTTw注意：以上两式对可逆绝热（定熵）和不可逆绝热过程都适用，这是由于在q=0的条件下，容积功等于状态参数热力学能的变化量，技术功等于状态参数焓的变化量，而状态参数与过程是否可逆无关。当然，如果可逆绝热和不可逆绝热过程的初始状态相同，那么它们的终了状态一定不同，实际计算出的w和wt也不同。所以只是w和wt的计算表达式相同。对于多变过程，其功量计算公式同定熵过程结构相同，只需将公式中的换成n即可，因此，利用绝热过程求出功量计算公式后再用n代替的方法得到多变过程功量计算公式，是一种捷径。除定容过程外，各种过程的技术功都是容积功的n倍，即wt＝nw，因此，只要计算出其中一个，另一个也就很容易得到。○2热量对于定容和定压过程，选用以下公式计算热量很方便，即21dTcqp定容过程：TcTTcqVV)(12定压过程：TcTTcqpp)(12对于定温过程，则选用以下公式计算热量很方便，即221gg112dlnvpqTsTsTRTRvp对于绝热过程，直接有：q＝0对于多变过程，可利用能量方程计算热量，即复习专用8gg212121()()()11VVRRquwcTTTTcTTnn利用迈耶公式gpVccR及/pVcc，可得21()1VnqcTTn4）4种基本热力过程及多变过程在p-v图、T-s图上的表示及特点过程线在p-v图和T-s图上的分布规律：基本过程线是区域的分界线；以定容线为界分为2个区域，n沿顺时针方向从－∞→0→＋∞。第四章1.自发过程与热力学第二定律1）自发过程不需要任何外界作用而自动进行的过程自发过程是不可逆的!2）热力学第二定律表述克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响3）热力学第二定律的实质复习专用9热力过程只能朝着能量品质不变（可逆过程）或能量品质降低的方向进行。一切自发过程的能量品质总是降低的，因此可以自发进行，而自发过程的逆过程是能量品质升高的过程，不能自发进行，必须有一个能量品质降低的过程作为补偿条件才能进行，总效果是能量品质不变或降低。★热力学第二定律的数学表达式可归纳为以下几种：（1）卡诺定理ηt≤ηtc,ε≤εc,ε＇≤εc＇（2）克劳修斯积分不等式0TQ（3）由克劳修斯积分不等式推出fdSTQdS（4）熵方程gfgSSSTQS（5）孤立系熵增原理isog0SS≥（孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小）上述5式是等效的，只是表达形式不同，因此适用的对象也不同。（1）、（2）式适用于任何循环；（3）、（4）式适用于任何过程；（5）式适用于孤立系或闭口绝热系和稳流绝热系的任何循环和过程。★4）热力学第二定律的应用判断过程或循环能否进行，如能进行，是否可逆因为过程或循环必须同时满足热力学第一、二定律才能进行，所以通常在给定条件下，先判断是否满足热力学第二定律，然后再利用热力学第一定律（能量方程）进行计算。判断循环有三种方法，判断过程可用上述（2）、（4）式。孤立系熵增原理既可用于循环，也可用于过程。对于非孤立系过程方向性的判断，可将存在相互作用关系的物体一起构成孤立系，然后再利用孤立系熵增原理。对稳流绝热系，可计算出口相对于进口的熵增，从而判断过程能否进行及是否可逆。证明某过程不可逆证明某过程不可逆的本质与应用（1）相同，只是提出问题的角度不同。由熵方程可知，只要能证明某过程的熵产大于零，即可证明该过程不可逆。复习专用102.卡诺循环、卡诺定理及其意义1）热力循环工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。正向循环：将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。正向循环的循环热效率：循环热效率ηt用来评价正向循环的热经济性。显然，ηt1。1212111QQQQQQWnett逆向循环：消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环制冷系数：制冷装置工作系数2122QQQWQnet供热系数：热泵工作系数2111'QQQWQnet2）卡诺循环由两个可逆定温过程和两个