工程热力学复习重点

工程热力学复习重点2012工程热力学复习重点2012.3绪论[1][2][3]理解和掌握工程热力学的研究对象、主要研究基本概念及定义1.1热力系统一、热力系统系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。外界：与系统相互作用的环境。界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。依据：系统与外界的关系系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。二、闭口系统和开口系统闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。三、绝热系统与孤立系统绝热系统：系统内外无热量交换(系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和=一切热力系统连同相互作用的外界四、根据系统工质的热力状态与状态参数一、状态与状态参数状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。如：温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。状态参数的数学特性:1．2表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。2．dx=0表明：状态参数的循环积分为零基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数：温度、压力、比容或密度温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度2．压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。F；式中：F—整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N）ff—容器壁的总面积（m2）。微观上：分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。压力测量依据：力平衡原理压力单位：MPa相对压力：相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。以大气压力为计算起点，也称表压力。（P>B）（P<B）式中B—当地大气压力Pg—高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；H—低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数3．比容:比容：单位质量工质所具有的容积。密度：单位容积的工质所具有的质量。mm3/kg关系：式中：—工质的密度kg/m3，v—工质的比容m3/kg例:表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。1．3准静态过程与可逆过程热力过程：系统状态的连续变化称系统经历了一个热力过程。一、准静过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。注意:准静态过程是一种理想化的过程，实际过程只能接近准静态过程。二、可逆过程：系统经历一个过程后，如令过程逆行而使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。实现可逆过程的条件：过程无势差(传热无温差，作功无力差)过程无耗散效应。三、可逆过程的膨胀功(容积功)系统容积发生变化而通过界面向外传递的机械功。21规定:系统对外做功为正，外界对系统作功为负。问题：比较不可逆过程的膨胀功与可逆过程膨胀功四、可逆过程的热量:系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。2可逆过程传热量：1规定:系统吸热为正，放热为负。1．4热力循环:定义：工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后由回复到初态的过程。,一、正循环正循环中的热转换功的经济性指标用循环热效率：q1q1q1式中q1—工质从热源吸热；q2—工质向冷源放热；w0—循环所作的净功。二、逆循环以获取制冷量为目的。制冷系数：式中：q1—工质向热源放出热量；q2—工质从冷源吸取热量；w0—循环所作的净功。供热系数：式中：q1—工质向热源放出热量，q2—工质从冷源吸取热量，w0—循环所作的净功思考题：1．温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？2．平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？3．外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？4．判断下列过程是否为可逆过程：1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。2)对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃4)定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩5)100℃的蒸汽流与25℃的水流绝热混合。6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。7)高压气体突然膨胀至低压。8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。9)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。第2章热力学第一定律2．1系统的储存能系统的储存能的构成：或u=f(T,P)u=f(P,V)注意:式中三系统总储存能：—重力加速度。或2．2系统与外界传递的能量与外界热源,功源,质源之间进行的能量传递一、热量在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。系统吸热热量为正，系统放热热量为负。单位：kJkcallkcal=4.1868kJ特点:热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的路径有关.二、功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1．膨胀功W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。单位：lJ=lNm规定:系统对外作功为正，外界对系统作功为负。膨胀功是热变功的源泉2轴功Ws:通过轴系统与外界传递的机械功注意:刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换三、随物质传递的能量1．流动工质本身具有的能量2．流动功(或推动功)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.推动1kg工质进、出控制体所必须的功f注意:流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风机等提供思考：与其它功区别四、焓的定义：焓=内能+流动功对于m千克工质：对于1千克工质：h=u+pv五、焓的物理意义：对流动工质(开口系统)，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.对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数思考为什么：特别的对理想气体h=f(T)2．3闭口系统能量方程一、能量方程表达式适用于mkg质量工质1kg质量工质注意:该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。由于反映的是热量、对可逆过程思考为什么？二、.循环过程第一定律表达式结论:第一类永动机不可能制造出来思考：为什么三、理想气体内能变化计算由得：dT，12适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程或：t2用定值比热计算用平均比热计算的经验公式代入积分。12理想气体组成的混合气体的开口系统能量方程由质量守恒原理：进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量能量守恒原理：进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量设控制体在时间212离开控制体的能量控制体储存能的变化代入后得到:注意:本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程,也适用于闭口系统2．5开口系统稳态稳流能量方程一稳态稳流工况工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统12适用于任何工质，稳态稳流热力过程二技术功在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。技术功=膨胀功+流动功特别的：对可逆过程：21思考：为什么？注意：技术功是过程量公式：适用于任何工质稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。三、理想气体焓的计算对于理想气体1，适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用定值比热计算用平均比热计算把的经验公式代入积分。12思考题：1．门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行,若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面,感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室内温度的目的,你认为这种想法可行吗?2.既然敞开冰箱大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调器后却能使温度降低呢?3．对工质加热，其温度反而降低，有否可能？4．对空气边压缩边进行冷却，如空气的放热量为1kJ，对空气的压缩功为6kJ，则此过程中空气的温度是升高，还是降低。5．空气边吸热边膨胀，如吸热量Q=膨胀功，则空气的温度如何变化。6．讨论下列问题：1)气体吸热的过程是否一定是升温的过程。2)气体放热的过程是否一定是降温的过程。3)能否以气体温度的变化量来判断过程中气体是吸热还是放热。7．试分析下列过程中气体是吸热还是放热(按理想气体可逆过程考虑)1)压力递降的定温过程。2)容积递减的定压过程。3)压力和容积均增大两倍的过程。第3章气体和蒸汽的性质3．1理想气体状态方程一、理想气体与实际气体定义：气体分子是一些弹性的，忽略分子相互作用力，不占有体积的质点,注意：当实际气体的极限状态时，气体为理想气体。二、理想气体状态方程的导出状态方程的几种形式1．适用于1千克理想气体。式中：p—绝对压力Pav—比容m3/kg，T—热力学温度K2．适用于m千克理想气体。式中V—质量为mkg气体所占的容积3．适用于1千摩尔理想气体。式中VM=Mv—气体的摩尔容积，m3/kmol；R0=MR—通用气体常数，J/kmol〃K．适用于n千摩尔理想气体。式中V—nKmol气体所占有的容积，m3；n—气体的摩尔数，M，kmol5．．仅适用于闭口系统3．2理想气体的比热一、比热的定义与单位定义：单位物量的物体，温度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的热量，称为该物体比热。dT单位：式中c—质量比热，kJ/Kg〃kc’—容积比热，kJ/m3〃kMc—摩尔比热，kJ/Kmol〃k换算关系：注意：比热不仅取决于气体的性质，还于气体的热力过程及所处的状态有关。二、定容比热和定压比热定容比热：表示：明单位物量的气体在定容情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量．定压比热：dT表示：单位物量的气体在定压情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量。迈耶公式：比热比：三、定值比热、真实比热与平均比热1、定值比热：凡分子中原子数目相同因而其运动自由度也相同的气体，它们的摩尔比热值都相等，称为定值比热。2、真实比热：相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。常将比热与温度的函数关系表示为温度的三次多项式3．平均比热思考题：1．某内径为15.24cm的金属球抽空后放后在一精密的天平上称重，当填充某种气体至7.6bar后又进行了称重，两次称重的重量差的2.25g，当时的室温为27℃，试确定这里何种理想气体。2．通用气体常数和气体常数有何不同？3．混合气体处于平衡状态时，各组成气体的温度是否相同，分压力是否相同。4．混合气体中某组成气体的千摩尔质量小于混合气体的千摩尔质量，问该组成气体在混合气体中的质量成分是否一定小于容积成分，为什么。第4章气体和蒸汽的基本热力过程一、定压过程二、定容过程三、定温过程四、绝热过程q=0第5章热力学第二定律5．1自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热,但热不能自发转为功二、传热过程热量只能自发从高温传向低温三、自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀,但压缩过程却不能自发进行四、混合过程两种气体混合为混合气体是常见的自发过程五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等),只要达到燃烧条件即可自发进行结论:自然的过程是不可逆的5．2热力学第二定律的实质克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化开尔文说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能，而不引起其它变化的循环发动机。5.3卡诺循环与卡诺定理意义：解决了热变功最大限度的转换效率的问题一.卡诺循环:[一]正循环组成：两个可逆定温过程、两个可逆绝热过程过程a-b：工质从热源(T1)可逆