工程熱力學(xué)基本概念及重要公式

第一章基本概念1.基本概念熱力系統(tǒng)：用界面將所要研究的對象與周圍環(huán)境分隔開來，這種人為分隔的研究對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。邊界：分隔系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界。外界：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，稱為外界或環(huán)境。閉口系統(tǒng)：沒有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)，也稱控制質(zhì)量。開口系統(tǒng)：有物質(zhì)流穿過邊界的系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，又稱控制體積，簡稱控制體，其界面稱為控制界面。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞，稱為絕熱系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換，稱為孤立系統(tǒng)。單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復(fù)相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。單元系：由一種化學(xué)成分組成的系統(tǒng)稱為單元系。多元系：由兩種以上不同化學(xué)成分組成的系統(tǒng)稱為多元系。均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈均勻分布的為均勻系。非均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈非均勻分布，稱非均勻系。熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況，稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱為狀態(tài)。平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時間而變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時建立了熱的和力的平衡，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱為平衡狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。如溫度（T）、壓力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、內(nèi)能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。基本狀態(tài)參數(shù)：在工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)中，其中溫度、壓力、比容或密度可以直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。溫度：是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量，其物理實質(zhì)是物質(zhì)內(nèi)部大量微觀分子熱運動的強弱程度的宏觀反映。熱力學(xué)第零定律：如兩個物體分別和第三個物體處于熱平衡，則它們彼此之間也必然處于熱平衡。壓力：垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強。相對壓力：相對于大氣環(huán)境所測得的壓力。如工程上常用測壓儀表測定系統(tǒng)中工質(zhì)的壓力即為相對壓力。比容：單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的容積，稱為工質(zhì)的比容。密度：單位容積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，稱為工質(zhì)的密度。強度性參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個系統(tǒng)的參數(shù)值相同，與質(zhì)量多少無關(guān)，沒有可加性，如溫度、壓力等。在熱力過程中，強度性參數(shù)起著推動力作用，稱為廣義力或勢。廣延性參數(shù)：整個系統(tǒng)的某廣延性參數(shù)值等于系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之和，如系統(tǒng)的容積、內(nèi)能、焓、熵等。在熱力過程中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學(xué)中位移的作用，稱為廣義位移。準(zhǔn)靜態(tài)過程：過程進(jìn)行得非常緩慢，使過程中系統(tǒng)內(nèi)部被破壞了的平衡有足夠的時間恢復(fù)到新的平衡態(tài)，從而使過程的每一瞬間系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)都非常接近平衡狀態(tài)，整個過程可看作是由一系列非常接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成，并稱之為準(zhǔn)靜態(tài)過程?？赡孢^程：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正、反兩個過程后，系統(tǒng)與外界均能完全回復(fù)到初始狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆過程。膨脹功：由于系統(tǒng)容積發(fā)生變化（增大或縮?。┒ㄟ^界面向外界傳遞的機械功稱為膨脹功，也稱容積功。熱量：通過熱力系邊界所傳遞的除功之外的能量。熱力循環(huán)：工質(zhì)從某一初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回復(fù)到初始狀態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。第二章氣體的熱力性質(zhì)1.基本概念理想氣體：氣體分子是由一些彈性的、忽略分子之間相互作用力（引力和斥力）、不占有體積的質(zhì)點所構(gòu)成。比熱：單位物量的物體，溫度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的比熱。定容比熱：在定容情況下，單位物量的物體，溫度變化1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定容比熱。定壓比熱：在定壓情況下，單位物量的物體，溫度變化1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定壓比熱。定壓質(zhì)量比熱：在定壓過程中，單位質(zhì)量的物體，當(dāng)其溫度變化1K（1℃）時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓質(zhì)量比熱。定壓容積比熱：在定壓過程中，單位容積的物體，當(dāng)其溫度變化1K（1℃）時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓容積比熱。3．適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用平均比熱計算）4．把的經(jīng)驗公式代入積分。適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用真實比熱公式計算）5．由理想氣體組成的混合氣體的熱力學(xué)能等于各組成氣體熱力學(xué)能之和，各組成氣體熱力學(xué)能又可表示為單位質(zhì)量熱力學(xué)能與其質(zhì)量的乘積。 6． 適用于任何工質(zhì)，可逆過程。 7． 適用于任何工質(zhì)，可逆定容過程 8． 適用于任何工質(zhì)，可逆絕熱過程。 9． 適用于閉口系統(tǒng)任何工質(zhì)絕熱、對外不作功的熱力過程等熱力學(xué)能或理想氣體定溫過程。 10．適用于mkg質(zhì)量工質(zhì)，開口、閉口，任何工質(zhì)，可逆、不可逆過程。11.適用于1kg質(zhì)量工質(zhì)，開口、閉口，任何工質(zhì)，可逆、不可逆過程12.適用于微元，任何工質(zhì)可逆過程13． 熱力學(xué)能的變化等于焓的變化與流動功的差值。焓的變化：1．適用于m千克工質(zhì) 2． 適用于1千克工質(zhì) 3．適用于理想氣體4．，適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程5．適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程，用定值比熱計算6．適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程用平均比熱計算 7．把的經(jīng)驗公式代入積分。適用于理想氣體的一切熱力過程或者實際氣體的定壓過程，用真實比熱公式計算8．由理想氣體組成的混合氣體的焓等于各組成氣體焓之和，各組成氣體焓又可表示為單位質(zhì)量焓與其質(zhì)量的乘積。 9．熱力學(xué)第一定律能量方程 適用于任何工質(zhì)，任何熱力過程。 10．適用于任何工質(zhì)，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流熱力過程 11． 適用于任何工質(zhì)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略工質(zhì)動能和位能的變化。12．適用于任何工質(zhì)可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略工質(zhì)動能和位能的變化。13．適用于任何工質(zhì)可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流絕熱過程，忽略工質(zhì)動能和位能的變化。14．適用于任何工質(zhì)可逆、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流定壓過程，忽略工質(zhì)動能和位能的變化。15．適用于任何工質(zhì)等焓或理想氣體等溫過程。熵的變化： 1．適用于任何氣體，可逆過程。2．為熵流，其值可正、可負(fù)或為零；為熵產(chǎn)，其值恒大于或等于零。3．（理想氣體、可逆定容過程） 4．（理想氣體、可逆定壓過程） 5．（理想氣體、可逆定溫過程） 6．（定熵過程） 適用于理想氣體、任何過程功量：膨脹功（容積功）：1． 或適用于任何工質(zhì)、可逆過程2．適用于任何工質(zhì)、可逆定容過程3．適用于任何工質(zhì)、可逆定壓過程4．適用于理想氣體、可逆定溫過程5．適用于任何系統(tǒng)，任何工質(zhì)，任何過程。6．適用于理想氣體定溫過程。7．適用于任何氣體絕熱過程。8．適用于理想氣體、絕熱過程9．適用于理想氣體、可逆絕熱過程10．適用于理想氣體、可逆多變過程流動功:推動1kg工質(zhì)進(jìn)、出控制體所必須的功。技術(shù)功:1．熱力過程中可被直接利用來作功的能量，統(tǒng)稱為技術(shù)功。2．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、微元熱力過程3．技術(shù)功等于膨脹功與流動功的代數(shù)和。4．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、微元可逆熱力過程5．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、可逆過程熱量：1． 適用于任何工質(zhì)、微元可逆過程。2． 適用于任何工質(zhì)、可逆過程3．適用于mkg質(zhì)量任何工質(zhì)，開口、閉口，可逆、不可逆過程4．適用于1kg質(zhì)量任何工質(zhì)，開口、閉口，可逆、不可逆過程5．適用于微元，任何工質(zhì)可逆過程。6．適用于任何工質(zhì)可逆過程。7適用于任何工質(zhì)，任何系統(tǒng)，任何過程。8． 適用于微元穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程9．適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程10．適用于任何工質(zhì)定容過程11．適用于理想氣體定容過程。12．適用于任何工質(zhì)定壓過程13．適用于理想氣體、定壓過程14． 適用于任何工質(zhì)、絕熱過程15． 適用于理想氣體、多變過程第四章理想氣體的熱力過程及氣體壓縮1.基本概念分析熱力過程的一般步驟：1.依據(jù)熱力過程特性建立過程方程式，p=f(v)；2.確定初、終狀態(tài)的基本狀態(tài)參數(shù)；3.將過程線表示在p-v圖及T—s圖上,使過程直觀，便于分析討論。4.計算過程中傳遞的熱量和功量。絕熱過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進(jìn)行的狀態(tài)變化過程，即或稱為絕熱過程。定熵過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進(jìn)行的可逆熱力過程，稱為定熵過程。多變過程：凡過程方程為常數(shù)的過程，稱為多變過程。定容過程：定量工質(zhì)容積保持不變時的熱力過程稱為定容過程。定壓過程：定量工質(zhì)壓力保持不變時的熱力過程稱為定壓過程。定溫過程：定量工質(zhì)溫度保持不變時的熱力過程稱為定溫過程。單級活塞式壓氣機工作原理：吸氣過程、壓縮過程、排氣過程，活塞每往返一次，完成以上三個過程。活塞式壓氣機的容積效率：活塞式壓氣機的有效容積和活塞排量之比，稱為容積效率?；钊綁簹鈾C的余隙：為了安置進(jìn)、排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋間的碰撞，在汽缸端蓋與活塞行程終點間留有一定的余隙，稱為余隙容積，簡稱余隙。最佳增壓比：使多級壓縮中間冷卻壓氣機耗功最小時，各級的增壓比稱為最佳增壓比。壓氣機的效率：在相同的初態(tài)及增壓比條件下，可逆壓縮過程中壓氣機所消耗的功與實際不可逆壓縮過程中壓氣機所消耗的功之比，稱為壓氣機的效率。熱機循環(huán)：若循環(huán)的結(jié)果是工質(zhì)將外界的熱能在一定條件下連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，則此循環(huán)稱為熱機循環(huán)。 2.常用公式 氣體主要熱力過程的基本公式過程定容過程定壓過程定溫過程定熵過程多變過程過程指數(shù)n∞01кn過程方程v=常數(shù)p=常數(shù)pv=常數(shù)pvк=常數(shù)pvn=常數(shù)P、v、T關(guān)系膨脹功w=0熱量比熱容0備注表中比熱容為定值比熱容多變指數(shù)n：z級壓氣機，最佳級間升壓比：3.重要圖表圖4－3多變過程p-v圖圖4－3多變過程T-s圖第五章熱力學(xué)第二定律1.基本概念熱力學(xué)第二定律：開爾文說法：只冷卻一個熱源而連續(xù)不斷作功的循環(huán)發(fā)動機是造不成功的?？藙谛匏拐f法：熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。第二類永動機：從單一熱源取得熱量，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機，稱為第二類永動機。孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換，稱為孤立系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)熵增原理：任何實際過程都是不可逆過程，只能沿著使孤立系統(tǒng)熵增加的方向進(jìn)行。定熵過程：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換情況下所進(jìn)行的可逆熱力過程，稱為定熵過程。熱機循環(huán)：若循環(huán)的結(jié)果是工質(zhì)將外界的熱能在一定條件下連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，則此循環(huán)稱為熱機循環(huán)。制冷：對物體進(jìn)行冷卻，使其溫度低于周圍環(huán)境溫度，并維持這個低溫稱為制冷。制冷機：從低溫冷藏室吸取熱量排向大氣所用的機械稱為制冷機。熱泵：將從低溫?zé)嵩次〉臒崃總魉椭粮邷嘏宜玫臋C械裝置稱為熱泵。理想熱機：熱機內(nèi)發(fā)生的一切熱力過程都是可逆過程，則該熱機稱為理想熱機?？ㄖZ循環(huán)：在兩個恒溫?zé)嵩撮g，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成的循環(huán)，稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ定理：1．所有工作于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與采用哪種工質(zhì)無關(guān)。2．在同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)。自由膨脹：氣體向沒有阻力空間的膨脹過程，稱為自由膨脹過程。第七章水蒸氣1．基本概念未飽和水:水溫低于飽和溫度的水稱為未飽和水（也稱過冷水）.飽和水:當(dāng)水溫達(dá)到壓力P所對應(yīng)的飽和溫度時，水將開始沸騰，這時的水稱為飽和水。濕飽和蒸汽：把預(yù)熱到ts的飽和水繼續(xù)加熱，飽和水開始沸騰，在定溫下產(chǎn)生蒸汽而形成飽和液體和飽和蒸汽的混合物，這種混合物稱為濕飽和蒸汽，簡稱濕蒸汽。干飽和蒸汽：濕蒸汽的體積隨著蒸汽的不斷產(chǎn)生而逐漸加大，直至水全部變?yōu)檎羝?，這時的蒸汽稱為干飽和蒸汽（即不含飽和水的飽和蒸汽）2．常用公式干度：濕蒸汽的參數(shù)：（當(dāng)p不太大，x不太小時）過熱蒸汽的焓：其中是過熱熱量，t為過熱蒸汽的溫度，cpm為過熱蒸汽由t到ts的平均比定壓熱容。過熱蒸汽的熱力學(xué)能：過熱蒸汽的熵：水蒸氣定壓過程：或水蒸氣定容過程：水蒸氣定溫過程：水蒸氣絕熱過程：3．重要圖表7-1凝固時體積膨脹的物質(zhì)的p-t圖圖7-2凝固時體積縮小的物質(zhì)的p-t圖圖7-5水蒸氣的p-v圖圖7-6水蒸氣的T-s圖圖7-9水蒸氣的定壓過程圖7-10水蒸氣的定容過程圖7-11水蒸氣的定溫過程圖7-12水蒸氣的定熵過程第八章濕空氣1.基本概念濕空氣：干空氣和水蒸氣所組成的混合氣體。飽和空氣：干空氣和飽和水蒸氣所組成的混合氣體。未飽和空氣：干空氣和過熱水蒸氣所組成的混合氣體。絕對濕度：每立方米濕空氣中所含有的水蒸氣質(zhì)量。飽和絕對濕度：在一定溫度下飽和空氣的絕對濕度達(dá)到最大值，稱為飽和絕對濕度相對濕度：濕空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的飽和絕對濕度的比值含濕量(比濕度)：在含有1kg干空氣的濕空氣中，所混有的水蒸氣質(zhì)量飽和度：濕空氣的含濕量d與同溫下飽和空氣的含濕量ds的比值濕空氣的比體積：在一定溫度T和總壓力p下，1kg干空氣和0.001d水蒸氣所占有的體積濕空氣的焓：1kg干空氣的焓和0.001dkg水蒸氣的焓的總和第九章氣體和蒸汽的流動1．基本概念穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流是指開口系統(tǒng)內(nèi)每一點的熱力學(xué)和力學(xué)參數(shù)都不隨時間而變化的流動，但在系統(tǒng)內(nèi)不同點上，參數(shù)值可以不同。為了簡化起見，可認(rèn)為管道內(nèi)垂直于軸向的任一截面上的各種參數(shù)都均勻一致，流體參數(shù)只沿管道軸向或流動方向發(fā)生變化。定熵滯止參數(shù)：將具有一定速度的流體在定熵條件下擴壓，使其流速降低為零，這時氣體的參數(shù)稱為定熵滯止參數(shù)。減縮噴管：當(dāng)進(jìn)入噴管的氣體是M<1的亞音速氣流時，這種沿著氣體流動方向噴管截面積逐漸縮小的噴管稱為漸縮噴管。漸擴噴管：當(dāng)進(jìn)入噴管的氣體是M>1的超音速氣流時，這種沿氣流方向噴管截面積逐漸擴大的噴管稱為漸擴噴管。縮放噴管：如需要將M<1的亞音速氣流增大到M>1的超音速氣流，則噴管截面積應(yīng)由df<0逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閐f>0，即噴管截面積應(yīng)由逐漸縮小轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u擴大，這種噴管稱為漸縮漸擴噴管，或簡稱縮放噴管，也稱拉伐爾（Laval）噴管。節(jié)流：節(jié)流過程是指流體（液體、氣體）在管道中流經(jīng)閥門、孔板或多孔堵塞物等設(shè)備時，由于局部阻力，使流體壓力降低的一種特殊流動過程。這些閥門、孔板或多孔堵塞物稱為節(jié)流元件。若節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換，稱為絕熱節(jié)流，常常簡稱為節(jié)流。在熱力設(shè)備中，壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)或測量流量以及獲得低溫流體等領(lǐng)域經(jīng)常利用節(jié)流過程，而且由于流體與節(jié)流元件換熱極少，可以認(rèn)為是絕熱節(jié)流。冷效應(yīng)區(qū)：在轉(zhuǎn)回曲線與溫度縱軸圍成的區(qū)域內(nèi)所有等焓線上的點恒有j>0，發(fā)生在這個區(qū)域內(nèi)的絕熱節(jié)流過程總是使流體溫度降低，稱為冷效應(yīng)區(qū)。熱效應(yīng)區(qū)：在轉(zhuǎn)回曲線之外所有等焓線上的點，其j<0，發(fā)生在這個區(qū)域的微分絕熱節(jié)流總是使流體溫度升高，即壓力降低dp，溫度增高dT，稱為熱效應(yīng)區(qū)。噴管效率：是